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1第九章成形缺陷的产生机理及防止措施第一节内应力第二节焊接变形第三节裂纹2第一节内应力热胀冷缩:金属受热温度升高要发生体积膨胀,冷却时温度降低要发生体积收缩。焊接过程中的膨胀与收缩:由于焊接过程是局部加热,焊件上的温度分布不均匀,这使得膨胀与收缩也不均匀,在焊件上产生应力与变形。固态相变引起的膨胀与收缩:不同相具有不同的密度,导致体积和形态发生变化,也会引起膨胀和收缩,带来应力与变形。例如从奥氏体到马氏体的转变将发生体积膨胀,带来压应力。内应力:在没有外力的作用条件下,平衡于物体内部的应力。焊接瞬时应力:在焊件加热和冷却过程中某一瞬时焊件中存在的应力。焊接残余应力:焊接完全冷却、温度均匀化后,残存于焊件中的应力。3第一节内应力内应力的影响:内应力的存在对焊接结构的质量有很大的影响。在一定条件下,内应力影响结构的强度、刚度、受压稳定性和加工精度。残余应力对构件承载能力的影响:残余应力的存在对构件承载能力有很大的影响,特别是承受交变载荷的结构和零件(影响构件的疲劳寿命)。当载荷作用的方向与构件的内应力方向一致时,在内、外应力的共同作用下,很可能超过材料的强度极限,从而导致局部或整体的断裂。如焊接构件,当局部内应力很大时,常发生低应力脆断。此外,在腐蚀介质中,还会出现应力腐蚀开裂现象。因此,必须尽量减小焊件中的内应力。4一、内应力的形成(一)热应力(thermalstress)工件在受热及冷却过程中,由于各部分的温度不同,冷却速度不同而造成工件上在同一时刻各部分的收缩和膨胀量不同,从而导致彼此相互制约而产生的应力。由于该应力是由热胀冷缩引起的,称为热应力。金属框架整体均匀加热和冷却:不会产生应力中心杆件加热:中心杆件上由于温度升高而发生伸长,但其伸长受到两侧杆件的阻碍,不能自由进行。因此中心杆件受到压缩应力的作用,而两侧杆件在阻碍中心杆件伸长的同时,也受到了中心杆件的反作用力,即受到拉伸应力的作用。这种拉伸与压缩应力是在没有外部应力作用下形成的,而且在框架中相互平衡,称为内应力。5
如果热应力较小,其值低于材料的屈服强度,则在框架内不会产生塑性变形,当框架的温度均匀化后,热应力也随之消失。如果热应力较大,其值超过了材料的屈服强度,则框架的中心杆件将产生压缩塑性变形。当杆件温度下降,恢复到原始状态时,若框架的中心杆件能自由收缩,其长度必然比原来的短,其缩短量就是压缩塑性变形量,其缩短率εs可按下式计算:E-弹性模量,Mpa;α-线胀系数,1/℃或1/K;△T-温升,℃或K;负号表示内应力的方向与温度升高的方向相反,即当温度升高时,内应力为负值,受到压缩应力的作用。(9-1)6实践上,框架两侧的杆件阻碍着中心杆件的收缩,因此使中心杆件受到拉伸应力的作用,两侧的杆件受到压缩应力的作用。在冷却后的框架中则形成了新的内应力体系,即残余应力。(9-2)∆L-缩短量;L0-原始长度;σs-屈服点;εs-屈服塑性变形。7
产生原因:在焊接过程中,由于热源是移动的,因此焊件的加热是局部和不均匀的加热过程。从焊接温度场的温度分布中可以看出,同一时刻离热源中心距离不同点的温度是不相同的。如果把焊件分成无数小的窄板条,便可将微元件的温度当作均匀的看待。这样受热的微元件在具有不同温度的周围杆件的作用下,将处于应力状态之中,即相当于加热时不能自由膨胀,冷却时不能收缩的杆件,而其本身也将对周围杆件产生制约的作用。(二)焊接应力与变形8在钢板中心堆焊时的应力与变形如图9-2所示。
平截面假定:焊接加热和冷却过程中工件端面始终保持平截面。焊接应力与变形的产生过程:加热过程(9-1a)、冷却过程(9-2b)。
曲线1为温度分布曲线;曲线2为实际截面的位置,以及各部位所承受的拉伸或压缩塑性变形;曲线3为残留的压缩塑性变形。
从图中可以看出,焊缝及近缝区受到等于屈服强度的拉伸应力,离开焊缝和近缝区的区域受到压缩应力,此时钢板将产生缩短现象。实际截面位置实际截面位置原截面位置9(三)相变应力相变应力:金属材料在固态相变过程中,各部分发生相变的先后时刻不同,各部分发生的相变程度也不同,由此产生的应力称为相变应力。10Ⅰ:加热,膨胀,体积随温度的升高而增大,至Ac1发生相变,F+P转变为A,由于A的体积比最小,因此体积要减小;至Ac3相变结束,其体积又随温度的升高而增大。
Ⅱ:低碳钢冷却;
Ⅲ:低合金钢冷却。
低碳钢:相变温度大于600℃,此时钢材仍处于塑性状态,无相变应力。
合金钢:由于合金元素的作用,高温奥氏体的稳定性增加,冷却到200~350℃时才发生M转变,并保留到室温。由于M的比体积最大,因此钢材的体积增大,产生较大的压应力。使焊缝中心拉应力有所下降,使最终的残余应力有所降低。11(四)机械阻碍应力(拘束应力)产生原因:焊件冷却过程中产生的收缩受到外界的阻碍而产生应力的作用,称为机械阻碍应力。焊接过程中采用的刚性固定装置、工装夹具、胎具等都会阻碍焊件的收缩,所产生的机械阻碍力可使工件产生拉应力或切应力。影响:若应力在弹性范围内,当阻碍消除后,则应力将消失,不会产生有害影响。若阻碍应力与其他应力同时作用且方向一致时,则会使应力加剧,甚至导致工件中出现裂纹。12综上所述,焊件内的应力是热应力、相变应力、以及机械阻碍应力的总和。在冷却过程中的某一瞬时,当局部应力的总和大于金属在该温度下的抗拉强度时,工件就会产生裂纹。此外,工件中的残余应力并非是永久性的,经过热处理,工件内各部分的应力会重新分配或消失。13二、焊接残余应力的分布焊接残余应力值的大小确定:试验测定,理论计算。焊接残余应力的分布:非常复杂,需掌握简单焊接接头的残余应力分布,以便定性地分析具体结构中的应力分布状况。焊接残余应力的分类纵向应力:沿焊缝方向的应力,x
。横向应力:垂直于焊缝方向的应力,y
。厚度方向应力:沿板厚度方向的应力,z。薄板(<20mm):为双向应力,不考虑厚度方向应力。厚板:为三向应力,考虑厚度方向应力。14(一)纵向残余应力x的分布平板对接接头纵向残余应力分布特点:
焊缝及近缝区为拉应力,σmax可达到σs,离焊缝较远的母材中为压应力,拉应力与压应力大小相等,是自平衡力系。
由于端面是自由边界,其表面的应力为0,即截面0-0上的σx=0。随着离端面的距离增加,纵向应力逐渐增大,如截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ,最后达到σs,如截面Ⅲ-Ⅲ。可见,低碳钢长板条对接接头的纵向残余应力存在过渡区与稳定区。当钢板的长度较短时,焊缝中的σmax可小于σs。15圆筒上环形焊缝引起的纵向应力分布特点:
圆筒的切向应力,其分布与圆筒的直径、厚度有关;
当圆筒的直径与厚度之比较大时,纵向应力σx的分布与平板的情况类似;
若圆筒的直径比较小时,σx就有所降低。16
(二)横向残余应力y的分布
横向残余应力的分布情况比较复杂。它分为两个组成部分。其中,一个是由焊缝及附近塑性区的纵向收缩引起的,用y
表示;另一个是由焊缝及附近塑性区的横向收缩的不同时性引起的,用y表示。17纵向收缩引起的横向应力y分布焊缝纵向收缩引起的横向残余应力y
的分布18横向收缩引起的横向应力y分布焊缝横向收缩不同时性引起的横向残余应力y的分布19横残余向应力沿板宽的分布实践证明横向残余应力y主要取决于纵向收缩所引起的y
。201.合理的结构设计:避免焊缝的交叉和密集;采用对接避免搭接;减小结构的刚度。选择合理的工艺及采取必要的措施:小线能量焊接,减小受热范围;安排合理的焊接顺序。三、减小或消除焊接残余应力的途径212223
减少焊接残余应力的措施热处理、机械加载、共振法2425第二节焊接变形
焊接变形:由焊接导致的焊件的形状尺寸发生变化。
残余变形:焊后工件完全冷却后,遗留下的变形。
整体变形
局部变形
主要分析残余变形的种类、影响因素及控制变形的措施26一、焊接变形的基本形式收缩变形(a、b)、弯曲变形(c、e)、角变形(d)、螺旋形变形或扭曲变形(f)、波浪变形(g)27二、影响变形的因素1.材料热物理性能
线胀系数越大(不锈钢),纵向和横向的收缩越大。
导热性好的金属(铝),其线胀系数也大,高温σs较低,变形也大2.工艺因素单层焊的纵向收缩量比多层焊大(因单层焊的热输入大,受热面积增大,导致压缩塑性区增大,因而收缩量大)
焊缝越长,使纵向和横向收缩量越大。
坡口形状(V形坡口比X形坡口的收缩量大)、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊顺序等,都对焊接结构的变形有很大的影响。281.结构设计
尽可能减少不必要焊缝;合理选择焊缝的尺寸,在保证结构承载能力的条件下尽量采用小的焊缝尺寸;对受力较大的T形接头和十字接头,在保证相同强度的条件下,采用开坡口的焊缝比不开坡口的角焊缝对减小变形有利。
图9-12中b、c的接头形式可减小焊缝的尺寸。
薄板结构中,采用点焊代替熔焊,可减小焊接变形,如图9-13。
合理安排焊缝位置,使其尽可能对称于截面的中性轴、以及采用合适的坡口形式等,均可减小变形量。三、防止和减少焊接变形的方法29302.工艺措施
(1)反变形法这是焊接生产中最常用减小焊接变形的方法。
原理:根据结构件变形的情况,预先给出一个方向相反、大小相等的变形,用来抵消结构件在焊接过程中产生的变形,使焊接后的结构件符合设计要求。
反变形的尺寸、形态应根据实测和经验来确定。3132(2)刚性固定法
该方法是将焊件牢牢地固定在家具中进行焊接,以限制其发生变形。
焊接法兰盘:采用图9-15所示的刚性固定法,将两个法兰背对背的被固定,可以有效地减小其角变形,使法兰保持平直。333435(3)预留收缩量
在备料时,预先考虑加放收缩余量。
收缩量的大小可根据经验估计。36(4)合理的工艺采用热输入较小的焊接方法,选择合适的焊接参数,合理的施焊顺序。
采用CO2焊代替焊条电弧焊,采用真空电子束焊或激光焊(焊缝很窄),采用多层焊代替单道焊,采用小热输入焊接,均有利于减小焊接变形。
图9-17,焊缝1、2造成的弯曲变形大于焊缝3、4,焊后将出现下弯,如将焊缝1、2适当分层焊,每层采用小热输入,则完全可以使上、下弯曲变形相抵消,焊后成为平直的构件。37大型构件,如储油罐、船体、车辆底架等,可将结构件适当分成几个部分,分别加以装配焊接,然后再将焊好的部件拼成整体。可以使其中不对称的或收缩力较大的焊缝,能自由收缩,而不影响整体结构,从而有效地控制焊接变形。
正确的装配顺序,图9-18为船体合拢时焊缝的焊接顺序,可见,对称的焊缝是同时进行的,远离中性轴的焊缝先焊,靠近中性轴的焊缝后焊。由双数焊工同时焊接整个环焊缝,使沿着整个对接缝的加热膨胀和冷却收缩同时进行。38(5)焊接变形的矫正机械矫正、火焰矫正、综合矫正1)机械矫正利用机械力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形,以消除原有的焊接变形。39402)火焰矫正采用火焰局部加热使构件产生压缩塑性变形,利用冷却后产生的收缩变形来矫正原有的变形。
低碳钢或低合金钢构件,采用气焊焊炬进行600~800℃的加热。
根据结构的特点和变形情况,可采用单点、多点、三角形及火焰沿直线加热等方式。
火焰矫正的效果与加热位置和加热范围的选择有关。413)综合矫正采用机械与火焰两种方法同时矫正焊接变形,效果更好。42第三节裂纹
裂纹的定义:在应力与致脆因素的共同作用下,使材料的原子结合遭到破坏,形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。
特点:具有尖锐的缺口和长宽比大的特征,是一种断裂形态的缺陷。
裂纹是焊接结构中最为重要的缺陷,其危害性极大,给生产带来困难,带来灾难性事故。
压力容器的爆炸、桥梁的断裂等,绝大多数是由裂纹引发的脆性破坏,是引起脆性破坏的主要原因。43第三节裂纹一、焊接裂纹的分类:按形成机理分主要有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂等。44焊接裂纹可以出现在焊接过程中,如热裂纹和大部分冷裂纹。
有时出现在放置或运行过程中,如冷裂纹中的某些延迟裂纹和应力腐蚀裂纹。
有的出现在焊后热处理或再次受热过程中,如消除应力裂纹等。
按产生裂纹的本质来分,可以分为五大类,它们的形成时期、分布部位及基本特征如表9-4所示。454647二、热裂纹(一)热裂纹的形成条件及其特征1.热裂纹的形成条件:焊缝凝固过程中,在枝晶间存在低熔共晶的薄层(主要是硫化物偏析),此时材料的塑性变形能力很低,在冷却过程中不可避免的产生收缩应变(ε),当收缩应变量大于材料此时的塑性应变能力δmin时,将产生焊接热裂纹,即
ε≥δmin
焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性变形应变能力差的应变区间叫做“脆性温度区”,它具有最低的延性,易于促使产生热裂纹。不同材料有不同的脆性温度区,温度区越大,产生热裂纹的危险性越大。48脆性温度区如图9-23所示,表明有两类裂纹:1)与液膜有关的裂纹,图中的Ⅰ区,裂纹出现在金属凝固的末期TS附近;2)与液膜无关的裂纹,图中的Ⅱ区,裂纹出现温度位于奥氏体再结晶温度TR附近。492.热裂纹的特征1)与液膜有关的裂纹凝固(结晶)裂纹:凝固末期,TS附近,因晶间残存液膜所造成的热裂纹被称为凝固裂纹,易在焊缝中心形成。液化裂纹:近缝区由于过热,晶间出现液化,造成晶间液膜分离的开裂现象。特征:沿晶液膜分离的断口特征,晶界面很圆滑,断口有明显的氧化色彩。2)与液膜无关的热裂纹高温失延裂纹:与再结晶相联系而导致晶间的延性陡降,造成沿晶开裂多边化裂纹:由于位错运动而形成多边化晶界(亚晶界),延性下降以致的开裂。特征:不多见,偶尔在单相奥氏体钢中见到,其微观断口显示出柱状晶明显的方向性,但无液膜分离特征、断口粗糙不光滑。502.热裂纹的特征焊接热裂纹可以出现在焊缝,也可出现在近缝区,包括多层焊焊道间的热影响区。凝固裂纹只存在于焊缝中,特别容易出现在弧坑之中,形成“弧坑裂纹”。宏观上可见的热裂纹,断口均有教明显的氧化色彩,可作为初步判断裂纹是否为热裂纹的判据。焊接时近缝区产生的热裂纹,一般都是微裂纹,并且很难发现。51(二)热裂纹的形成机理在L相和L-S阶段不会产生凝固裂纹S-L阶段易产生裂纹,这一温度区间称为“脆性温度区”TBTB越大,凝固裂纹越易产生S相阶段不会产生凝固裂纹1.凝固裂纹的形成机理52凝固裂纹的形成条件:
ε>δminε--TB区间内的产生的应变量δmin--焊缝的最低延性/T--应变增长率TH--脆性温度区间的上限,为枝晶开始交织长合的温度。TS‘--脆性温度区间的下限,为液膜完全消失的实际固相线。53低延性或脆化只是产生裂纹的条件之一,是内因,是否产生裂纹,还需要看在脆性温度区内的应变发展情况,这是产生裂纹的必要条件。应变增长率/T为直线1时,ε<δmin
,不会产生凝固裂纹/T为直线2时,
ε≈δmin
,产生凝固裂纹的临界条件,此时的/T称为“临界应变增长率”/T为直线3时,
ε>δmin
,产生凝固裂纹54脆性温度区TB的大小TB↑(拉应力作用时间↑,应变量↑)→裂纹倾向↑合金材料在TB
区间具有的延性δmin的大小δmin↓→裂纹倾向↑脆性温度区内的应变增长率/T/T↑→裂纹倾向↑冶金因素力学因素可见,是否产生凝固裂纹取决于以下三方面的因素:三者之间既相互联系、相互影响,又相对独立。TB的大小和金属在TB区的延性δmin:化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素。/T:线胀系数、焊件的刚度、收缩阻力及温度场的分布等力学因素。55不同材料的TB大小不同,最低延性δmin的大小也不同,因而临界应变增长率也各不相同。焊接时临界应变增长率,用CST表示:反映与材料成分有关的热裂纹敏感性。CST越大,材料的热裂纹敏感性越小。结构钢的CST≥6.5×10-4。为了防止凝固裂纹,须满足:
/T<CST562.近缝区的液化裂纹在焊接热循环峰值温度的作用下,在热影响区的近缝区和多层焊层间的热影响区,由于含有较多的低熔共晶,而沿晶界被重新熔化,在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。与凝固裂纹类似,均与液膜有关,都是沿晶断裂,断口中会看到局部有树枝状突起。与偏析造成的共晶反应有关。多见于奥氏体钢和镍基合金:如Ni75Cr15Fe近缝区,杂质Mg强烈偏析,晶间形成共晶液膜,产生液化裂纹。液化裂纹尺寸不大,但是会诱发凝固裂纹、冷裂纹等其他裂纹。2.液化裂纹的形成机理572.近缝区的液化裂纹高温失延裂纹:温度低于液相线的无液膜晶间断裂。晶格缺陷发生移动和聚集,形成二次边界导致的高温低塑性造成,因此又叫多边化裂纹。开裂模式:楔形开裂、空穴开裂3.高温失延裂纹的形成机理(多边化裂纹)58(三)焊接热裂纹的影响因素1.冶金因素对热裂纹的影响:化学成分、凝固组织形态(1)化学成分对热裂纹的影响1)合金元素对凝固温度区的影响
影响凝固温度区的大小,塑性的大小
裂纹倾向随着凝固温度区的增大而增大
图中阴影:随合金元素含量的增加,凝固温度区增大,在S点达到最大值,脆性温度区最大,裂纹的倾向最大
合金元素含量进一步增加,凝固温度区和脆性温度区反而减小,裂纹倾向降低
实线和虚线分别为平衡状态和实际条件下的凝固温度区间和裂纹倾向。
为防止热裂纹,采用超合金化的方法,即合金元素含量超过S点,产生更多的易熔共晶而产生“愈合”作用。59
利用合金的相图来分析焊件的凝固裂纹的倾向。
虚线为裂纹倾向的变化
合金的凝固温度区间越大,凝固裂纹的倾向就越大。60由Fe-C平衡相图可知,含碳量增加,初生相可由δ相变为γ相S、P在γ相中的溶解度比在δ相中低很多,见表9-7
若初生相或凝固结束前是γ相,则被析出的S和P富集在晶界,裂纹倾向增大2)合金元素的影响S、P:极易偏析,易形成低熔点共晶,使凝固温度区间增大以及形成液态薄膜,增大凝固裂纹的倾向。C:影响凝固裂纹的主要元素,并能促使S、P的偏析61Mn:具有脱硫作用,与FeS反应生成MnS,同时也改善硫化物的分布形态,由薄膜状改变为球状,提高焊缝的抗裂性。为防止热裂纹需提高焊缝金属中的Mn/S比。当C含量大于0.10%时,Mn/S应大于22;综合而言,希望焊缝的含碳量不超过0.12%,同时控制Mn/S的比值合金元素的热裂纹敏感系数HCS:当HCS<4时,则可以防止热裂纹的产生。62对于奥氏体钢或合金:Ni:含量高,与S、P形成更低熔点的共晶,热烈纹的倾向更大,特别是P的危害更大。奥氏体焊缝中,各元素对热裂纹的敏感系数:当HCI<15时,可防止产生凝固裂纹。63(2)凝固组织形态对热裂纹的影响奥氏体钢:凝固后晶粒的大小、形态和方向以及析出的初生相等对抗裂性有很大影响晶粒越粗大,方向越明显,热裂倾向越大细化晶粒:Ti、Mo、V、Nb、Al和稀土元素,破坏液态薄膜的连续性,打乱柱状晶的方向。18-8钢:希望得到γ+δ双相焊缝组织,因δ相可以细化晶粒,并打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性;同时,δ相还有比γ相溶解更多S、P的有利作用,因而焊缝的抗裂性得到提高。因此应在焊接材料中加入铁素体化元素,如Cr、Si等。64低合金钢焊缝,热裂纹的主要影响因素是杂质元素的偏析作用,可通过提高Mn/S比值,降低裂纹倾向Cr-Ni奥氏体钢焊缝,需严格控制焊缝金属中的S、P含量,同时加入合适的微量合金元素,细化晶粒,打乱粗大的柱状晶的方向。图示,在单相粗大奥氏体柱状晶之间有铁素体存在时,可以细化晶粒和打乱柱状晶的方向性。652.工艺因素对热裂纹的影响采用合适的焊接工艺尽量减少有害元素的偏析,并降低应变增长率。(1)熔合比的影响减少母材杂质对热裂纹的影响:尽量减小熔合比,开大坡口,减小熔深;或者采用隔离层堆焊法异种焊接,例如蒙耐尔合金(Ni-Cu)合金与低碳钢采用Ni基焊条焊接时,由于Cu-Fe不能共存,必须减少低碳钢一侧的熔化量66(2)成形系数焊接参数与接头形式对焊缝枝晶成长有重要影响,从而影响到枝晶偏析或区域偏析。
成形系数φ的定义:
φ=B/H67不同形式的接头对裂纹倾向的影响
表面堆焊
和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高,a、b熔深较大的对接和各种角接焊缝抗裂性较差,c、d、e、f
应力作用在焊缝最后凝固的部位,这些部位富集杂质元素,晶粒之间的结合力较弱所致
对于对接焊缝,一般要求Φ>1,即焊缝的计算厚度不要超过焊缝的宽度抗裂性较好68焊接速度的影响:高速焊热裂纹倾向大,与结晶有关,易形成对向晶,杂质在会合面偏析聚集。熔池形状系数φ'
φ'=B/Lφ'不能太小69(3)拘束度的影响降低拘束度可减小焊缝的应变量及应变增长率,可以减小裂纹倾向。合理布置焊缝合理安排施焊顺序厚板焊接应以多层焊代替单道焊,减小热输入总之,产生热裂纹的影响因素很复杂,冶金因素和工艺因素之间既有内在的联系,又有各自的特点。裂纹的产生是二者共同作用的结果,实际情况下,必须找出主要问题,采取相应的措施。70(四)防止焊接热裂纹的措施主要是控制焊缝金属的成分和调整焊接参数。1.焊缝成分的控制(1)选择合适的焊接材料铝合金采用超合金化的原理来防止热裂纹:Al-Mg合金,母材含Mg3.5,因此选用焊丝含Mg大于5%;Al-Mn合金选用焊丝含Mg大于8%结构钢:焊缝C含量小于0.1%,Mn/S大于22。焊缝中加入细化晶粒的元素,如Mo、V、Ti、Nb等也可提高抗裂性71(2)限制有害的杂质S、P:各种材料都必须限制含量单相奥氏体焊缝:Si、Nb易形成低熔共晶,有害,应限制含量δ+γ双相奥氏体焊缝:Si和Nb作为铁素体化元素,有利,促使δ相形成,反而有利于提高抗裂性。结构钢和单相奥氏体钢的焊缝,提高含Mn量可改善抗裂性;但Mn与Cu共存会互相促进偏析,反而对提高抗裂性不利镍基合金焊缝:因Cu-Fe不能共存,蒙乃尔(Ni-Cu)合金与钢焊接时,焊缝中的Fe就称为有害元素722.调整焊接工艺(1)适宜的焊接参数(2)控制焊缝金属成形系数(3)减小熔合比(4)减小拘束度73三、冷裂纹
冷裂纹是焊件在焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹,它是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。包括淬火裂纹、氢致裂纹和低塑性脆化裂纹。主要讨论氢致裂纹(Hydrogen-inducedCracking,HIC)或称之为延迟裂纹(DelayedCracking)。74(一)冷裂纹的形成条件及其特征1.形成条件:
δmin≤ε即局部区域的延性δ不足以承受当时应力所产生的应变量ε。ε与工件的拘束应力有关。δmin取决于材料的致脆因素,主要是淬硬组织和氢的作用。发生的温度:Ms以下,冷裂纹(与热裂纹相区别)淬硬倾向较大的钢种焊接时容易出现,如中C、高C和高强度钢。Cr-Ni奥氏体钢因其具有低的弹性极限低和高的塑性,很少形成冷裂纹。752.冷裂纹的分布特形态与特征焊道下、焊根、焊趾部位易出现冷裂纹。(1)分布形态焊趾裂纹:起源于母材与焊缝的交界处,有明显的应力集中部位。走向与焊道平行,由焊趾表面开始向母材的深处扩展。焊道下裂纹:经常发生在脆硬倾向较大,含氢量较高,距焊缝边界0.1~0.2mm的HAZ中。走向大致与熔合线平行,或垂直于熔合线焊根裂纹:是延迟裂纹中比较常见的一种形态,主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。起源于焊缝根部应力集中最大的部位。可能出现在HAZ的粗晶区,也可能出现在焊缝金属中,这决定于母材与焊缝的强韧程度及根部的形状。实际生产中还有其他类型的冷裂纹,例如某超高强钢筒形容器焊接后,在焊缝和母材均出现很多横向和纵向微裂纹,具有延迟开裂的特性,经过一段时间之后,有的已经扩展为宏观裂纹。7677(2)特征1)有延迟特征的冷裂纹不是在焊后马上出现,经过一段时间后才出现,如焊道下裂纹与渗氢钢的延迟开裂相似,分为潜伏期、缓慢扩展和突然开裂三个相互联系的阶段。裂纹的扩展断断续续,有清晰的开裂声。研究表明,具有延迟特征的冷裂纹主要是由于氢的作用而造成的,因此又称为“氢致裂纹”。2)无延迟特征的冷裂纹淬硬倾向大的钢材,冷裂纹无延迟特征。一些塑性较低的合金材料焊接时,只要冷却到较低的温度,就会出现冷裂纹。这类裂纹与氢无关,主要与淬硬组织有关,称为“淬火裂纹”。铸铁和硬质合金等脆性材料焊接时,很容易产生冷裂纹,无延迟性。由于材料本身的低塑性造成开裂,称“低塑性脆化裂纹”或“应力裂纹”。783)断口特征宏观上,断口具有发亮的金属光泽,呈典型的脆性断裂特征。微观上,有的呈晶间断裂(即沿晶断裂),有的呈穿晶断裂,常见的是沿晶断裂与穿晶断裂共存。当裂纹是氢致裂纹时,有氢致准解理断口,随着脆硬倾向的增大,沿晶断裂的特征明显。多数情况下,启裂点是沿晶断裂,在扩展过程可以是沿晶断裂,也可以是穿晶断裂。79(二)冷裂纹的形成及延迟机理1.形成机理及临界条件三大因素:钢的淬硬倾向、氢含量及其分布、拘束应力的状态(1)氢的作用氢在延迟裂纹的形成中起主要作用,它决定了裂纹的延迟特点和断面上的氢脆开裂特征。H在金属中的溶解特点:液态大量溶入,低温时溶解度急剧下降,过饱和析出;快速冷却导致大量H被滞留于焊缝金属中扩散氢:100℃以上H逸出金属,-100℃以下H的扩散受抑制,两种情况下均不会出现裂纹。-100~100℃范围,氢在金属的晶格中能自由扩散,称为“扩散氢”,才对氢致裂纹起作用。H的扩散:原子半径小,易于扩散;在“浓度扩散”、“相变诱导扩散”、“应力诱导扩散”等驱动力作用下,出现氢致裂纹。80H在致裂过程中的动态行为:焊缝与母材成分的不同,组织转变先后时间不同导致熔合线附近氢的富聚。当该区由A向M转变时,H被过饱和保留于M中。若该区域存在晶格缺陷等缺口效应,又促使H向应力集中区进行扩散并聚集。当H的浓度足够高时,就可能导致裂纹的产生。81(2)钢材的淬硬倾向钢种的淬硬倾向越大,越易产生冷裂纹。与淬硬相的脆性相关。M:硬、脆,焊接时近缝区易过热,形成粗大M,性能脆硬,且对氢脆敏感。M越多,冷裂倾向越大;C含量越高,越易形成高碳M,冷裂倾向加大。低碳M:因MS点较高,有自回火作用,性能较好,组织对裂纹的敏感性由低到高排序:F或P—BL—ML—BU—BG—MT钢种生成M,特别是MT的倾向越大,对延迟裂纹越敏感,且淬硬倾向越大,产生延迟裂纹的可能性越大。82用碳当量来衡量钢种淬硬倾向及引起冷裂的倾向
碳含量越高,或含合金元素越多,钢材的淬硬倾向越大,形成M的数量越多,则清脆的敏感性越强。
当形成MT时,裂纹的敏感性最强,没有氢的作用也可能产生裂纹。
由图9-39可知,碳当量越高,临界含氢量Hcr(扩散氢)越低。
因此,对淬硬倾向大的钢种必须严格控制含氢量。组织因素中,除了钢材的淬硬倾向外,还与析出相和非金属夹杂物的特征与形态有关。凡是能促使回火脆性的析出物(如杂质P)都会增加氢脆的敏感性。钢中的夹杂物如MnS等,若以细小的球状存在时,能降低氢脆的敏感性;若夹杂物以条状或纺锤状存在时,会降低与基体之间的结合力,而且其高应力区,当受力方向与夹杂物的分布方向相垂直时,应力集中严重。在应力诱导
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