焊接工艺参数课件

焊接裂纹及防治措施小结孙化强重庆大学sunhq0815@163.com焊接裂纹及防治措施小结孙化强1第一节．裂纹分布与种类裂纹是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一种，可以成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，它不仅可以使产品报废，而且还可能因未检测出导致以后灾难性的事故。

图1-1焊接裂纹的宏观形态及其分布1-焊接中纵向裂纹2-焊缝中横向裂纹3-熔合区裂纹4-焊缝根部裂纹5-HAZ根部裂纹6一焊趾纵向裂纹(延迟裂纹)7-焊趾纵向裂纹（液化裂纹、再热裂纹）8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9-层状撕裂10-弧坑裂纹(火口裂纹)a)纵向裂纹b)横内裂纹c)星形裂纹返回第一节．裂纹分布与种类裂纹是焊接缺陷危害2焊接裂纹的分类裂纹的分类按裂纹分布的走向分：①横向裂纹；②纵向裂纹；③星形（弧形裂纹）按裂纹发生部位分①焊缝金属中裂纹；②热影响区中裂纹；③焊缝热影响区贯穿裂纹。按产生本质分类①热裂纹；②冷裂纹；③再热裂纹；④层状撕裂；⑤应力腐蚀裂纹焊接裂纹的分类裂纹的分类3一、结晶裂纹的形成机理有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂，也有沿焊缝中的树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹，有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间，这说明在结晶过程中晶界是最薄弱的部位。第二节焊接热裂纹一、结晶裂纹的形成机理第二节焊接热裂纹4

由于先结晶的固相金属较纯，后结晶的金属含杂质多，并富集在晶界。这些杂质容易形成低的熔点的共晶，最后被推向晶界，在晶粒之间形成一个液态薄膜。如果此时有拉伸应力存在就会产生裂纹（图5-16）。结晶裂纹的形成机理（1）

产生热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。由于先结晶的固相金属较纯，后结晶的金属含杂质多5

在整个结晶过程中，从液到固可分为三个阶段：（1）液－固阶段（液多于固）液态金属可在固态金属中自由流动，此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。结晶裂纹的形成机理（2）在整个结晶过程中，从液到固可分为三个阶段：结晶裂纹的6（2）固－液阶段（固多于液）随着固态金属量增加，剩余的液态金属多为低熔点共晶，流动也发生困难，这时若有拉伸应力产生的小裂纹无法靠液态金属填充，成为一个“裂纹源”。此阶段也叫“脆性温度区”。结晶裂纹的形成机理（3）（3）完全凝固阶段完全凝固后金属有较好的强度和塑性，既使有拉伸应力也难以产生裂纹。（2）固－液阶段（固多于液）结晶裂纹的形成机理（3）（3）完71冶金因素对结晶裂纹的影响影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。二、结晶裂纹的影响因素

产生热裂纹必须具备冶金因素（成分、偏析…）和力的因素（金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等）。1冶金因素对结晶裂纹的影响二、结晶裂纹的影响因8

相图的结晶温度区间越大（即液态存在的时间越长），产生热裂纹的可能性越大（图5－19）。影响相图结晶温度区间大小与合金的含量有关。（1）相图类型和结晶温度区的大小（1）

由于焊接是在非平衡条件下结晶，结晶温度区间要偏离平衡条件下的结晶温度区间，因此最大结晶裂纹可能发生在低合金含量区（图5－19虚线）。相图的结晶温度区间越大（即液态存在的时间越长）9

各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图5－20）。相图类型和结晶温度区的大小（2）各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图5－20）10

对凝固温度范围的影响；对形成低熔点相的影响（尤其是S、P）。对产生结晶裂纹的影响比较大的合金是一些能形成低熔点共晶的合金元素，熔点越低、数量越大，裂纹倾向越大。（2）合金因素对产生结晶裂纹的影响（1）对凝固温度范围的影响；（2）合金因素对产生结晶裂纹111）硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图5－21），并能与Fe形成多种低熔点共晶。合金因素对产生结晶裂纹的影响（2）1）硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图5－21），并122）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<0.10（无包晶反应）的钢不易发生热裂。合金因素对产生结晶裂纹的影响（4）

碳是易偏析元素，并能加剧其它元素的有害作用（如S、P等）。2）碳：碳在δ相中的溶解度大于γ相（表5－4），所以含碳<133）锰：Mn有脱硫作用，生成高熔点MnS（1600℃），生产的MnS为球状。合金因素对产生结晶裂纹的影响（5）

随着钢中含碳量增加，Mn/S也应提高。否则影响Mn的脱硫效果。含碳量越高，S的危害越大（图5－23

）。3）锰：Mn有脱硫作用，生成高熔点MnS（1600℃），生产144）硅：Si是脱氧元素，但焊缝中Si>0.4％时，容易形成硅酸盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹倾向。合金因素对产生结晶裂纹的影响（6）5）钛、锆、稀土：Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多，有良好的消除结晶裂纹作用，但它们也是强脱氧元素。氧化稀土也有脱硫作用。6）镍：Ni和S形成低熔点共晶（NiS2645℃），易于引起结晶裂纹。4）硅：Si是脱氧元素，但焊缝中Si>0.4％时，容易形成15(7)铜：铜易引起热裂纹，如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。合金因素对产生结晶裂纹的影响（7）(7)铜：铜易引起热裂纹，如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。合金因16

焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响。晶粒越粗大、柱状晶方向越明显，产生结晶裂纹的倾向就越大。所以细化晶粒有利于打破液膜的连续性，是减小结晶裂纹的有效措施。（3）结晶组织对结晶裂纹的影响（1）焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响171冶金因素（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊金属，一般低碳钢、低合金钢S、P<0.05％，高合金钢<0.04％，不锈钢<0.02％或更低。对重要焊接构件应采用碱性焊条或焊剂，以进一步减小有害杂质含量。三、防止结晶裂纹的措施

从冶金因素和工艺因素（减少应力）两方面着手。1冶金因素三、防止结晶裂纹的措施从冶金因素和工艺因素18

加入细化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）细化晶粒。（2）改善焊缝组织

对A体不锈钢焊接可采用A+δ双相组织焊缝（δ~5％），以减少结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀能力。加入细化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）细化晶粒19

选用合理的焊接工艺，如焊接工艺参数、预热、接头型式、焊接顺序等，目的是尽量减少焊缝的拉伸应力。2抗热裂的工艺措施（1）焊接工艺参数焊接热循环产生的拉伸应力引起应变为Δε，则单位温度变化引起的应变是：式中：t－温度；α－膨胀系数；ωc－冷速。选用合理的焊接工艺，如焊接工艺参数、预热、接头20对于厚板对于薄板

式中Tc－某瞬间温度；T0－初始温度；E－焊接线能量；λ－导热系数；C－比热容；e－密度。（1）焊接工艺参数（1）对于厚板（1）焊接工艺参数（1）21则对厚板

对薄板

由这二式可见，适当增加线能量E和提高预热温度，可降低冷却速度，减少焊缝金属的应变，从而降低结晶裂纹倾向。焊接工艺参数（2）则对厚板焊接工艺参数（2）22

焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分布影响很大，因而结晶裂纹倾向也不同（图5－26）。多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小，因为1）每层焊接线能量小；2）前几道焊缝冷凝后起到拘束作用接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透）*（2）接头形式焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分23

一般顺序原则：对称焊，分散应力，最后一道才是拘束封闭（图5－27,28）。（3）焊接次序一般顺序原则：对称焊，分散应力，最后一道才是拘24一、冷裂纹的危害及特征1危害性主要发生在中高碳钢、合金钢等的热影响区和厚板多层焊的焊缝中，并发生在拘束度较大的T形接头和十字形接头应力集中较大的接头上（表8-1）。一般是在焊后出现，不易发现。第三节焊接冷裂纹一、冷裂纹的危害及特征第三节焊接冷裂纹25（1）发生在中高碳钢、合金钢的热影响区（图5－39）。（高强）2冷裂纹的一般特征（1）（3）多发生在具有应力集中的焊接热影响区。（高应力）（2）在焊后冷至Ms点附近或更低的温度下逐渐生成。（低温）（1）发生在中高碳钢、合金钢的热影响区（图5－39）。（高26（5）裂纹可能在焊后立即出现，也可能经过一段时间出现，在25℃时的孕育期最短（图8－5）。（延迟性）冷裂纹的一般特征（2）（4）裂纹可沿晶扩展，也可穿晶扩展。（脆断）（5）裂纹可能在焊后立即出现，也可能经过一段时间出现，在2527常见低合金高强钢的延迟裂纹有：焊趾裂纹起源于母材与焊缝交界处有明显应力集中的部位，裂纹走向与焊道平行，由焊趾表面开始向母材的深处扩展。二、冷裂纹的种类（1）常见低合金高强钢的延迟裂纹有：二、冷裂纹的种类（1）28焊道下裂纹发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的热影响区，裂纹走向与熔合线平行。冷裂纹的种类（2）焊道下裂纹冷裂纹的种类（2）293根部裂纹起源于焊缝根部应力集中最大的部位。冷裂纹的种类（3）3根部裂纹冷裂纹的种类（3）30三、焊接冷裂纹的机理

钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及其分布、焊接接头拘束力是产生焊接冷裂纹的三大因素，而且这三个因素是相互关联的。1钢的淬硬倾向

淬硬倾向越大越易产生裂纹，原因在于：（1）形成脆硬的马氏体组织尤其是热影响区的过热区，冷速快时易形成粗大M体，硬而脆，裂纹一旦形成，极易扩展。各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为：F或P→BL（下贝氏体）→ML（低碳M体）→BH（上贝氏体）→Bg（粒贝氏体）→Mr（高碳挛晶M体）。三、焊接冷裂纹的机理钢的淬硬倾向、焊缝含氢31

随着热应变量增加，位错密度也随之增加，在应力作用下位错发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定临界值后，就会形成裂纹源，在应力作用下，扩展形成宏观裂纹。（2）晶格缺陷

热影响区的最高硬度Hmax是评定高强钢裂纹倾向的重要指标。随着热应变量增加，位错密度也随之增加，在应力作32

某种钢开始出现裂纹时的氢含量称为临界含氢量[H]cr。各种钢的[H]cr值不同的，与钢的化学成分、刚度、预热温度及冷速有关。如碳当量越高，[H]cr越低（图5－43）。2氢的作用

冷裂纹也称为“氢致裂纹”。高强钢焊接接头含氢量越高裂纹的敏感性就越大。某种钢开始出现裂纹时的氢含量称为临界含氢量[H]33

焊缝中含氢量与焊接区域的清理、焊条类型、烘干温度和焊后的冷却速度等有关。（1）氢的来源及焊缝中的含氢量

氢主要来自焊接材料中的水份、焊缝周边的铁锈、油污等。焊缝中含氢量与焊接区域的清理、焊条类型、烘干温34

氢在A体中的溶解度远大于在F体中的溶解度，因此在A→F时氢的溶解度急剧下降（图5－46a）。氢在F体的扩散速度大于A体（图5－46b，表5－5）。（2）金属组织对氢扩散的影响（1）氢在A体中的溶解度远大于在F体中的溶解度，因此35

在焊缝冷却过程中，由于溶解度下降，氢极力逸出。若焊缝凝固速度较快，未逸出的氢滞留在焊缝金属中，氢原子便在金属内部扩散。由于氢在M体中扩散系数最小，造成氢集聚。金属组织对氢扩散的影响（2）在焊缝冷却过程中，由于溶解度下降，氢极力逸出36（1）马氏体致裂学说：对淬硬倾向较大的钢焊接出现的冷裂纹是由于M体组织硬脆造成的，而且片状M体（挛晶M体）的淬火钢中更容易出现显微裂纹。这是由于硬脆M体形成时以极大的速度彼此撞击而成。在这些裂纹空间极易集聚氢，使裂纹扩展。所以M体相变是冷裂纹的主导因素，氢的作用是辅助的。

冷裂纹的两种学说（1）（1）马氏体致裂学说：冷裂纹的两种学说（1）37

强调氢脆是冷裂纹的主要原因。主要观点为：金属内部的缺陷（微孔、夹杂、位错、空位）提供了潜在的裂纹源，在应力作用下，诱使氢原子向该处扩散并聚集结合成氢分子，产生很大的应力。这样氢在裂口尖端产生三维应力场，应力场又促使氢在该处富集造成更大的应力。当应力超过一定值时裂纹向前延伸，应力释放一部分，使氢的浓度扩散下降，低于氢的临界浓度，裂纹将暂停向前延伸。等到氢再次达到临界浓度时，裂纹再次向前扩展。（2）氢脆致裂纹学说（1）强调氢脆是冷裂纹的主要原因。主要观点为：（2）氢脆致381钢化学成分的影响实质是钢的淬硬性的影响，Ceq越高，淬硬倾向就越大，冷裂敏感性越强。根据构件的碳当量、氢含量和板厚可以估算冷裂纹的敏感性：或式中：Pc、Pw－裂纹敏感指数；Pcm－碳当量；R－拘束度。四、影响冷裂纹的主要因素及其防治根据Pc、Pw可确定避免冷裂纹所需的预热温度：

T0=1440Pw－392℃1钢化学成分的影响四、影响冷裂纹的主要因素及其防治39

焊接接头开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力σcr。σcr值可用试验方法测得。设计焊缝时只要σcr>σ（或Rcr>R）就可以认为是安全的。2拘束应力影响（1）焊接接头开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力σc40

在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热影响区方向扩散。在扩散过程中，在一些塑性应变和微观缺陷部位发生氢聚集（应力集中高的部位的氢浓度高于平均值的5倍多），使这个部位很快达到临界氢浓度。3氢的影响（氢在焊缝中的行为）（1）在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热41（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。但对于低碳低合金钢适当增大线能量是有利的。线能量过小易使热影响区淬硬，也不利于氢逸出。

焊接工艺对冷裂纹的影响（1）预热可以有效防止冷裂纹，但温度过高会增加附加应力（因是局部加热），反而增加冷裂倾向。所以预热温度主要是从降低冷速，减小淬硬倾向考虑。低合金高强钢的预热温度经验公式为：

T(℃)=324Pcm+17.7[H]+0.14σb+4.72δ－214（2）预热温度（1）（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂42

由于冷裂纹存在潜伏期，所以要在裂纹产生前要进行加热处理。尤其是对不预热的焊件，后热处理要及时，温度要高。后热处理的有利作用：1）改善组织，提高韧性，减小淬硬性；2）减低残余应力；3）消除扩散氢；4）降低预热温度（表5－12）。（3）焊后热处理（1）由于冷裂纹存在潜伏期，所以要在裂纹产生前要进行43

后一道焊缝对前一道焊缝进行了热处理，有利于氢的逸出，组织的改善，可防止冷裂纹产生。但要在第一层焊缝尚未产生根部裂纹的潜伏期内完成第二道焊接。（4）多层焊

根据钢的冷裂纹敏感性Pw，焊的层数越多，预热温度越低（图5－71）。后一道焊缝对前一道焊缝进行了热处理，有利于氢的逸44（1）冶金方面：1）采用低碳微量合金元素强化，既提高强度，又保证金属有一定的韧性。2）采用高质量钢降低S、P、O、N杂质含量。3）采用碱性低氢焊接材料。4）CO2焊获得低氢焊缝。5）选用低强度焊条，降低拘束应力。6）用奥氏体钢焊条焊接淬硬倾向较大的中碳调质钢。（2）工艺方面焊前预热，焊后热处理，多层焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夹杂、气孔……），焊接接头形式，施焊顺序等。5防止冷裂纹的途径（1）冶金方面：5防止冷裂纹的途径45产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段产生。存在部位：焊缝为主，热影响区特征：宏观看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽；微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。分类：①结晶裂纹②高温液化裂纹③多边化裂纹焊接热裂纹产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段产46一、结晶裂纹形成机理焊接热裂纹一、结晶裂纹形成机理焊接热裂纹47三、防治结晶裂纹的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊缝中的硫、磷、碳等有害杂质的含量2.改善焊缝凝固结晶、细化晶粒不锈钢焊接，希望得到５％的δ相三、防治结晶裂纹的措施（一）、冶金因素方面1.控制焊缝中48三、防治结晶裂纹的措施（二）、工艺因素方面1.适当增加焊接线能量和提高预热温度2.接头形式3.焊接次序三、防治结晶裂纹的措施（二）、工艺因素方面1.适当增加焊接49三、防治结晶裂纹的措施接头形式对裂纹倾向的影响三、防治结晶裂纹的措施接头形式对裂纹倾向的影响50三、防治结晶裂纹的措施锅炉管板与管束的焊接次序对称焊接法举例三、防治结晶裂纹的措施锅炉管板与管束的焊接次序对称焊接法举例51一、再热裂纹的主要特征

1.发生在HAZ的粗晶部位呈晶间开裂。

2.消应力前焊接区存在较大的残余应力和不同程度的应力集中。

3.存在一个最敏感的温度区间。

4.含有一定沉淀强化元素的金属材料具有再热裂纹的敏感性。第四节再热裂纹一、再热裂纹的主要特征1.发生在HAZ的粗晶部位呈52二、再热裂纹的机理

（一）晶界杂质析集弱化作用

研究表明，再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂而产生和发展的。

焊后热处理时，残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过该部位的塑性变形能力。二、再热裂纹的机理（一）晶界杂质析集弱化作用研53二、再热裂纹的机理

（二）晶内沉淀强化作用

沉淀相一次加热固溶，二次再热在晶内析出导致晶内强化。

（三）蠕变断裂理论二、再热裂纹的机理（二）晶内沉淀强化作用沉淀54三、再热裂纹的影响因素及其防治

（一）冶金因素1.化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异2.钢的晶粒度对再热裂纹的影响三、再热裂纹的影响因素及其防治（一）冶金因素155

三、再热裂纹的影响因素及其防治

3.焊接接头不同部位和缺口效应对SR的影响缺口位置与再热裂纹的关系三、再热裂纹的影响因素及其防治3.焊接接头不同部位和56三、再热裂纹的影响因素及其防治

（二）工艺因素1.焊接方法的影响2.预热及后热的影响3.选用低匹配的焊材4.降低残余应力、避免应力集中三、再热裂纹的影响因素及其防治（二）工艺因素157

三个大方面来控制焊接冷裂纹：

1）必须尽力减小焊接应力（热应力、相变应力和拘束应力）

2）消除一切氢的来源；

3）改善焊接接头的组织状况。

三个大方面来控制焊接冷裂纹：58当母材确定后，主要是通过选择焊接方法、控制焊接工艺和合理选用焊接材料，必要时采用焊后热处理。

1）焊接工艺的作用：

a.

（局部）预热，增加T8/5，减小和避免淬硬M组织，降低内应力，并有利于氢的逸出。钢板越厚，钢种的碳当量越大，预热温度越高。当母材确定后，主要是通过选择焊接方法、控制焊接工艺和59

b焊接线能量的控制El调整t8/5，El越大，焊缝冷却时间越长，可减轻或避免淬硬组织，并利于氢的逸出，降低了冷裂倾向。但El过大，导致焊接接头过热，组织粗大，焊接接头性能降低。

c多层焊（或双丝焊接）。b焊接线能量的控制El60前道焊缝对后道焊缝有预热作用，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，可以改善焊接接头组织，，并利于扩散氢的析出，需要控制层间温度。

d焊后的后热处理减小残余应力，改善组织，并消除扩散氢前道焊缝对后道焊缝有预热作用，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，61

2）焊接材料的选用选用低氢型焊条和焊剂。选用CO2气体保护焊接可以获得很低含氢量的焊缝金属。必须仔细烘干焊接材料，将焊件、焊丝上的铁锈和油污清理干净。