焊接缺陷及控制.pdf

第五章 焊接裂纹 第四第四章章 焊接缺陷及控制焊接缺陷及控制 第五章 焊接裂纹 焊接缺陷的分类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、 其他缺陷 未焊透 飞溅、波纹不均 第五章 焊接裂纹 第一节焊缝中的偏析与夹杂 第二节焊缝中的气孔 第三节焊接裂纹 第四章第四章焊接缺陷及其控制焊接缺陷及其控制 第五章 焊接裂纹 重点内容 1、焊缝中的气孔和夹杂问题 2、结晶裂纹的形成机理 3、焊接冷裂纹的形成机理，特征、影响 因素，及其防冶措施 4、焊接裂纹综合分析及判断 5、各种断口形貌特征 第五章 焊接裂纹 §§4-1 焊缝中的偏析与夹杂焊缝中的偏析与夹杂 由冶金反应产生的，焊后残留在焊缝金属中的微粒、非金属杂质（ 如氧化物、硫化物）等，统称为夹杂物，简称夹杂 一一、、夹杂的形成及控制夹杂的形成及控制 1夹渣：熔渣在焊缝中的残留；焊接操作失误或者设计的接头形 式不合理 危害：由于渣的几何形状不规则，存在尖角或棱角，易造成应力集中 ，成为裂纹源 第五章 焊接裂纹 2 反应形成新相 主要有三类夹杂物： 1、氧化物夹杂：如SiO2、MnO、FeO、TiO2等，一般多以硅酸盐的 形式存在，呈圆球形或点粒状。

热裂，层状撕裂 2、氮化物夹杂：主要是Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边 界脆硬相，硬度↑韧性↓ 3、硫化物夹杂：主要是FeS、MnS，在焊缝中多呈球状MnS呈 灰色，当MnS内溶解FeS时颜色会变淡FeS与Fe、FeO形成低熔点共 晶，引起热裂纹 第五章 焊接裂纹 氮化物夹杂 氧 化 物 夹 杂 第五章 焊接裂纹 3、异种金属进入焊缝形成的夹杂（如钨、铜） TIG焊时的夹钨； 铜垫板时，焊缝背面夹铜； 危害：大尺寸的金属夹杂物对接头性能有害 二 夹杂的危害 1、使力学性能下降 2、塑韧性下降，尤其是低温韧性 3、形成裂纹的重要原因 第五章 焊接裂纹 三 防止措施 1）合理选择焊接材料，充分脱氧、脱硫； 2）选用合理规范，以利于熔渣的浮出； 3）多层焊时，清渣； 4）焊条摆动； 5）保护溶池，防止空气侵入 第五章 焊接裂纹 §§4-2 焊缝中的气孔焊缝中的气孔 一一 焊缝中的气孔焊缝中的气孔 （一） 气孔的类型及分布特征 气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内部，有的以单个存在， 有的成堆出现 一类：析出性气孔 高温时溶解的气体H2、N2 二类：反应型气孔 冶金反应产生的气体CO和 H2O 第五章 焊接裂纹 1 氢气孔氢气孔 特征特征：：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看 呈圆喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。

有个别残存在内部，以小圆 球状存在 产生原因产生原因：焊接过程中，熔池金 属吸收大量的氢气，在冷却和结 晶过程中，氢的溶解度发生了急 剧下降，熔池冷却速度快，来不 及逸出，残存在内部，发生了氢 的过饱和，使焊缝中形成具有喇 叭口形的表面气孔 结晶过程中形成 第五章 焊接裂纹 2 CO气孔 特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑 产生原因：高温冶金反应CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气 泡的形式猛烈地逸出，但熔池结晶时，η↑，CO不易逸出，此反应为 吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形 成条虫形的气孔 第五章 焊接裂纹 二 气孔形成机理 气孔的形成：生核---长大----逸出： 1）浮出：无气孔；2）浮不出：气孔 1、、 气泡的生核气泡的生核 具备条件：① 液态金属中有过饱和的气体； ② 要消耗一定的能量 kT r Cen 3 4 2   单位时间形成气泡核的数目 焊接熔池内形成气泡核所需能量为 )]cos1 (1 [)( 0  A A AVppE lhp 正常条件下纯金属中的生核数目 22 102 .16 10   n Ph--气泡内气体压力；PL--液体压力；V--气泡核的体积；σ--相间张力；A--气泡 核的表面积；Aa--吸附力的作用面积；θ--气泡核与现成表面的浸润角 第五章 焊接裂纹 2 长大长大 气泡长大应满足的条件：PhP0 Ph＝P H2 +PN2+PCO+……. P0＝Pa+Pm+Ps+ Pc （大气压、气泡上部金属的压力、气泡上部熔渣的压力、表 面张力所构成的附加压力） PhP0 r PPP cah 2 1 气泡形成初期，r很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。

焊接 时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶粒和液态金属相接 触的地方形成，这些地方由于界面张力的作用，气泡不成圆形，可 以得到较大的曲率半径r使Pc减小 第五章 焊接裂纹 3 上浮上浮 1）气泡长大到一定大小，脱离表面的能力主要与气泡---液体金属--- 现成表面界面张力及接触角有关 平衡时： 气液 液现气现 气液液现气现        cos cos 当θ90, 由于形成细颈过程需要 时间，若结晶速度＞气泡脱离现 成表面的速度，就会形成气孔 2）结晶速度 ： v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；v大时，气 泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部 第五章 焊接裂纹 3）气泡上浮速度 ：    2 9 2 gr hL v   ①当r↑,v↑易浮出 ②液体金属密度越大，v↑不易形成气孔 ③η影响最大，T↑,η↓易上浮v↑ T↓η↑,V↓易形成气孔 三三 影响生成气孔的因素及防止措施影响生成气孔的因素及防止措施 冶金因素、工艺因素二个方面讨论 第五章 焊接裂纹 1 冶金因素的影响 1）熔渣与弧柱气氛的氧化性 无论酸性熔渣或碱性熔渣，随熔渣的氧化性的增加出现CO气孔， 随氧化性的减小，出现H2气孔； 氧化性↑，CO气孔 ↑；还原性↑，H2气孔↑ [C]×[O]表示出现气孔的倾向 2）焊条药皮和焊剂的影响 氟化钙脱氢机理；氧化物脱氢机理；酸性焊条脱氢是靠较强氧 化物；碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强氧化性；氟化物脱 氢 3）铁锈及水份的影响 OOFeOFe 4332 23 232243 23HOFeOHOFe 22 HFeOOHFe 第五章 焊接裂纹 2、工艺因素影响 1）焊接规范的影响 • 电流↑, 熔池存在时间↑,气体外逸；熔滴尺寸↓，比表面积↑，易 产生气孔；熔深↑,不易使气体逸出；焊条电阻热↑，药皮提前脱落， 易产生气孔。

• 电压↑,N气孔↑； • 焊速↑,气孔增加 2）电流种类及极性 直流反接，气孔少（溶滴为正） 直流正接，气孔多（溶滴为阴极） 交流焊接，气孔更多 0 ][eHH  第五章 焊接裂纹 3.工艺操作 ① 焊件去油、锈； ② 烘干焊条； ③ 短弧焊 防止气孔产生的措施： （1）控制气体的来源: ① 加强焊接区保护；② 焊材防潮烘干；③ 表面清理方法得当、彻底 （2）正确选用焊接材料：① 熔渣的氧化性；② 保护气体的成分组 成；③ CO2焊脱氧；④ 有色金属焊接脱氧 （3）控制焊接工艺条件：①焊接规范保持稳定；② 短弧焊，直 流反接； ③ 铝合金的焊接 第五章 焊接裂纹 §§4-3 焊接裂纹焊接裂纹 一一、、危害性危害性 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桥梁、轮船、压力容器等领 域内的主要课题 第五章 焊接裂纹 第五章 焊接裂纹 第五章 焊接裂纹 二二、、种类种类 各种不同类型的裂纹 ① 焊缝中纵向裂纹② 焊缝上横向裂纹 ③ 热影响区纵向裂纹 ④ 热影响区横向裂纹 ⑤火口（弧坑）裂纹 ⑥ 焊道下裂纹 ⑦ 焊缝内部晶间裂纹 ⑧ 焊趾裂纹 ⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹 第五章 焊接裂纹 第五章 焊接裂纹 分类分类: : 1 按裂纹分布的走向分 纵向裂纹 2 按裂纹发生部位分 ①横向裂纹②纵向裂纹 ③星形（弧形裂纹） 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 第五章 焊接裂纹 3 按产生本质分类 1）热裂纹(高温裂纹) 产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位：焊缝为主,热影响区 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。

第五章 焊接裂纹 HAZ液化裂纹 晶 间 裂 纹 多边化裂纹 第五章 焊接裂纹 ①结晶裂纹：：在固相线附近，由于固 态金属的收缩，残余液态金属不 足，在 拉应力的作用下发生沿晶 开裂杂质含量较高的碳钢、低合金 钢，单相奥氏体钢、镍基合金和铝合金等 ②高温液化裂纹：在熔合线附近的热影响区和多层焊部位，如果焊缝 中含有较多的低熔点共晶被重新熔化，在拉应力作用下沿奥氏体晶 界 发生开裂含Cr和Ni的高强度钢、奥氏体钢及镍基合金等 ③多边化裂纹：当焊缝或熔合区温度处在固相线稍下的高温区刚结晶的 金属中的晶格缺陷，在温度和应力作用下，发生迁移和聚集，形成 了二次边界，即多边化边界多边化边界上堆积了很多晶格缺陷， 高温时 的强度、塑性都很差，只要轻微的拉应力，就会产生多边化 边界开裂纯金属或单相奥氏体焊缝或热影响区 第五章 焊接裂纹 2））冷裂纹冷裂纹 产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间 低合金高强钢，出现在相变温度，拘束应力、淬硬组 织和氢的共同作用 材料：中碳钢、高碳钢以及合金结构钢； 存在部位: 多在热影响区,但也有发生在焊缝 特征(断口)：宏观断口具有发亮的金属光泽, 脆性断裂特征。

微观：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶 混合断裂 第五章 焊接裂纹 冷裂纹分类冷裂纹分类: : 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 称延迟裂纹决定于钢材的淬硬倾向、接头应力状态和熔敷金 属中的扩散氢含量 淬硬脆化裂纹（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） 焊后立即出现 含碳较高的镍铬钼钢、马氏体不锈钢、工具钢、异种钢 低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应力引起的应变 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，没 有延迟现象 如：铸铁的补焊、堆焊硬质合金、焊接高铬合金等 第五章 焊接裂纹 延迟裂纹 第五章 焊接裂纹 3）再热裂纹（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纹—消除应力 处理裂纹 对含有沉淀强化元素的材料最为敏感产生部位在熔合区附 近的粗晶区，晶间断裂性质，须有残余应力和应变为先决条件， 在大拘束度的厚件中和应力集中部位易产生 和加热温度和加热时间有关： 低合金高强钢和耐热钢，500-700℃； 高温合金： 700-900℃ 第五章 焊接裂纹 4 4））层状撕裂层状撕裂 由于轧制母材内部存在有分层 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。

大型厚壁高强度钢结构件，在 钢板厚度方向承受拉应力，沿轧制 方向出现 第五章 焊接裂纹 5 5））应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹 金属材料在某些特定的 腐蚀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 焊缝和热影响区都可以 产生大多属于晶间断裂性 质从断口来看为典型的脆 性断口化工设备的焊接结 构中易出现，呈龟裂形式 低碳钢、低合金高强钢、铝合金、镍基 合金、ａ黄铜等，晶间断裂； 镁合金、β黄铜、氯化物介质中的奥氏 体不锈钢，穿晶断裂； 奥氏体不锈钢，腐蚀介质不同，开裂机 理不同 第五章 焊接裂纹 热裂纹与冷裂纹的基本点 低温下产生高温下产生产生温度 冷裂纹冷裂纹热裂纹热裂纹裂纹裂纹 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。