焊接冶金学及金属材料焊接-课件模块四

焊接冶金学及金属

材料焊接主编吴金杰（第二版）课题一

焊缝中气孔的防止课题二

焊缝中夹杂物的防止课题三

焊接裂纹的分类及其基本特征课题四

焊接热裂纹的防止课题五

焊接冷裂纹的防止课题六

其他焊接裂纹的防止模块四焊接冶金缺陷的防止课题一

焊缝中气孔的防止一、气孔的分类及影响因素

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1.析出型气孔

因溶解度差而造成过饱和状态的气体的析出所形成的气孔，称为析出型气孔。这类气体主要是由外部侵入熔池的氢和氮。

2.反应型气孔由于冶金反应而生成所谓反应性气体，这类气体主要是一氧化碳、水蒸气，均为不溶于金属的气体。由这类反应性气体所造成的气孔，称为反应型气孔。

课题一

焊缝中气孔的防止（二）影响气孔形成的因素1.气体的来源

（1）焊接区周围的空气侵人熔池空气的侵入是焊缝产生氮气孔的重要原因。

（2）焊接材料吸潮空气中的水分非常容易吸附在焊接材料上，特别是焊条和焊剂。焊接材料吸潮是氢气孔产生的重要原因之一。

（3）工件及焊丝表面物质的作用课题一

焊缝中气孔的防止

2.母材对气孔的影响金属导热性好，会造成接头具有较大的冷却速度，于是提高了熔池的结晶速度，从而增大了气孔的敏感性。液态金属的粘度对气孔影响也很大，液态金属迅速进入结晶阶段后，由于粘度急剧增大，气泡浮出困难，易于形成气孔。由于气体密度远小于液态金属的密度，因而气泡的浮出速度主要取决于液态金属的密度，其值越小，气泡浮出速度越小。因此，低密度金属(如铝、镁等)焊接时易于产生气孔。

课题一

焊缝中气孔的防止

3.焊接材料对气孔的影响（1）熔渣氧化性的影响当熔渣的氧化性增大时，则由一氧化碳引起气孔的倾向增加；相反，当熔渣的还原性增大时，则氢气孔的倾向增加。（2）焊条药皮和焊剂的影响一般碱性焊条药皮中均含有一定量的萤石(CaF2)，焊接时它直接与氢发生反应，产生大量的HF，这是一种稳定的气体化合物，即使高温也不易分解。由于大量的氢被HF占据，因此可以有效地降低氢气孔的倾向。（3）保护气体的影响从防止气孔产生的角度考虑，活性气体优于惰性气体。因为活性气体可以促使降低氢的分压和限制溶氢，同时还能降低液态金属的表面张力，增大其活性，有利于气体的排除。

课题一

焊缝中气孔的防止

（4）焊丝成分的影响在许多情况下，希望形成充分脱氧的条件，以抑制反应性气孔的生成。

4.焊接工艺对气孔的影响（1）焊接工艺是通过影响电弧周围气体向熔融金属中的溶入及熔池中气体的逸出而对气孔的形成产生影响的。电弧不稳定或失去正常保护作用，均促使增大外在气体的溶入，从而增大气孔的倾向。（2）电源的种类、极性和所用焊接参数对气孔的形成也有重要影响。一般来讲，交流焊接时的气孔倾向大于直流焊，直流正接时的气孔倾向大于直流反接，降低电孤电压可以减小气孔倾向。

课题一

焊缝中气孔的防止（3）熔池存在时间对气体的溶入与排出有明显的影响。存在时间长有利于气体排出，但也会增加气体的溶人。对于反应性气体而言，显然应着眼于创造有利的排除条件，即应适当增大熔池的存在时间。因此，增大热输入是有利的，适当预热也是有利的。对于氢和氮等析出性气体而言，既要考虑气体的溶人，也要考虑气体的逸出。二、氮气孔的防止

1.加强焊接区的保护

2.合理确定焊接工艺

1)尽量采用短弧焊接；

2)增大焊接电流。增大焊接电流可增加熔滴过渡频率，缩短熔滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少；

3）能用直流焊就不采用交流焊，能用直流反接就不采用直流正接。

课题一

焊缝中气孔的防止

3.冶金处理在焊丝或药皮中增加碳含量，可以减低产生氮气孔的敏感性。这是由于①碳能降低氮在铁中的溶解度，减少焊缝中的含氮量；②碳氧化生成的CO、CO2加强了焊接区的保护作用和降低氮的分压；③碳氧化时引起的熔池沸腾也有利于氮的逸出。三、氢气孔的防止

1.控制氢的来源（1）对焊接材料必须防潮与烘干一般对碱性焊条烘干温度为350～450℃，酸性焊条为200℃。（2）严格清理焊件严格清理工件及焊丝表面的铁锈、油污等。

课题一

焊缝中气孔的防止

2.冶金处理（1）增加药皮或焊剂中的氟化物，例如萤石。（2）增强气相中的氧化性或增加熔池中的含氧量，都能使氢转变成OH，而OH不溶于液态金属，达到减少焊缝金属中氢溶解的目的，最终消除氢气孔。

3.控制焊接工艺参数

（1）焊条电弧焊时，适当降低焊接电流。因为电流降低时，熔滴变粗，比表面积减小，熔滴吸氢量较少。（2）在可能的情况下，尽量选择直流反接。因为氢是以质子的形式向液态金属中溶解的。课题一

焊缝中气孔的防止四、一氧化碳气孔的防止

1.限制焊丝中的含碳量

2.采取冶金措施（1）通常在焊丝中添加Si、Mn等脱氧元素，减少氧化气氛，防止CO气孔生成。（2）在药皮或焊剂中增加SiO2

、TiO2等的含量。由于这些氧化物可与FeO生成复合物FeO•SiO2和FeO•TiO2，使FeO减少，从而减少产生CO气孔的可能。

3.合理确定焊接工艺尽量采用短弧焊接；焊接时，焊接规范要保持稳定。课题一

焊缝中气孔的防止五、实例

1.铝及铝合金焊接

2.CO2气体保护焊课题一

焊缝中气孔的防止铝及铝合金焊接气孔的分布特征(a)皮下气孔(b)密集气孔工件焊接后出的气孔一、夹杂物的种类及危害回目录课题二焊缝中夹杂物的防止（二）夹杂物的基本特征

1.在熔融状态由于表面张力的作用形成的滴状夹杂物，凝固后一般呈球状存在；

2.具有较规则的结晶形状；

3.形成复合夹杂物；

4.呈连续或断续的形式沿着晶粒边界分布；

5.按夹杂物的变形性不同，可分为塑性夹杂物、脆性夹杂物及点状夹杂物；

6、根据夹杂物的大小，分为尺寸小于0.2μm的超显微夹杂物，0.2～100μm的显微夹杂物和大于100μm的大型夹杂物。课题二焊缝中夹杂物的防止（三）夹杂物的危害

1.氧化物夹杂降低焊缝强度、塑性、韧性；

2.氮化物夹杂会使焊缝的硬度增高，塑性、韧性急剧下降。

3.FeS多在晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点（988℃）共晶，从而为产生热裂纹创造了条件。课题二焊缝中夹杂物的防止二、焊缝中夹杂物的控制

1.严格控制母材和焊材中的杂质含量。2.合理选择焊条或焊剂，以保证充分脱氧、脱硫。

3.注意工艺操作。课题二焊缝中夹杂物的防止课题二焊缝中夹杂物的防止三、实例

1.16Mn钢埋弧焊焊缝中的点（球）状硅酸盐夹杂物如图所示。(a)SEM下观察到得球状夹杂物，1000×(b)0,Si、Mn的线扫描，4000×埋弧焊焊缝中的点（球）状夹杂物

2.如图是在金相显微镜下拍摄的焊缝中典型的非金属夹杂物形貌。课题二焊缝中夹杂物的防止非金属夹杂物形貌

3.埋弧焊时，焊缝的夹渣还与工件的装配情况和焊接工艺有关。课题二焊缝中夹杂物的防止(a)焊道与坡口熔合情况对脱渣的影响(b)脱渣困难焊道与坡口熔合情况对脱渣的影响(a)脱渣容易(b)脱渣困难多层焊时焊道大小对脱渣的影响一、焊接裂纹的危害（1）减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力；（2）构成了严重的应力集中；（3）造成泄漏；（4）表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构腐蚀。（5）留下隐患，使结构变得不可靠。回目录课题三焊接裂纹的分类及其基本特征二、焊接裂纹的分类从裂纹的分布形态及其产生机理两方面划分，参见图所示:课题三焊接裂纹的分类及其基本特征

1.按裂纹的走向分课题三焊接裂纹的分类及其基本特征纵向裂纹①横向裂纹②纵向裂纹③星形（弧形裂纹）2.按裂纹产生的区域分（1）焊缝中裂纹

（2）热影响区中裂纹

（3）熔合区裂纹

3.按裂纹出现的位置分

课题三焊接裂纹的分类及其基本特征（1）焊缝根部裂纹（2）热影响区根部裂纹（3）焊趾裂纹（4）焊道下裂纹（5）弧坑裂纹

4.按裂纹产生的机理分（1）热裂纹（高温裂纹）

1）结晶裂纹

2）液化裂纹

3）多边化裂纹多边化裂纹的特点是：①在焊缝金属中裂纹的走向与一次结晶并不一致，常以任意方向贯穿于树枝状结晶中；②裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属及热影响区中，其位置并不靠近熔合区；③裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现；④断口无明显的塑性变形痕迹，呈现高温塑性开裂特征。（2）冷裂纹

1)淬硬脆化裂纹

2)低塑性脆化裂纹

3)延迟裂纹课题三焊接裂纹的分类及其基本特征HAZ液化裂纹结晶裂纹多边化裂纹课题三焊接裂纹的分类及其基本特征三种冷裂纹分布示意图1-焊趾裂纹2-根部裂纹3-焊道下裂纹（3）再热裂纹（4）层状撕裂（5）应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹课题三焊接裂纹的分类及其基本特征一、焊缝中的结晶裂纹及防治（一）结晶裂纹及其产生的机理

特征：结晶裂纹又称凝固裂纹，是热裂纹中一种普遍的形态。结晶裂纹只产生在焊缝中，多呈纵向分布在焊缝中心。

机理：焊缝金属在结晶固-液阶段，已结晶的固相占主要部分，尚未结晶的液态金属（主要是那些低熔点共晶物，如Fe-FeS）在晶粒之间形成液态薄膜。在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，就沿晶粒边界处分离形成结晶裂纹。

回目录课题四焊接热裂纹的防止结晶裂纹课题四焊接热裂纹的防止

（二）影响结晶裂纹的因素

1.冶金因素对结晶裂纹的影响（1）合金状态图的类型和结晶温度区间焊接结晶裂纹倾向的大小是随合金状态图结晶温度区间的增大而增大。随着合金元素的增加，结晶温度区间也随之增大，见图（a），同时脆性温度区间的范围也增大（有阴影部分），因此结晶裂纹的倾向也是增加的。

课题四焊接热裂纹的防止结晶温度区间与裂纹倾向的关系（B为某合金元素）（2）合金元素对产生结晶裂纹的影响

1）Mn、S和P硫和磷在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾向，即使是微量存在，也会使结晶区间大为增加，在钢的各种元素中偏析系数最大，所以在钢中都极易引起结晶偏析，导致结晶裂纹的产生。同时硫和磷在钢中还能形成许多低熔点化合物或低熔点共晶物。硫和磷几乎对各种裂纹都比较敏感。在一定含碳量的条件下，随着含碳量的增加，裂纹倾向增大；随着含锰量的增加，裂纹倾向降低；随着含碳量的增加，硫的有害作用加剧。课题四焊接热裂纹的防止

2）C碳是钢中影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其它元素的有害作用。因为碳极易发生偏析，和钢中某些其他元素形成低熔点共晶物，其次，碳会降低硫在铁中的溶解度，而促成硫与铁化合生成FeS，因而形成的Fe-FeS的低熔点共晶量随之增多，两者均促使在钢中形成结晶裂纹。

3）Si和Ni硅是δ相形成元素，少量硅有利于提高抗裂性能，但当硅含量超过0.4%时，会因形成硅酸盐夹杂而降低焊缝金属的抗裂性能。镍是热裂纹敏感性很高的元素，镍在低合金钢中易与硫形成低熔点共晶，因此会引起结晶裂纹的产生。课题四焊接热裂纹的防止

4）Ti、Zr和RE钛、锆和镧等稀土元素能形成高熔点的硫化物。有消除结晶裂纹的有利作用。（3）一次结晶组织对热裂纹的影响焊缝一次结晶组织的晶粒度越大，结晶的方向性越强，就越容易促使杂质偏析，在结晶后期就容易形成连续的液态共晶薄膜，增加结晶裂纹的倾向。如果一次组织仅仅是与结晶主轴方向大体一致的单相奥氏体，结晶裂纹倾向就很大。如果一次结晶组织为δ铁素体，或者γ+δ同时存在的双向组织，则结晶裂纹的倾向就很小。课题四焊接热裂纹的防止热裂纹断口形貌课题四焊接热裂纹的防止

2.力学因素对结晶裂纹的影响金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温度附近的“脆性温度区”，在该区域范围内其塑性变形能力最低。当高温阶段晶间在各种应力的作用下发生的塑性应变量，超过高温阶段晶间断裂允许的最小变形量时，就会开裂。影响塑性应变量的因素有：（1）温度分布若焊接接头上温度分布很不均匀，及温度梯度很大，同时冷却速度很快，则引起的ε就很大，极易发生结晶裂纹；（2）金属的热物理性能金属的热膨胀系数越大，则引起的ε也越大，越易开裂；（3）焊接接头的刚性或拘束度当焊件越厚或接头受到拘束越强时，引起的ε也越大，结晶裂纹也越易发生。课题四焊接热裂纹的防止（三）结晶裂纹的防止措施

1.冶金措施（1）控制焊缝中有害杂质的含量

硫、磷、碳是最为有害的杂质，它们不仅能形成低熔点共晶，而且还促使偏析，必须严格限制母材和焊接材料中这些有害杂质的含量。（2）改善焊缝结晶形态细化晶粒是防止结晶裂纹形成的重要途径，目前广泛采用的方法是向焊缝或母材中加入细化晶粒的元素，如Mo、V、Ti、No、Zr、Al、RE等。（3）利用“愈合”作用当易熔共晶增多到一定程度时，反而使结晶裂纹倾向下降，甚至消失。这是因为较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙，即所谓“愈合”作用。课题四焊接热裂纹的防止

2.工艺方面（1）选择合理的接头型式熔深较大的对接接头和各种角焊缝（包括搭接接头、T形接头和角接接头）抗结晶裂纹性能较差，因为这些焊缝的收缩应力基本垂直于杂质聚集的结晶面，故其结晶裂纹倾向较大。（2）降低接头的刚度和拘束度为了减小结晶过程的收缩应力，在接头设计和装焊顺序方面尽量降低接头的刚度和拘束度。（3）确定合理的焊接参数一般来说，接头冷却速度越大，变形速度越大，越易于促使产生结晶裂纹。预热对于降低结晶裂纹倾向一般是比较有效的。而当提高焊接热输入时，促使了晶粒长大，增加了偏析倾向，降低结晶裂纹效果不是很明显。课题四焊接热裂纹的防止二、热影响区液化裂纹及防治（一）热影响区液化裂纹的形成机理概念：在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹称液化裂纹。

课题四焊接热裂纹的防止近缝区的液化裂纹1-未混合区2-部分熔化区3-粗晶区特征：液化裂纹产生的位置是在母材近缝区或多层焊的前一焊道上，如图所示。机理：热影响区液化裂纹形成机理在本质上与结晶裂纹相同，都是由于晶间有脆弱低熔相或共晶，在高温下承受了力的作用而开裂。区别在于结晶裂纹是液态焊缝金属在凝固过程中形成的，而液化裂纹则是固态的母材受热循环峰值温度的作用下使晶间层重新熔化后形成的。（二）影响液化裂纹的因素

1.冶金因素对于易出现液化裂纹的高强度钢、不锈钢和耐热合金的焊件，除了硫、磷、碳的有害作用外，也有镍、铬和硼元素的影响。镍是这些钢的主加元素，但它既是强烈的奥氏体形成元素，可显著降低有害元素（磷、硫）的溶解度，引起偏析，又是易与许多元素形成低熔点共晶的元素，故易于引起液化裂纹；铬的含量如果高时，也因不平衡的加热和冷却，在晶界可能产生偏析，也能增加热裂倾向；硼在铁和镍中的溶解度很小，但只要有微量的硼就能产生明显的晶界偏析。除能形成硼化物和硼碳化物外，还与铁、镍形成低熔共晶，微量硼存在就可能引起液化裂纹。

2.力学因素课题四焊接热裂纹的防止（三）防止液化裂纹措施

1.控制母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量；

2.在焊接工艺方面不能随便加大焊接热输入输入热量越多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间就越长，液化裂纹的倾向就越大。

3.改变工艺参数，调整和控制焊缝形状例如，埋弧焊和气体保护焊，往往因电流密度过大，易得到“蘑菇状”的焊缝，这种焊缝的熔合线呈凹陷状，凹进部位因过热而易形成液化裂纹。课题四焊接热裂纹的防止三、实例Q420(15MnVN)钢埋弧焊焊缝中心的结晶裂纹课题四焊接热裂纹的防止铝合金焊接时热影响区中的液化裂纹课题四焊接热裂纹的防止接头形式对结晶裂纹的影响课题四焊接热裂纹的防止一．冷裂纹的一般特征及形成机理

（一）冷裂纹的一般特征

1、产生的温度和时间：产生冷裂纹的温度通常在马氏体转变的温度范围Ms点附近或200～300℃以下温度区间。冷裂纹产生的时间可在焊后立即出现，也有的在延迟几小时、几天、甚至更长时间以后才产生。

2、产生的钢种和部位：冷裂纹主要发生在高碳钢、中碳钢、低合金或中合金高强钢的焊接热影响区；某些合金成分较高的超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也发生在焊缝金属上。

回目录课题五焊接冷裂纹的防止

3.冷裂纹的断口特征冷裂纹的走向有时沿晶，有时穿晶，这要根据材质、氢分布和拘束应力而定。显露在接头金属表面的冷裂纹断面上，没有明显的氧化色彩，所以断口发亮，而且呈人字形态发展。（见下图）课题五焊接冷裂纹的防止冷裂纹断口形貌（二）冷裂纹的形成机理

1.产生延迟裂纹的机理（1）钢种的淬硬倾向一般情况下，钢种淬硬倾向越大，就意味着得到更多的马氏体组织。马氏体是一种硬脆的组织，在一定的应变条件下，马氏体由于变形能力低而容易发生脆性断裂，形成延迟裂纹。不同组织对冷裂纹的敏感倾向按下列顺序增大：铁素体→珠光体→下贝氏体→低碳条状马氏体→上贝氏体→粒状贝氏体→岛状M-A组元→高碳孪晶马氏体（片状马氏体）。

课题五焊接冷裂纹的防止（2）氢的作用氢的作用比较复杂，主要有以下原因：1)焊接条件下冷却的较快，使氢来不及逸出而残存在焊缝金属的内部，使焊缝中的氢处于过饱和的状态。2)当焊缝金属由奥氏体向铁素体转变时，氢的溶解度会突然下降。与此同时，氢的扩散速度在奥氏体向铁素体转变时突然增加。3)焊缝在较高的温度发生相变时，热影响区尚未开始奥氏体的分解，当焊缝金属产生相变时，氢的溶解度会突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的具有较大的扩散速度，因此氢将很快从焊缝向仍为奥氏体的热影响区金属扩散。奥氏体中氢的扩散系数很小，却有较大的溶解能力，氢的进入就在熔合线附近形成富氢地带。当滞后相变的热影响区发生奥氏体向马氏体转变时，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，从而诱发延迟裂纹。课题五焊接冷裂纹的防止4)氢的扩散有一定速度，聚集到临界含量就需要时间，这就是在宏观上表现为焊后到产生这种裂纹要有一定的潜伏期（孕育期），即具有延迟开裂的特征。（3）焊接接头的拘束应力

1）热应力

2）组织应力

3）拘束应力

2.产生淬硬脆化裂纹的机理淬硬脆化裂纹又称淬火裂纹，是一些淬硬倾向很大的钢种，焊接时即使没有氢的诱发，仅在拘束应力作用下就能导致开裂。它完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的，与氢关系不大，基本没有延迟现象。焊后立即出现，在热影响区和焊缝上都可产生。课题五焊接冷裂纹的防止

3.产生低塑性脆化裂纹的机理低塑性脆化裂纹是某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩而引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹。例如，铸铁补焊，堆焊硬质合金和焊接高铬合金时，就易出现这类裂纹。通常也是焊后立即产生，无延迟现象。课题五焊接冷裂纹的防止HY-80钢焊接热影响区中的延迟裂纹课题五焊接冷裂纹的防止延迟裂纹课题五焊接冷裂纹的防止二、防止冷裂纹的措施

1.冶金措施（1）控制母材化学成分（2）选用低氢和超低氢的焊接材料（3）控制氢的来源（4）加入某些合金元素，提高焊缝金属韧性（5）选用低匹配焊条（6）选择奥氏体焊条课题五焊接冷裂纹的防止

2.工艺措施（1）严格控制焊接热输入（2）合理选择预热温度（3）紧急后热（4）利用多层焊的有利影响

3.加强工艺管理

（1）彻底清理焊接坡口（2）保证焊条或焊剂的烘干（3）提高装备质量（4）保证焊接质量（5）注意施工环境课题五焊接冷裂纹的防止一、再热裂纹的防止定义：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。

1.再热裂纹的形成机理

再热裂纹的产生是由于高温下晶界强度低于晶内强度，晶界优于晶内发生滑移变形，使变形集中在晶界上。当晶界的实际变形量超过了它的塑性变形能力时，就会发生裂纹。

再热裂纹及断口形貌见下图：

研究认为回目录课题六其他焊接裂纹的防止再热裂纹课题四焊接热裂纹的防止再热裂纹断口形貌课题四焊接热裂纹的防止（1）晶内二次强化理论（2）晶界杂质析集弱化理论

2.再热裂纹的防止措施（1）合理选用焊接材料优先选用含沉淀强化元素（Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti等）少的钢种，严格控制母材和焊缝中的杂质含量（S、P等），可以有效降低再热裂纹的倾向。（2）严格控制焊接热输入

选用焊接方法时要避免过大的热输入，来减小晶粒粗化。（3）预热及后热处理预热是防止再热裂纹的有效措施之一。一般选用比防止冷裂纹更高的预热温度并配合后热处理有利于防止再热裂纹。课题四焊接热裂纹的防止（4）选用低匹配焊接材料适当降低焊缝金属的强度以提高其塑变能力，减少近缝区塑变的集中程度，缓和焊接接头的受力状态，有利于降低再热裂纹产生的倾向。（5）尽量降低残余应力，避免应力集中通过改进结构设计、合理安排装配和焊接顺序、施焊时减少咬边、未焊透缺陷等一些措施来减少焊接残余应力和消除应力