第五章焊接应力变形裂纹

第五章焊接应力、变形与裂纹1主要内容第一节焊接应力第二节焊接变形第三节焊接裂纹23第一节焊接应力

内应力（internalstress）：在没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。焊接瞬时应力（instantaneousstress

）：在焊接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（residualstress

）：焊件完全冷却、温度均匀化后残存于焊件中的应力。相变应力（phasetransformationstress）：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，由此而产生的应力。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，称为热应力。加热,出现塑性变形后的残余应力

当加热变形在弹性范围内，冷却后，残余应力等于零。当加热变形超过弹性范围（产生塑性变形），冷却后，有残余应变，导致残余应力的产生，如右下图所示。E-弹性模量α-线胀系数△T-温升5

产生原因：非均匀加热，工件各部分膨胀和收缩量不同；材料各部分相互制约，不能自由膨胀和收缩。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、冷却过程，如右图所示。（二）焊接应力与变形6（三）相变应力低碳钢、低合金钢：相变温度大于600℃，无相变应力高合金钢：奥氏体稳定性增强，200～350℃发生马氏体转变，体积增大，产生较大压应力7（四）机械阻碍应力产生原因：焊件冷却过程中产生的收缩受到外界的阻碍。应力：拉应力或切应力影响：应力的叠加，导致裂纹产生焊件内应力的组成：热应力、相变应力、机械阻碍应力8二、焊接残余应力的分布焊接应力的分类：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

。厚度向应力：沿板厚度方向的应力，

z。薄板：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。9（一）纵向残余应力

x的分布1011

（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；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。12焊缝纵向收缩引起的横向残余应力

y的分布13焊缝横向收缩的不同时性引起的横向残余应力

y的分布14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

。15三、减小或消除焊接残余应力的措施1.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。2.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。163.焊接残余应力的消除热处理、机械加载、振动（交变载荷）机械拉伸法17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18一、焊接变形的基本形式收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形19二、影响变形的因素1.材料热物理性能膨胀系数导热性2.工艺因素焊接热输入焊接长度坡口形状、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊顺序等201.结构设计三、防止和减少焊接变形的方法21222.工艺措施

（1）反变形法2324（2）刚性固定法252627（3）预留收缩量28（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29（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30312）火焰矫正323）综合矫正第三节焊接裂纹

一、概述33根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为：焊接热裂纹结晶裂纹液化裂纹多边化裂纹焊接冷裂纹延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹34353637各种裂纹的基本特征如表5-1所示3839二、焊接热裂纹（一）热裂纹的主要特征热裂纹出现时间：在结晶后期，邻近固相线的温度范围内，焊后立即产生；结晶裂纹主要产生钢种：在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中；热裂纹主要分布位置：在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布在热影响区的过热区热裂纹的显微特征：产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹尖端圆钝，裂纹表面还多伴随有氧化色彩。热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶后期硫、磷等在晶界形成的低熔点共晶有关；40（二）热裂纹的分类1.结晶裂纹焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。2.液化裂纹近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂3.多边化裂纹焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，即所谓“多边化边界”。因边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生所谓产多边化裂纹”41（三）结晶裂纹形成的机理

结晶裂纹是在液态薄膜和拉应力共同作用下产生的，其中液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件42431.结晶过程中焊缝金属的塑性（P223）液固阶段：固液阶段：完全凝固阶段：44在L相和L-S阶段不会产生裂纹S-L阶段易产生裂纹，这一温度区间称为“脆性温度区间”TB。TB越大，越易产生裂纹。S相阶段不会产生裂纹。当温度高于或低于a~b之间的脆性温度期间时，焊缝金属抵抗裂纹的能力较大，裂纹倾向小杂质较小的金属，由于脆性温度期间较窄，拉伸应力的作用时间短，总应变小，裂纹倾向小杂质较多的金属，或焊缝晶粒粗大、方向性明显，脆性温度期间较宽，拉伸应力作用时间长，裂纹倾向大低熔点共晶的“愈合”作用：低熔点共晶较多时，可以自由流动，填充裂口，反而不产生裂纹452.结晶裂纹形成的条件（P224）普洛霍夫：拉伸应力与脆性温度期内被焊金属塑性变化间的关系（1）

应变按曲线1变化在固相线TS附近的应变为△e，此时焊缝的塑性储备量△es=Pmin-△e>0，此时不会产生结晶裂纹。（2）应变按曲线2变化在固相线TS附近，焊缝的塑性储备量△es=Pmin-△e＝0，应变△e恰好与焊缝金属的最低塑性值Pmin相等，此时处于临界状态。（3）应变按曲线3变化在固相线TS附近，焊缝的塑性储备量△es=Pmin-△e<0焊缝应变值△e已超过焊缝金属的最低塑性值Pmin，此时必然产生裂纹。46产生结晶裂纹的条件：在脆性温度期间TB内焊缝所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性。或者说，焊缝金属在TB内的塑性储备△es=Pmin-△e<0时就产生结晶裂纹。1）TB的大小，TB越大，应变量也越大，裂纹的倾向就越大。冶金因素2）在TB内金属的塑性越小，裂纹的倾向就越大。冶金因素3）在TB内应变增长率越大，裂纹的倾向越大。力学因素47（四）影响结晶裂纹的因素及防止措施

是否产生结晶裂纹取决于：焊缝金属的脆性温度区间TB的大小脆性温度区内的最小塑性Pmin脆性温度区内的应变增长率这些因素之间的相互关系

因此，从本质上看，影响结晶裂纹的因素主要可归纳为冶金因素和力的因素1.冶金因素对结晶裂纹的影响冶金因素：合金状态图的类型、化学成分和结晶组织形态等。（1）

合金状态图的类型和结晶温度区间的影响：合金状态图中结晶温度区间越大，脆性温度区间也越大，结晶裂纹倾向越大4849（2）硫、磷的影响结晶区间增大，结晶裂纹倾向增高形成低熔共晶，裂纹倾向大极易偏析，对各种裂纹均敏感5051（3）碳的影响碳不仅本身会显著增大结晶温度区间（见Fe-C平衡图），而且还会加剧硫、磷的偏析（因为液相中的先析出相由δ相转变为γ相，硫、磷在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，导致硫、磷析出并富集在晶界），加大裂纹的倾向。是影响结晶裂纹的主要元素52（4）其它合金元素的影响1)锰的影响锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的分布形态使薄膜状FeS改变为球状分布的MnS，提高了焊缝的抗裂性随含C量的增加，Mn/S应增加C≥0.1%，Mn/S≥22C=0.11%~0.125%，Mn/S≥30C=0.126%~0.155%，Mn/S≥59C>0.16%（包晶点），增加Mn/S失效（因P的危害超过S），必须严格控制P的含量。中碳钢（C0.4%），S、P小于0.017%，S+P小于0.025%2)硅的影响硅是δ相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向3)钛、锆和稀土钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点约为2000～2100℃、ZrS熔点为2100℃、La2S3熔点在2000℃以上、CeS熔点2450℃。因此，采用钛、锆和镧、铈等稀土元素的脱硫效果比锰还好（MnS熔点1610℃），故对消除结晶裂纹有良好作用。4)镍镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶（Ni与Ni3S2的共晶熔点仅645℃），因此会引起结晶裂纹5354（5）

一次结晶组织形态的影响焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的倾向就越大。55562.力学因素对产生凝固裂纹的影响从上面冶金因素的讨论中可以知道，焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的范围宽是产生凝固裂纹的主要原因，这种条件虽很必要，但不充分。那么产生结晶裂纹的充分条件是什么呢？那就是必须要有力的作用。即“焊接时脆性温度区内金属的延性δ要小于脆性温度区内金属所承受的拉伸应变ε”，即δ＜ε。57根据金属的高温强度可以知道，金属强度σm主要决定于金属的晶内强度σG和晶间强度σ0，它们都随温度升高而降低(见右图)，然而σ0下降较快。当温度达到T0时，σG＝σ0，所以T0称为等强温度。当温度高于T0时，则σG＞σ0，此时如发生断裂必然是晶间断裂，焊接时的晶间裂纹就属这种性质。如果此时焊缝所承受的拉伸应力为σ2，随温度变化始终低于σ0，则不会产生裂纹。若焊缝承受的拉伸应力为σ1，在某一温度超过金属的晶间强度σ0，即σ1＞σ0，就会产生裂纹。这就是产生结晶裂纹的充分条件。58（四）防止凝固裂纹的措施1.冶金因素方面（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量它们不仅能形成低熔共晶，而且还能促使偏析，因此这些元素将会大大增加结晶裂纹的敏感性。为了消除它们的有害作用，应尽可能限制母材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量，根据目前的标准规定：S、P都应小于0.03%~0.04％。用于低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量，一般不得超过0.12％。焊接高合金钢时要求更高，硫、磷含量必须控制在0.03％以下，焊丝中的含碳量也要严格限制，甚至要求采用超低碳焊丝(C0.03％~0.06％)。一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，可以有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹产生或降低倾向。59（四）防止凝固裂纹的措施（2）改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径广泛采用的办法是向焊缝中加入细化晶粒元素(如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、稀土等)。对于不锈钢焊接时，为了提高抗裂性、抗腐性，希望得到γ十δ的双相组织焊缝(δ相控制在5％左右)，这也是改善凝固结晶的重要方面。应指出，对于某些结晶裂纹倾向较大的材料(高强铝合金)，为了防止结晶裂纹，特意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。但这种方法会带来其他不利影响(降低接头性能)，故应适当控制。2.工艺因素的影响及防治措施冷却速度的影响接头的冷却速度越大，所产生的应变率也越大。增加线能量E和提高预热温度，减小应变速率，降低裂纹倾向（P231公式）焊接速度的影响接头形式的影响（图5-26）焊接次序的影响：小刚度条件下，对称焊接焊接，减小应力减小熔合比：减小应力，减少母材的C、S、P进入焊缝采用适当的运条手法：减少咬边等缺陷60612.工艺因素方面工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式和好接顺序等，用工艺方法防止凝固裂纹主要是改善焊接时的应力状态。（1）焊接工艺及工艺参数从理论上来讲，焊接时焊缝承受拉伸应力所产生的应变量为△e，那么每瞬时的应变量(即应变率)应为△e/△t，根据焊接传热学理论，应变率可用下式表示：62如属厚大焊件，则由导出如属薄板焊接，则由导出从上二式看出，适当增加焊接线能量E和提高预热温度T0，即可减小焊缝金属的应变率，从而降低凝固裂纹的倾向。但增加线能量会使近缝区的金属过热。提高预热温度又会恶化劳动条件，所以采用这种方法受到限制。63（2）接头形式焊接接头形式不同，将影响接头的受力状态、结晶条件和热的分布等，因而凝固裂纹的倾向也不同。如右图所示，表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高(图a，b)。熔深较大的对接和各种角接(包括搭接、T形接头和外角接捍缝等)抗裂性较差(图c、d、e、f)。因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，故易于引起裂纹。对于厚板焊接结构，施工时常采用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但对各层的熔探应注意控制。另外，在接头处应尽量避免应力集中(错边、咬肉、未焊透等)，也是降低裂纹倾向的有效办法。64（3）焊接次序施工时焊接次序是很重要的，同样的焊接方法和焊接材料，只是因焊接次序不同，可能具有不同的凝固裂纹倾向。总的原则是尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝的受力较小。例如锅炉管板与管束的捍接，如下图所示，采用同心圆式和平行线式都不利于应力疏散，只有采用放射交叉式的焊接次序才能分散应力。65在一般情况下，尽可能采用对称施焊，以利分散应力，减小裂纹倾向。一些简要的对称焊法参见下图。66（五）近缝区液化裂纹

1、

产生部位及材料通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。

2、产生原因

1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质

2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)67液化裂纹683、影响因素

1）、化学成分2）、工艺因素4、防止措施

1）、控制S、P等杂质含量如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。2）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝区晶粒粗化69（六）多边化裂纹1、形成条件（形成机理）

多边化现象，焊缝金属中存在很多高密度的位错在高温和应力的共同作用下，位错极易运动，在不同平面上运动的刃型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原来的水平组合变成后来的垂直组合，即形成“位错壁”就是多边化现象。

702、特点

1）、发生部位与材料发生在焊缝中，常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属裂纹走向：以任意方向贯穿树枝状结晶2）、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近，多边化裂纹总是迟于再结晶3）、裂纹多发生在重复受热金属中（多层焊）4）、断口呈现出高温低塑性断裂713、影响因素

形成多边化过程所需时间：

t－完成多边化过程所需时间 －常数u－多边化过程的激活能，决定于合金成分和应力状态R－气体常数（8.4J/mol﹒k）T－温度（K）从公式中可以看出，完成多边化过程所需时间与H、T有关721）合金成分的影响

在焊缝中加入一些提高多边化过程激活能的元素，可有效阻止多边化过程2）应力状态的影响

有应力存在，使多边化过程加速3）温度的影响

在形成多边化过程的温度越高时间越短73

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）。三、焊接冷裂纹74冷裂纹的形成条件：ε≥δminε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脆化作用。发生的温度：Ms以下至室温附近淬硬倾向较大的钢种焊接时容易出现，如中C、高C和高强钢。Cr-Ni奥氏体钢因为具有低的弹性极限和高的塑性，所以很少形成冷裂。（一）冷裂纹的分类1.延迟裂纹这种裂纹是冷裂纹中的一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定孕育期，具有延迟现象1.焊趾裂纹2.焊道下裂纹3.根部裂纹2.淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上3.低塑性脆化裂纹某些塑性较低（铸铁、堆焊硬质合金）的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备而产生的裂纹75（二）冷裂纹的特征1.容易出现冷裂纹的钢种冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中。这与钢种的淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。2.形成冷裂纹的温度冷裂纹是在材料的马氏体转变点（MS）以下。3.冷裂纹的延迟特征冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现。且随时间延长逐渐增多并扩展。4.冷裂纹的开裂形式冷裂纹多出现在焊接热影响区，有时也出现在焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口76（三）焊接冷裂纹的形成机理高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素:钢种的淬硬倾向、焊接接头氢含量及其分布，接头所承受的拘束应力状态1.钢种的淬硬倾向钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，产生裂纹的倾向越大。其原因为：1）形成脆硬的马氏体组织：对裂纹和氢脆的敏感性很大；2）淬硬会形成更多的晶格缺陷。钢种的淬硬倾向越大，组织的硬脆性越大，位错密度越大；空位和位错在应力作用下发生移动和聚集，形成裂纹源乃至裂纹的倾向也越大组织对裂纹敏感性大致顺序（小→大）：铁素体或珠光体－下贝氏体－低碳马氏体－上贝氏体－粒状贝氏体－M-A组元－高碳马氏体772.氢的作用氢是引起高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并具有延迟特征，因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”(HydrogeninducedCrack)试验研究证明，高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹，此值称为产生冷裂纹的临界含氢量[H]cr，产生冷裂纹的[H]cr并不是一定值，它与钢种的化学成分、结构刚度、预热温度及冷却条件等有关。图5-43是钢种碳当量Pcm和CE与临界焊氢量[H]cr的关系7879

碳当量越高，则临界含氢量（扩散氢）越低。

对于淬硬倾向大的钢必须严格控制氢含量。实验证明，钢中含氢量分为两部分，即残余氢和扩散氢。一般情况下，残余氢含量很少，并且在300℃以下的焊接区扩散氢变化时，残余氢含量基本不变。因此，可以认为，是扩散氢对冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用。钢中引起冷裂纹的氢含量是指钢中的扩散氢含量，尤其是当冷却到100℃以下时，焊缝中的扩散氢已不易向外扩散逸出，而是向某个部位扩散聚集而引起裂纹。冷至100℃时的残余扩散氢（HR100）才是裂纹的有效含氢量。80（1）焊缝中氢的溶解与扩散来源：焊接时焊接材料、坡口表面的铁锈、油污、空气中水分中的氢会熔入焊缝金属溶解与扩散：氢在铁素体中的扩散速度要显著大于奥氏体中的扩散速度。氢在铁素体中的溶解度小，扩散速度大；相反，氢在奥氏体中溶解度大，扩散速度小81（2）

氢在焊接接头中的扩散与聚集焊缝中存在大量的氢，而其周围的母材中的氢含量少，致使氢由焊缝向热影响区进行扩散，如图5-47所示。焊接低合金高强钢时，冷却时焊缝的相变点也总是高于母材（因为，为了改善焊接性，焊缝的含碳量总是低于母材）所以，焊缝中的H在冷却过程中要先从焊缝向母材HAZ区扩散，由于氢在HAZ奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合线附近就形成了富氢地带当滞后相变的HAZ由奥氏体向马氏体转变时（TAM），氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这个地区进一步脆化，为延迟裂纹的产生创造了条件。8283（3）延迟裂纹的开裂机理氢的应力诱导扩散理论。充氢钢拉伸试验时出现的现象：断裂时，存在一个“上临界应力σuc”，超过此应力时，试件很快断裂。还存在一个“下临界应力σLc”，低于此应力时，氢是无害的，无论加载多久，试件将不会断裂。当应力在σuc和σLc之间时，就会出现由氢引起的延迟断裂——潜伏、传播（扩展）、断裂延迟时间长短与应力大小有关84高强钢焊接时延迟裂纹的形成与充氢钢拉伸试验一致。钢延迟裂纹只是在一定的温度区间（-100～+100℃）发生，温度太高则氢易逸出，温度太低则氢的扩散受到抑制，因此都不会产生延迟现象的断裂延迟裂纹的产生还与钢的组织具有密切的关系：低碳（铁素体）钢（H扩散快、无淬硬组织）和奥氏体钢（溶解度大，扩散速度小无局部聚集）都不会发生延迟裂纹；高中碳钢、低中合金钢具有延迟开裂倾向（H扩散一般，来不及逸出，溶解度一般，局部聚集）氢的应力诱导扩散开裂理论（如图5-52，P246-247）853.焊接接头的应力状态（1）焊接热应力由于焊接属于不均匀加热及冷却过程，因此会引起不均匀的膨胀和收缩，焊后将会产生不同程度的残余应力。这种应力的大小与母材和填充金属的强度、热物理性质和结构的刚度有关。强度越高、线胀系数越大及结构刚度越大时残余应力越大。对于屈服点较低的低碳钢，残余应力可达σs的1.2倍。（2）金属相变产生的组织应力由于相变时的体积膨胀，将会降低焊后收缩时产生的拉伸应力，降低冷裂倾向（3）结构自拘束条件所造成的应力这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。上述三种应力的综合作用统称为拘束应力。其中，热应力和相变应力称为内拘束应力；结构拘束应力称为外拘束应力。86焊接拘束应力的大小决定于受拘束的程度，可以采用拘束度R来表示。拘束度分为拉伸拘束度和弯曲拘束度，通常所谓拘束度常指拉伸拘束度。拉伸拘束度的定义：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。式中δ——板厚；E－母材的弹性模量（N/mm2）；F－拉伸应力（N/mm2）；L－拘束距离(mm)；l——焊缝长度（mm）87拘束度R与板厚δ成正比，而与拘束距离L成反比。因此，调节δ和L的数值可改变拘束度的大小。当L越小，δ增大时，则拘束度增大。当R值增大到一定程度时就产生裂纹，这时的R值称为临界拘束度(Rcr)。若接头的临界拘束度Rcr值越大，就表示该接头的抗裂性越强。作为拘束度的估计，大板厚时可用：R≈700δ

在板厚小于50mm时：R≈400δ不同钢种焊接时，冷却到室温所形成的拘束度与拘束应力的关系如图5-55所示。其关系式如下：σ=mR式中m－拘束应力转换系数，它与钢的线胀系数、力学熔点、比热容、以及接头的坡口角度有关。对于低合金高强钢手工电弧焊时，m≈(3~5)×10-2。8889（四）延迟裂纹的判据1.单因素判据碳当量法：最高硬度法：临界拘束度法：临界氢含量法：临界冷却速度法：其中碳当量法和最高硬度法应用最为方便和普遍。902.综合判据（1）根部裂纹敏感指数（P252）防止冷裂所需的预热温度：91（2）产生冷裂纹的临界拘束应力σcr（P250）焊接时，随着拘束应力的增大，冷裂倾向增大，当拘束应力增大到刚刚产生裂纹时，此时的应力称为临界拘束应力σcr。临界拘束应力σcr实际上反映了钢的化学成分、氢含量、冷却速度和应力状态等多种因素的影响。σcr可利用TRC（拉伸拘束裂纹试验）、RRC（刚性拘束裂纹试验）和插销试验等方法定量的确定产生冷裂纹的临界应力日本插销试验得出的经验公式：σcr＝(86.3－211Pcm-28.21lg([H]+1)+2.73t8/5+9.7×10-3t100))×9.8国产钢经验公式σcr＝(132.3-27.5lg([H]+1)-0.216Hv+0.0102t100)×9.8

式中Hv－热影响区的最大平均维氏硬度用计算或实测的σ与σcr比较，σcr≥σ不产生裂纹，反之σcr≤σ产生裂纹92(3)冷至100℃时的临界冷却时间(t100)cr（P262）它反映了被焊钢种的化学成分、含氢量、焊接线能量和焊接拘束条件等诸多因素综合作用的影响，其判断结果具有较高的可靠性(t100)cr=370.84Pcm+73.22lg([H]+1)+1.46E+0.012(R+△R)-43.59式中Pcm－被焊钢中的碳当量;[H]－按GB3965－83测定的扩散氢含量(ml/100g)；E－焊接线能量(KJ/cm);R－拉伸拘束度(N/mm.mm)；△R－局部预热引起的附加拘束度(N/mm.mm)；式中α－被焊钢的线胀系数(℃-1)，一般低合金钢α=1.45×10-5/℃-1；B－局部预热的宽度(mm)；Tp－局部预热温度(℃)；T0－初始环境温度(℃)；hw－初始焊缝的平均厚度(mm)，m－拘束系数，一般低合金钢，m=(3~5)×10-2比较实际焊接条件下的t100和(t100)cr，即可确定是否产生冷裂纹。t100≥(t100)cr不产生裂纹；t100≤(t100)cr产生裂纹。93（五）防止冷裂纹的措施（P263）1、控制母材化学成分母材化学成分影响钢材的淬硬倾向，对裂纹的产生具有决定性的作用2、合理选择焊接材料选用低氢和超低氢焊接材料及焊接方法严格烘干焊条、焊剂选用低匹配焊条（焊缝强度低于母材强度）奥氏体焊条（塑性好，减缓应力，对H的溶解度大等）3、制定合理的焊接工艺焊接线能量：过大导致粗晶，过小导致淬硬预热温度的选择：过高会恶化条件，产生附加应力，预热温度的选择:94紧急后热：最低后热温度可参考下列公式确定：（P260）Tp=455.5[Ceq]p-111.4式中Tp—后热的下限温度(℃)； [Ceq]p—确定后热下限温度的碳当量(％)，详见教材采用多层焊与层间温度控制加强施工质量管理（严格执行工艺规程，包括预热、质量控制等）9596对于某些含有沉淀强化元素的钢种，往往焊后并未发现裂纹，可是在热处理（消除应力处理）之后，却产生了所谓的“消除应力处理裂纹”（StressReliefCracking），简称SR裂纹。也有一些焊接结构，焊后没有裂纹，可是由于在500~600℃的高温下长期工作，结果也出现了裂纹。这两种情况下产生的裂纹统称为“再热裂纹”(ReheatCrack)97四、再热裂纹(一)再热裂纹的主要特征再热裂纹敏感的钢种：再热裂纹只产生在含有一定数量Cr、Mo、V等沉淀强化元素的钢中再热裂纹敏感的温度区间：再热裂纹的产生有一个敏感温度区间。对于一般的低合金钢，再热温度敏感区间约为500~700℃，它随钢种的不同而变化再热裂纹产生的部位：再热裂纹产生在HAZ的粗晶区，具有典型的晶间开裂特征。有时裂纹并不连续，呈断续状，遇到细晶区就停止发展。再热裂纹产生的应力条件：在消除应力处理之前，焊接区存在有较大的残余应力，并有不同程度的应力集中，二者必须同时存在，否则不会产生再热裂纹。98(二)再热裂纹的形成机理再热裂纹的发生与再热过程中发生的晶界弱化和晶界强化有关。晶间杂质析集对晶界弱化的作用在500~600℃的再热过程中，钢中的P、S、Sb、Sn、As等元素都会向晶界析集，因而大大降低了晶界的塑性变形能力2.晶内沉淀强化作用沉淀强化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳、氮化物在一次焊接热作用下，因受热（高于1100℃时）而固溶在高温奥氏体中，在焊后冷却时来不及充分析出，在二次再热时，这些元素的碳、氮化物在晶内沉淀析出，使晶内强化3.应力松弛所产生的变形集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生裂纹。99五、层状撕裂(一)层状撕裂的特征1.产生层状撕裂（LamellarTear）的接头形式大型厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头焊接时会沿板的厚度方向出现较大的拉伸应力，常称为Z向应力，这是产生层状撕裂的应力源。其它接头，如对接接头没有此种应力，因此，一般不会产生层状撕裂。2.层状撕裂的产生与夹杂物的层状分布状态有关层状撕裂与冷裂纹不同，它的产生与钢的强度级别无关，主要与钢中的夹杂物的数量及层状分布形态有关3.层状撕裂的形态层状撕裂的典型形态为阶梯状，它是由基本平行于轧制方向的平台裂纹和大体垂直于平台的剪切壁（ShearWalls）（直壁裂纹）所组成。1004.层状撕裂产生的位置这种裂纹在钢表面上难以发现，一般多出现在热影响区或是母材深处在焊接热影响区焊趾或焊根处由冷裂纹而诱发形成的层状撕裂；这种裂纹的形成往往与氢含量有关。在焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常见的层状撕裂；远离热影响区的母材中沿夹杂开裂，这种情况多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。101层状撕裂主要发生在低合金高强钢的厚板焊接结构中，多用于海洋采油平台、核反应堆压力容器及潜艇外壳等重要结构。一旦产生层状撕裂，也难以修复，往往会造成巨大的经挤损失或灾难性事故六、应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹(StressCorrosionCracking，简称SCC)是在拉应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种裂纹，它并不是焊接接头所特有的裂纹，即便是不经过焊接的母材，在特定条件下同样会产生应力腐蚀裂纹。焊接残余应力的存在加大了这种裂纹在焊接接头中的开裂倾向SCC的产生必须具备如下三个条件，即：合金、介质、拉应力。只有当合金与介质的组配具有SCC倾向时，在拉应力的作用下才会产生应力腐蚀裂纹102103四、再热裂纹

（一）特征及危害

定义：焊后再加热,消除应力退火,高温工作时500—600℃过程中产生裂纹称再热裂纹。一、再热裂纹的特征

1、热裂纹产生部位：近缝区的粗晶区，止裂于细晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展104再热裂纹1052、敏感的温度范围:一般在500～700℃低于500或高于700℃,再加热不易出现再热裂纹

3、有大量的内应力存在，及应集中:在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹

4、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中:晶界滑动→微裂→扩展→裂纹

106（二）产生机理

1、一般条件e>ec产生裂纹

e—产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量

ec：产生裂纹的晶界微观局部的最大塑性形变能力

e实际塑性应变：接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起，与接头的拘束度残余应力，应力集中有关。

1072、再热裂纹产生机理

1）、晶界杂质析集弱化说①晶界析集P、S、②硼化物沿晶析集如果产生再热裂纹的塑性变形量为ec，可以下式表示:1082）、二次沉淀理论晶内沉淀强化

①具有沉淀强化的元素②焊接高温时过a热区合金元素全部溶入A中，A长大.③焊后冷却速度快，合金元素以过饱和形式溶入在F中，渗碳体，一般出现在位错、空位、缺陷等处。④焊后再加热时（500--700℃）1093）、高温蠕变理论

蠕变定义：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。特征：①材料内的应力小于材料的屈服应力②与温度有关T蠕变速度③温度升高持久强度下降④高温下，晶界强度低于晶内强度110a.楔形开裂应力临界应力：b.空位聚集而产生的“空位开裂”最小能量111低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式产生再热裂纹临界应力(N/mm2)如结构实际拘束应力为 时，则112（三）影响因素

1）

化学成分对再热裂纹的影响

2）晶粒度对再热裂纹的影响

3）焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响1、冶金因素

1132、工艺措施

1）预热及后热

预热裂200～450℃，后热可降低预热温度

2）线能量的作用

E适当增加，减少过热区硬度，裂纹减小3）低强焊缝应用

减少近缝区塑变的集中程度，有利于降低再热裂纹产生倾向

4）降低残余应力和避免应力集中114五、层状撕裂

1、产生的部位和形状宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。微观形状：扫描电镜观察低倍下：断口表面呈典型的木纹状，是层层平台在不同高度分布的结果部位：母材或热影响区（一）特征及危害性1152、产生在厚板结构中

十字接头,丁字接头,角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物

116

种类

依产生部位分:

第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根 冷裂纹诱发而形成层状措裂；

第二类热影响区沿夹杂开裂；

第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂 MnS片状夹杂较多。

117（二）形成机理及影响因素

1、层状撕裂的形成过程1）厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一平，形成所谓的“平面”。1182）与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成“剪切壁“，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状。1192、影响因素

1）非金属夹杂物的种类2）焊接Z向应力3）母材性能①热影响区产生淬硬组织、塑性下降;②加热150～350℃出现应变时效，塑性、韧性下降4）氢的作用氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂120（三）防止措施

1、选择母材

1）精炼钢2）控制夹杂物冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元 素，促使夹杂物破碎、球化(成本高)2、设计和工艺措施1）改变接头形式、降低焊接应力2）应尽量避免单侧焊缝等;3）应尽量避免承载焊缝4）预热及后热5）加软焊道121接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂，通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变。122六、应力腐蚀撕裂(SCC)

应力腐蚀裂纹：金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象称应力腐蚀裂纹。

应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突出的问题，日本1965～1975十年间化工设备破坏事故统计有50%属于应力腐蚀开裂，应力腐蚀裂纹造成危害极大。123（一）应力腐蚀裂纹特征

1、形貌外观：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口124应力腐蚀裂纹1252、材