焊接裂纹.pdf
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1、1 1 1 1 第五章 焊接裂纹 第五第五第五第五章章章章 焊接裂纹焊接裂纹焊接裂纹焊接裂纹 2 2 2 2 第五章 焊接裂纹 第一节概述 第二节焊接热裂纹 第三节焊接冷裂纹 第四节再热裂纹 第五节层状撕裂 第六节应力腐蚀裂纹 第七节焊接裂纹综合分析和判断 第五章第五章第五章第五章 焊接裂纹焊接裂纹焊接裂纹焊接裂纹 3 3 3 3 第五章 焊接裂纹 重点内容 1、裂纹的分类用一般特征 2、结晶裂纹的形成机理、影响因素,及其防 冶措施 3、焊接冷裂纹的形成机理, 4、应力腐蚀裂纹形成机理 、层状撕裂产生原因及防止、 焊接裂纹综合分析及判断,各种裂纹断口形 貌特征。 4 4 4 4 第五章 焊接裂
2、纹 5-15-15-15-1概述概述概述概述 一、危害性一、危害性一、危害性一、危害性 焊接结构产生裂纹轻者需要返修,浪 费人力、物力、时间,重者造成焊接结构 报废,无法修补。更严重者造成事故、人 身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输 船在太平洋上航行时,断裂成两段而沉没 ,在压力容器破坏事故中,有很多都是由 于焊接裂纹造成。因此,解决研究焊接裂 纹已成为当前主要课题。 5 5 5 5 第五章 焊接裂纹 二、种类二、种类二、种类二、种类 各种不同类型的裂纹各种不同类型的裂纹各种不同类型的裂纹各种不同类型的裂纹 焊缝中纵向裂纹 焊缝中纵向裂纹 焊缝中纵向裂纹 焊缝中纵向裂纹 焊缝上横向裂纹
3、焊缝上横向裂纹焊缝上横向裂纹焊缝上横向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区纵向裂纹 热影响区横向裂纹热影响区横向裂纹热影响区横向裂纹热影响区横向裂纹 火口(弧坑)裂纹 火口(弧坑)裂纹 火口(弧坑)裂纹 火口(弧坑)裂纹 焊道下裂纹焊道下裂纹焊道下裂纹焊道下裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊缝内部晶间裂纹 焊趾裂纹焊趾裂纹焊趾裂纹焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹 6 6 6 6 第五章 焊接裂纹 7 7 7 7 第五章 焊接裂纹
4、分类分类分类分类: : : : 1 1 1 1、 按裂纹分布的走向分按裂纹分布的走向分按裂纹分布的走向分按裂纹分布的走向分 纵向裂纹 2 2 2 2、 按裂纹发生部位分按裂纹发生部位分按裂纹发生部位分按裂纹发生部位分 横向裂纹 纵向裂纹 星形(弧形裂纹) 焊缝金属中裂纹 热影响区中裂纹 焊缝热影响区贯穿裂纹 8 8 8 8 第五章 焊接裂纹 3 3 3 3 、按产生本质分类、按产生本质分类、按产生本质分类、按产生本质分类 1 1 1 1)、)、)、)、热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹 (高温裂纹)(高温裂纹)(高温裂纹)(高温裂纹) 产生:产生:产生:产生:热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位存在部
5、位存在部位存在部位:焊缝为主,热影响区 特征:特征:特征:特征:宏观看, 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 9 9 9 9 第五章 焊接裂纹 1) 1) 1) 1)、热裂纹分类、热裂纹分类、热裂纹分类、热裂纹分类 a. a. a. a. 结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹:在凝固的过程-结晶过程中产生 b. b. b. b. 高温液化裂纹高温液化裂纹高温液化裂纹高温液化裂纹:在高温下产生,钢材或多层焊 的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化, 在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发
6、生开裂 c. c. c. c. 多边化裂纹多边化裂纹多边化裂纹多边化裂纹:产生温度低于固相线温度,存在 晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性, 在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强 度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生纯金属 或单相奥氏体合金焊缝。 10101010 第五章 焊接裂纹 HAZ液化裂纹 晶 间 裂 纹 多边化裂纹 11111111 第五章 焊接裂纹 12121212 第五章 焊接裂纹 2 2 2 2)、再热裂纹)、再热裂纹)、再热裂纹)、再热裂纹(消除应力处理裂纹)(消除应力处理裂纹)(消除应力处理裂纹)(消除应力处理裂纹) 由于重新加热(热处理)过程中产生称再热 裂
7、纹消除应力处理裂纹。 13131313 第五章 焊接裂纹 14141414 第五章 焊接裂纹 3 3 3 3)、冷裂纹)、冷裂纹)、冷裂纹)、冷裂纹 产生产生产生产生温度温度温度温度:温度区间在+100-75之间 存在存在存在存在部位部位部位部位: : : :多在热影响区,但也有发生在焊缝。 特征(断口):特征(断口):特征(断口):特征(断口):宏观断口具有发亮的金属光泽 的脆性断裂特征。 微观看:微观看:微观看:微观看:晶间断裂,但也可穿晶(晶内)断 裂,也可晶间和穿晶混合断裂。 15151515 第五章 焊接裂纹 冷裂纹分类:冷裂纹分类:冷裂纹分类:冷裂纹分类: a. a. a. a.
8、延迟裂纹延迟裂纹延迟裂纹延迟裂纹:特点不在焊后立即出现,有 一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。 b. b. b. b.淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)(淬火裂纹)(淬火裂纹)(淬火裂纹):淬硬倾向 大的组织易产生这种裂纹(与氢含量关 系不大)。 c. c. c. c.低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹:在比较低的温度下, 由于收缩应变超过了材料本身的塑性储 备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。 16161616 第五章 焊接裂纹 延迟裂纹 17171717 第五章 焊接裂纹 4 4 4 4)、层状撕裂)、层状撕裂)、层状撕裂)、层状撕裂: 由于轧制母
9、材内部存 在有分层的夹杂物(特 别是硫化物夹杂物) 和焊接时产生的垂直 轧制方向的应力,使 热影响区附近地方产 生呈“台阶”状的层状 断裂并有穿晶发展。 18181818 第五章 焊接裂纹 5 5 5 5)、应力腐蚀裂纹:)、应力腐蚀裂纹:)、应力腐蚀裂纹:)、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。 19191919 第五章 焊接裂纹 三三三三、热裂纹与冷裂纹的基本特点、热裂纹与冷裂纹的基本特点、热裂纹与冷裂纹的基本特点、热裂纹与冷裂纹的基本特点 低温下产生 高温下产生 产生温度 冷裂纹冷裂纹冷裂纹冷裂纹 热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹
10、 裂纹裂纹裂纹裂纹 断口具有发亮的金属光 泽 沿焊缝的轴向成纵向 分布,也有横向分布, 裂口均有氧化色彩表 面无光泽 宏观特征 晶间断裂,也有穿晶内 断裂,也有晶间和穿晶 混合断裂 沿晶粒边界分布,属 于沿晶断裂性质 微观特征 热影响区、焊缝焊缝、热影响区 产生部位 本节结束 20202020 第五章 焊接裂纹 5-2 5-2 5-2 5-2 焊接热裂纹焊接热裂纹焊接热裂纹焊接热裂纹 一、结晶裂纹一、结晶裂纹一、结晶裂纹一、结晶裂纹 1 1 1 1、 产生机理产生机理产生机理产生机理 1 1 1 1)产生部位)产生部位)产生部位)产生部位:结晶裂纹大部分都沿焊缝树 枝状结晶的交界处发生和发展的
11、,常见沿焊 缝中心长度方向开裂即纵向裂纹,有时焊缝 内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥 氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在 焊缝上某些高强钢,含杂质较多的钢种,除 发生在焊缝之处,还出现在近缝区上。 21212121 第五章 焊接裂纹 结结结结 晶晶晶晶 裂裂裂裂 纹纹纹纹 22222222 第五章 焊接裂纹 23232323 第五章 焊接裂纹 24242424 第五章 焊接裂纹 25252525 第五章 焊接裂纹 26262626 第五章 焊接裂纹 27272727 第五章 焊接裂纹 2 2 2 2)、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向)、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向)、熔池各阶段产生结晶
12、裂纹的倾向)、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向 在焊缝金属凝固结晶的后期,低熔点共晶物 被排挤在晶界,形成一种所谓的“液态薄膜”,在 焊接拉应力作用下,就可能在这薄弱地带开裂, 产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因:液态薄膜 拉伸应力 液态薄膜根本原因 拉伸应力必要条件 28282828 第五章 焊接裂纹 固液阶段:固液阶段:固液阶段:固液阶段:这一区 也称为“脆性温度区” 即图上a、b之间的温 度范围 固相阶段:固相阶段:固相阶段:固相阶段:也叫 完全凝固阶段 以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段 液固阶段:(液固阶段:(液固阶段:(液固阶段:(1 1 1 1区)区)区)区) Tb称为脆
13、性温度区,在比区间易产生结晶裂纹,杂质较少的金属, Tb 小产生裂纹的可能性也小,杂质多的金属Tb大,产生裂纹的倾向也大 29292929 第五章 焊接裂纹 30303030 第五章 焊接裂纹 3 3 3 3)产生结晶裂纹的条件)产生结晶裂纹的条件)产生结晶裂纹的条件)产生结晶裂纹的条件 在焊缝的塑性用P表示, 当在某一瞬时温度 时有一个最小的塑 性值(Pmin) (出现液态薄膜时) 受拉伸应力所产生的变形 用e表示,也是温度的函数 . )(TP= 31313131 第五章 焊接裂纹 在脆性温度区焊缝所承受的拉伸 应力所产生的变形大于焊缝金属所具 有的塑性时产生裂纹即 高温阶段晶间塑性变形能力
14、不足以承 受当时所发生塑性应变量。 产生裂纹的条件产生裂纹的条件产生裂纹的条件产生裂纹的条件 00.16% Mn/S无效,加剧P有害作用 裂 iii)、C0.51% 初生相 初生相 S、P在小相中溶解度低,析出S、 P集富在晶界上,裂纹 Mn具有脱S作用 其中Mn熔 点高,早期结晶星球状分布,抗裂 MnSFeSMn+ 含碳量C0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S,Mn无意义 c)、Mn 注意: 36363636 第五章 焊接裂纹 d) d) d) d)、SiSiSiSi 硅是 相形成元素,利于消除结晶裂 纹 , 相中S、P溶解度大缘故, Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使 裂
15、对硫的亲合力大,形成高熔点的硫 化物,消除结晶裂纹有良好的作用。 e)、Ti 、锆(Z)和稀土元素 37373737 第五章 焊接裂纹 0.830.190.441.250.0140.0150.09A 0.870.200.540.940.0170.0370.10Ao NiCrSinSC焊缝 成分 注:A 焊缝中加入轻稀土 焊缝成分分析 例如:强度为600MPa焊条研究 38383838 第五章 焊接裂纹 图2 焊缝冲击断口扫描形貌 焊缝冲击断口SEM形貌 (a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土 39393939 第五章 焊接裂纹 焊缝金属金相组织 a、未加入稀土
16、 b、加入2%稀土 40404040 第五章 焊接裂纹 f) f) f) f)、O O O O O降低S的有害作用,氧、硫、铁能形 成Fe-FeS-FeO三元共晶,使FeS由薄膜变成 球状,裂 日本JWS临界应变增长率CST CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4 当时,可以防止裂纹 4 105 . 6 CST 热裂敏感系数HCS公式 3 10 3 )100/25/( + + = VMoCrMn NiSiPSC HCS 当HCS 时, 发生断裂晶间断裂 1 0 0 T 0 1 T = 称金属的等强温度 0 T 0
17、 T 1 0 若焊缝所受拉伸应力为 随温度变化始终 不超过 ,则不会产生结晶裂纹 产生结晶裂纹 2 0 0 1 1 2 0 产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用,二者缺一不可 46464646 第五章 焊接裂纹 3 3 3 3、防止结晶裂纹的措施、防止结晶裂纹的措施、防止结晶裂纹的措施、防止结晶裂纹的措施 1 1 1 1)、冶金方面)、冶金方面)、冶金方面)、冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量, 限制S、P、C含量S、P500 R=71K1arctg(0.017 )( /400)2 不产生裂纹, R 产生裂纹 不产生裂纹的临界拘束度(通过实验方 法测) R可通过计算或实测求得 只适用单向
18、拉伸 RRcr cr R cr R 2 2 2 2)、拘束应力的影响)、拘束应力的影响 72727272 第五章 焊接裂纹 对于三维 弹塑性有限元计算 RR = 1 1 2 2 /2/2sinh /sinh / /sin8 1 = + += m w w BmBm Bm hm hm m -拉板厚度(mm) Sinh-双曲线正弦函数 hw-试验焊缝厚度(mm) B-试板宽度,即拘束距离(mm) 73737373 第五章 焊接裂纹 3)3)3)3)、氢的有害影响、氢的有害影响、氢的有害影响、氢的有害影响 4) 4) 4) 4)、工艺影响、工艺影响、工艺影响、工艺影响 线能量 预热温度 焊后后热 多层
19、焊 74747474 第五章 焊接裂纹 综合上述各影响因素,提出了预测高强钢焊 接接头延迟裂纹倾向的判据公式。 产生裂纹 在一定焊接条件下,第一层焊缝焊后冷却到 100刚刚不出现裂纹的时间临界冷却时间. 实际焊接条件下,熔合区附近1350100的冷 却时间 A.n实验常数 裂纹敏感系数 若越高,则 越大,越易产生裂纹 cr t 100 ttcr cr t 100 t HM P N P n HMcr PAt)28. 0(= 75757575 第五章 焊接裂纹 2 2 2 2、防止措施、防止措施、防止措施、防止措施 1 1 1 1)、冶金措施)、冶金措施)、冶金措施)、冶金措施 (低碳微量多合金)
20、 H选用低氢焊接材料,低氢焊接方法 如CO2焊 控制氢的来源,烘干焊条消理焊件焊丝 加入某些合金元素,提高塑性 采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾 向较大的低合金高强钢,避免冷裂纹 76767676 第五章 焊接裂纹 2 2 2 2)、工艺措施)、工艺措施)、工艺措施)、工艺措施 选择合适的焊接线能量q、V冷、t100 减少裂 但有晶粒粗大现象 预热 冷却速度H外逸 后热H消氢处理350保温12小时, 使氢外逸 对于需要较高预热温度的中碳钢,高碳钢及 中碳调质高强钢,如果由于形状复杂或需要 在结构内部施焊等因素要避免高温预热时, 采用后热并配合低温的预热特别见效。 77777777 第五章 焊
21、接裂纹 3 3 3 3)、拘束应力)、拘束应力)、拘束应力)、拘束应力 防止焊缝分布密集,消除应力集中部 位如缺口,坡口形状对称 适当的预热、后热、缓冷 本节结束 78787878 第五章 焊接裂纹 5-4 5-4 5-4 5-4 再热裂纹再热裂纹再热裂纹再热裂纹 定义定义定义定义:焊后再加热,消除应力退火,高温工作时 500600过程中产生裂纹称再热裂纹。 一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征 1、热裂纹产生部位:、热裂纹产生部位:、热裂纹产生部位:、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
22、晶粒边界发展 79797979 第五章 焊接裂纹 再热裂纹再热裂纹再热裂纹再热裂纹 80808080 第五章 焊接裂纹 2、 敏感的温度范围敏感的温度范围敏感的温度范围敏感的温度范围: : : :一般在500700低 于500或高于700,再加热不易出现再热裂 纹 3 3 3 3、有大量的内应力存在,及应集中、有大量的内应力存在,及应集中、有大量的内应力存在,及应集中、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 4 4 4、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中、易产生在具有沉淀强
23、化作用的钢材中: : : : 晶界滑动微裂扩展裂纹 81818181 第五章 焊接裂纹 二、产生机理二、产生机理 1 1 1 1、一般条件、一般条件、一般条件、一般条件 e e e e e e e ec c c c 产生裂纹产生裂纹产生裂纹产生裂纹 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。 82828282 第五章 焊接裂纹 2 2 2 2、再热裂纹产生机理、再热裂纹产生机理、再热裂纹产生机理、再热裂纹产生机理 1 1 1 1)、晶界杂质析集
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- 焊接 裂纹
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