焊接氢致裂纹的模拟与预测
焊接氢致裂纹的模拟与预测 谭长瑛, 张显辉, 陈佩寅, 焦 伟
(哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150080)
摘 要:焊接氢致裂纹是金属氢损伤在焊接中的一种表征。它的产生与焊接接头中的组织、应力和局部氢浓度密切相关,迄今尚没有可行的技术,测定焊接氢致裂纹开裂时启裂处的局部氢浓度,即无法确定焊接氢致裂纹开裂的临界氢浓度,因而无法进行焊接氢致裂纹的模拟预测。通过用数值模拟技术与可以定量评定焊接氢致裂纹的插销试验法相结合,确定了氢致裂纹启裂时的临界局部氢浓度,建立焊接氢致裂纹的定量判据,实现了焊接氢致裂纹的模拟预测。试验验证结果证明该项技术是可行的。
关键词:焊接氢致裂纹;插销试验法;判据;模拟预测
中图分类号:TG457.11 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2002)05-01-
04谭长瑛
0 序 言
焊接氢致裂纹是低合金高强度钢焊接接头中最容易产生的焊接缺陷,是导致低合金高强度钢焊接产品报废或焊接结构运行中失效的重要原因。大半个世纪以来,众多的焊接工作者做了大量的研究,对焊接氢致裂纹的产生原因有了比较深刻的认识,普遍认为焊接氢致裂纹是焊接接头中的淬硬组织,扩散氢和拘束应力这三大因素共同作用的结果,并据此研制建立了多种定量或定性评定焊接氢致裂纹的试验方法。运用这些方法也找到了预热、后热、低氢焊接等行之有效的防止焊接氢致裂纹的措施。然而由于受几何尺寸或结构的限制,这些定量或定性试验方法的焊接温度场、焊接应力 应变场与实际焊接产品的这些物理场有很大的差异。因此,依据这些试验方法确定的防止氢致裂纹的工艺措施可能发生两种偏差,或是过于保守,或是还不够安全。
由于近20年钢铁制造技术的进步,以TMCP(控冷、控轧)技术生产的低合金高强度钢,在保证其具有良好强韧性的同时,可以较大幅度地降低碳及合金元素含量,从而降低了焊接氢致裂纹的敏感性。但是用TMCP技术只能生产薄板或中厚板,而核容器、加氢容器和船舰用厚大钢板还是需要通过调质处理才能获得良好的综合性能,这些钢仍然需要较高的碳当量,依然有较大的焊接氢致裂纹敏感性。因而防止这类钢的焊接氢致裂纹,提高这些产
收稿日期:2002-03-15
基金项目:国家科委攀登B计划预选项目;机械工业技术发展基金资助项目(95J A0406)品的质量,确保其制造与运行的安全,依然受到焊接界的严重关注。
近年来,随着电子计算技术的发展,各种用于非线性有限元计算的商用软件相继问世,使焊接中各物理场的模拟计算技术日趋成熟,探求用数值模拟技术预测焊接氢致裂纹成为焊接工作者面临的新课题。尽管焊接温度场,焊接应力 应变场,和氢的扩散与积聚可以计算,但不知道氢致裂纹启裂时的临界氢浓度,就无法模拟预测焊接氢致裂纹[1]。作者以AB AQUS为基础软件开发了焊接接头中氢扩散与积聚的计算模拟技术,与可以定量评定焊接氢致裂纹敏感性的插销试验法相结合,确定了氢致裂纹启裂时的临界局部氢浓度,建立了焊接氢致裂纹的定量判据,进而实现焊接氢致裂纹模拟预测。
1 建立焊接氢致裂纹定量判据
1.1 已有判据存在的问题
为了预测产品焊接时是否会产生氢致裂纹,为产品焊接选择能够防止氢致裂纹的焊接工艺,迄今已研究建立了各种焊接氢致裂纹判据。这些判据都是依据各种定性或定量的焊接氢致裂纹敏感性评定试验结果,经过统计、归纳总结出来的。
插销试验法是一种可以定量评定钢材焊接氢致裂纹敏感性的方法,这种方法于上个世纪70、80年代在世界各国获得广泛应用。许多焊接工作者也曾致力于将插销试验的结果用于指导焊接生产,为产品的焊接提出可以防止焊接氢致裂纹的工艺,并提出各种判据,如Hart[2]等人提出用插销试验的临界
第23卷 第5期2002年10月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTION
Vol.23 No.5
October 2002
断裂应力与钢材的屈服强度之比
cr
S
1的判据。作者也曾提出采用合理缺口深度的插销试件,在一定的焊接工艺条件下,当插销临界断裂应力 cr 接近等于插销试件焊接后,氢从插销试件充分逸出后插
销试件的缺口断裂应力 NT ,即 N T - cr
N T
=D 0的
判据[3]
。生产实践证实,前一种判据只能适用于低拘束的焊接结构,而后一种判据又过于苛刻。
焊接接头中的扩散氢是产生焊接氢致裂纹的重要原因。在其它条件一定的情况下焊接接头中的扩散氢浓度越高,产生氢致裂纹的可能性越大。而现有可行的测定焊缝区氢浓度的方法,只能确定焊接时可能进入焊缝金属中的扩散氢浓度。一些焊接工作者,在认定了焊接氢致裂纹一般产生在100 以下的这一规律后,研究建立了焊接接头冷却至100 时(t 100)接头中残留扩散氢[H]R 的计算方程[3]
,并建立了插销临界断裂应力与[H ]R 的相关性
[4,5]。但是,这些相关性也难于直接用于指导焊接
生产。总之,由于定性或定量试验方法的各种焊接物理场与实际焊接结构的焊接物理场有显著的差异,因而用这些判据所确定的用以防止氢致裂纹焊接工艺,或是过于保守,或是尚不够安全。1.2 新型判据的建立
焊接氢致裂纹是金属氢损伤在焊接中的一种表征。它的产生与焊接接头中的组织、应力和氢的浓度有关。氢致裂纹是一种局部现象,它的产生自然与局部的氢浓度有关。由于氢是原子量最轻、原子半径最小的元素,即使在室温下它在金属的晶格间的活动性也极强。迄今尚没有可行的技术,测定焊接氢致裂纹开裂时启裂处的局部氢浓度,即无法确定焊接氢致裂纹开裂的临界局部氢浓度,无法确定焊接氢致裂纹的定量判据,因而无法进行焊接氢致裂纹的数值模拟预测
[1]
。
选用ABAQUS 大型有限元分析软件作为基础软
件,详细分析了焊接接头中各种物理、化学因素对焊接时氢扩散与积聚的影响,充分考虑了焊接接头中的组织、成分的非均质性及焊接温度场,应力场,应变场对氢扩散与积聚的影响,实现了焊接瞬态温度场-应力场-应变场与焊接非均质氢活度场的顺序耦合,开发了焊接接头中氢扩散与积聚模拟计算技术
[6,7]
。图1是焊接接头中氢扩散与积聚计算流程。
应用上述技术,结合插销冷裂纹试验结果,计算模拟典型钢种在临界断裂条件下氢致裂纹启裂处,
即插销试件缺口前沿处的临界局部氢浓度和该处的
图1 焊接接头中氢扩散与积聚计算流程Fig .1 Flow chart of algorithm for hydrogen
diffusion and accumulation
临界局部应力,从而建立焊接氢致裂纹的定量判据。图2和图3为20MnNi M o 钢当其热影响区过热区(CGHAZ)组织分别为100%M(马氏体)和90%M 加10%B(贝氏体)组织时焊接氢致裂纹的定量判据曲线图。同样道理,可以建立C GHAZ 组织为80%M 加20%B,50%M 加50%B 等条件下的定量判据曲线图,进而建立以CGHAZ 为第三坐标轴的定量判据曲面图。由篇幅所限,文中仅列
出
图2 20MnNiM o 钢热影响区过热区组织为
100%M 时氢致裂纹定量判据
Fig .2 Criterion of hydrogen induced cracking for
steel 20MnNiMo with 100%M in CGHAZ
2
焊 接 学 报第23卷
图3 20MnNiMo 钢热影响区过热区组织为90%M +10%B 时氢致裂纹定量判据Fig .3 Criterion of hydrogen induced cracking for steel 20MnNiMo with 90%M +10%B in CGHAZ
20MnNiMo 钢C GHAZ 组织为100%M 和90%M +10%B 时氢致裂纹定量判据曲线图,以说明判据的意义及用法。
2 焊接氢致裂纹模拟预测与验证
2.1 焊接氢致裂纹模拟预测
采用新开发的焊接接头中氢扩散与积聚模拟计算技术,分别模拟计算了室温不预热和预热200 条件下20MnNi M o 钢刚性对接接头三维温度场、应力 应变场,并进一步与非均质的焊接氢活度场耦合
计算焊接接头的氢扩散与积聚。刚性对接接头的焊接条件见表1,刚性对接接头的有限元网格划分见图4。室温和预热200 条件下焊接的两组刚性对接接头最大横向应力集中处各物理场计算结果见表2。室温条件下刚性对接接头的横向焊接残余应力见图5。从图5可以看出在焊趾和焊根处有明显的应力集中,而最大横向应力位于焊道尾部焊根附近的热影响区之内。从表2可以看出,室温条件下焊接,刚性对接接头中最大横向应力为1890MPa,相应的局部
表1 刚性对接接头焊接条件
Table 1 Welding conditions of rigid restraint butt joint
Preheating temperature
T Electrode type and baking c ondition Diffus ible hydrogen 10-6
Welding current
I A Arc voltage U V Weldi ng speed v (mm s -1)
15200
BL-96(E9016-G) 4.0mm 350 1h
3.48
160
24
2.5
图4 刚性对接接头有限元网格
Fig .4 Finite element mesh o f rig id restrainted butt
joint
图5 未预热刚性对接接头中的横向焊接残余应力
Fig .5 Welding residual stress in rigid restrained butt joint without preheating
氢浓度为9.92 10
-4
%;而预热200 条件下焊
表2 刚性对接接头最大横向应力集中
处各物理场计算结果
Table 2 C alculating results of physic field in close v icinity to maxim um transverse residual stress in rig id restraint butt joint
Preheating temperature
Maxi mum
transverse residue stres s S11max MPa
t 8 3t s
t 100t s
Di ffusible hydrogen 10-61518907.7449.92200
1490
30
4700
5.34
接,最大横向应力为1490MPa,也位于焊道尾部焊
根附近的热影响区之内,相应的局部氢浓度为5.34 10-4
%。根据20MnNi M o 钢焊接CC T 图
[8]
测定
结果,t 8 3=7.7s 时20MnNiMo 钢CGHAZ 的组织为100%M,t 8 3=30s 时20MnNi M o 钢CGHAZ 的组织为90%M+10%B 。将室温不预热条件下焊接的刚性对接接头中,最大横向应力为1890MPa 及相应的局部氢浓度9.92 10-4
%的点标注在图2,即20Mn -3
第5期谭长瑛,等:焊接氢致裂纹的模拟与预测
Ni M o 钢热影响区过热区组织为100%M 时氢致裂纹定量判据图上,可以看出该点位于开裂区,可以预测不预热条件下焊接的刚性对接接头将产生焊接氢致裂纹。将预热200 条件下焊接的刚性对接接头中最大横向应力为1490MPa 及相应的局部氢浓度5.34 10-4
%的点标注在图3,即20MnNiMo 钢热影响区过热区组织为90%M+10%B 时氢致裂纹定量判据图上,可以预测预热200 条件下焊接的刚性对接接头将不会产生氢致裂纹。
2.2 验证预测结果
为检验模拟预测的可靠性,用表1中的焊接条件,实际焊接两组刚性对接接头。不预热条件下焊接的刚性对接接头焊后3h 开裂,图6为磁粉探伤结果。表3列出焊接48h 后切片检查结果。从图6及表3不难看出,实际焊接结果与模拟预测一致,即不预热条件下焊接的刚性对接接头产生了氢致裂纹,而预热200 条件下焊接的刚性对接接头没有
发现裂纹。
图6 未预热的刚性对接接头焊后开裂Fig .6 Cracking in rigid restraint butt joint w ithout preheating
表3 刚性对接接头焊后48h 剖面检查结果
Table 3 Inspection results of the cross section for rigid restrained butt joint
at 48h after welding
Preheati ng temperature T
Rate of s urface cracking(%)
Rate of secti on cracking(%)
151********
3 结 论
(1)焊接氢致裂纹的产生与焊接接头中局部扩散氢浓度有关,通过数值模拟与物理模拟相结合的方法,确定了焊接接头在临界氢致开裂条件下启裂处临界局部氢浓度,为焊接氢致裂纹的模拟预测建立了定量判据。
(2)用新开发的焊接接头氢扩散与积聚模拟计算技术和新建立的焊接氢致裂纹定量判据实现了焊接氢致裂纹的模拟预测,并获得验证。
(3)该项技术将根本改变由于小型定性或定量裂纹试验法的各种焊接物理场与实际焊接产品的焊接物理场的差异,而导致依据小型定性或定量裂纹试验的结果确定的防止焊接氢致裂纹焊接工艺,或过于苛刻,或不够安全的弊病。参考文献:
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作者简介:
谭长瑛,女,1937年出生,研究员级高级工程师。负责
主持低合金高强钢焊接性及重大产品焊接工艺优化研究工作20余年,获国家及省部级科技进步奖10余项,发表论文40余篇。
Email :
Lahsw2000@https://www.wendangku.net/doc/ff13430684.html,
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焊 接 学 报第23卷
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MAIN TOPICS,ABSTRACTS&KEY WORDS
Mathematical Modeling and Prediction of Welding Hydrogen-Induced Cradck TAN Chang-ying(Harbi n Welding Institate,Harbin150080,Ch-i na),Z HANG Xi an-hui,Chen Pe-i yi n,Jiao wei.p1~4
Abs tract:The atom of hydrogen is the lightest and s mallest one among ele ments,it is movable easily.withi n crystal lattice of metal even at roo m te m-perature.Welding hydrogen-i nduced crack(HIC)is a kind of hydrogen dam-age of metal duri ng weldi ng of high s trength l ow alloy s teel.Its occurrence is related to micro s truc ture,residual stres s and local hydrogen concentration in weldment.Up to now,unfortunately,there is no way to check the critical local hydrogen concentration i n the vicini ty of the ini tiation of HIC.In this paper the mathematical modeling method co mbi ned with quantitative implant cold cracking tes ting is developed to determine the l ocal cri tical hydrogen concen-tration based on the local critical stress i n the vicinity of the i nitiati on area of HIC,therefore the criteri on for HIC i s established.According to the criterion the mathematical modeling and prediction of welding HIC are reali zed.The experiment s hows that the modeling and prediction of weldi ng HIC are feas-i ble.
K ey words:Welding hydrogen-i nduced crack;implant col d c racking tes ti ng;cri teri on;modelling and predicti on
Study on of Phase Trans formation Temperatu res of T iNi Shape Memory Alloys Welded Joints by Precis e Pulse Resistance Butt-Welding ZHAO X-i hua(Jinlin Uni versity,Changchun130025,China),HAN L-i jun, Zhao Lei.p5~8
Abs tract:This paper studies the effects of weldi ng heat,welding press, subsequent heat treat ment and coo-l heat recycles on the phase transformation te mperature of the TiNi s hape memory alloys welded joints by using differen-tial s canning calori metry(D SC)and X-ray diffrac tion.It can be conduded that.both w elding heat and welding press has no great effect on the phase trans formati on temperatures,and the range between A s and A f varies little with changed welding heat and press;subsequent heat treatment has a certain ef-fec t on it and the values of A s and A f raise with heat treatment time in creas-ing;while coo-l heat recycles have a great effect on phase transformation te m-perature and i ts process.As a result,it is necessary to carry out heat cycles process after welding.
K ey words:Ti Ni shape memory all oy;wel ding parameter;phase trans-formation temperature;R-phase
Influences of Current Flu ctuation on Properties of H VAS Coatin g ZHANG Jia-ying(The Ins ti tute of Armored Force Engineeri ng,Beijing 100072,Chi na)ZHU Shao-hua,Ma Sh-i ni ng,Xu Bin-s hi.p9~11 Abstract:The voltage and the c urrent are the two main parame ters in hi gh veloci ty arc spray(HVAS)system.The fluctuation of current is larger than that of voltage in arc spray proces s.So the fluc tuati on of c urrent is of im-portance to the quality of coatings and the stability of arc s pray proces s.In this paper,the influences of the current fluctuation to the porosity,hardness and abrasi venes s of c oatings are studi ed under the condition of the other pa-rameters keepi ng constant.The fluctuation of current can induce the reducti on in hardness and abrasi venes s of coating,and the i ncrease in porosity of coat-ings.So the properties of coating w i ll be worse.The reason is that the larger fluctuation of c urrent caus es the larger nonuniformity i n the size,temperature and dis tribution of spraying particles.
Key words:arc s pray,fluc tuati on of current,properties of coating
High Temperatu re M icros tructu re and Property of WC Ceram ic Layer on Su rface of Roll Forging Die by Powder Feeding Laser Cladding Z HAO Hong-yun(Department of Materials Engineering,Changchun Uni versity of Technology,Changchun150012,China),LIU X-i mi ng,LIAN Jian-s he, FA N We-i guang,CUI Xiao-peng,WANG Yao-min.p12~14
Abstract:Microstructure and hardness of sel-f s mel ting Co-base alloy w i thout WC,sel-f s melting N-i base alloy plus WC and sel-f s mel ting Co-base alloy plus WC po wder feeding laser cladding l ayers at different te mperatures were studied experimentall y.The resul ts sho w that microstrudues and proper-ties of the three layers significantly differ in structure and property under the sa me laser process ing parameters.For the N-i base all oy,its hardness decreas-es markedl y at700 wi th an obvi ous s truc tural change;for the Co-base a-l loys,the changes s tarts onl y at700 ,and extent of the change with te mpera-tures are s maller.Also,it has been proved that no prodi gious change i n the hardnes s of WC can be observed w i th the rise of temperature.
Key words:laser cladding layer;hi gh temperature micros tructure;hi gh temperature hardness
FE M Analysis of Beam-to-Colu mn Welded Connection Under the S imu-lating Earthqu ake Cyclic Load LI J ie(Colle ge of Materials Science and Engineering,Tianjin Uni versity,Tianjin300072,China),Zhang Yu-feng, HUO L-i xing,WANG Dong-po.p15~18
Abstract:In order to study the elas to plas tic res ponse of the beam-to-column wel ded connection under the seismic load and i mprove the earthquake-res istant performance of welded joint,the non-linear FEM anal ysis of H and Dog Bone Type of welded connection under the si mulati ng seis mic c yclic
2002,Vol.23,No.5 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTION
焊缝裂纹的原因
有时候我发现焊道会有裂纹，这是怎么产生的， 如何解决这问题？ 裂纹焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。 A、.裂纹的分类 根据裂纹尺寸大小,分为三类:(1)宏观裂纹:肉眼可见的裂纹。(2)微观裂纹:在显微镜下才能发现。(3)超显微裂纹:在高倍数显微镜下才能发现,一般指晶间裂纹和晶内裂纹。 从产生温度上看,裂纹分为两类: (1)热裂纹:产生于Ac3线附近的裂纹。一般是焊接完毕即出现,又称结晶裂纹。这种二裂纹主要发生在晶界,裂纹面上有氧化色彩,失去金属光泽。 (2)冷裂纹:指在焊毕冷至马氏体转变温度M3点以下产生的裂纹,一般是在焊后一段时间(几小时,几天甚至更长)才出现,故又称延迟裂纹。 按裂纹产生的原因分,又可把裂纹分为: (1)再热裂纹:接头冷却后再加热至500~700℃时产生的裂纹。再热裂纹产生于沉淀强化的材料(如含Cr、Mo、V、Ti、Nb的金属)的焊接热影响区内的粗晶区,一般从熔合线向热影响区的粗晶区发展,呈晶间开裂特征。 （2）层状撕裂主要是由于钢材在轧制过程中,将硫化物(MnS)、硅酸盐类等杂质夹在其中,形成各向异性。在焊接应力或外拘束应力的使用下,金属沿轧制方向的杂物开裂。 (3)应力腐蚀裂纹:在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹。除残余应力或拘束应力的因素外,应力腐蚀裂纹主要与焊缝组织组成及形态有关。 B、.裂纹的危害裂纹,尤其是冷裂纹,带来的危害是灾难性的。世界上的压力容器事故除极少数是由于设计不合理,选材不当的原因引起的以外,绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。 C、.热裂纹(结晶裂纹) (1)结晶裂纹的形成机理热裂纹发生于焊缝金属凝固末期,敏感温度区大致在固相线附近的高温区,最常见的热裂纹是结晶裂纹,其生成原因是在焊缝金属凝固过程中,结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界,形成所谓"液态薄膜",在特定的敏感温度区(又称脆性温度区)间,其强度极小,由于焊缝凝固收缩而受到拉应力,最终开裂形成裂纹。结晶裂纹最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,为纵向裂纹,有时也发生在焊缝内部两个柱状晶之间,为横向裂纹。弧坑裂纹是另一种形态的,常见的热裂纹。 3 焊接缺陷及对策 热裂纹都是沿晶界开裂,通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料气焊缝中 (2)影响结晶裂纹的因素 a合金元素和杂质的影响碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加,会扩大敏感温度区,使结晶裂纹的产生机会增多。 b.冷却速度的影响冷却速度增大,一是使结晶偏析加重,二是使结晶温度区间增大,两者都会增加结晶裂纹的出现机会； c.结晶应力与拘束应力的影响在脆性温度区内,金属的强度极低,焊接应力又使这飞部分金属受拉,当拉应力达到一定程度时,就会出现结晶裂纹。
各种焊接裂纹成因特点及防止措施这条必须收藏了
各种焊接裂纹成因特点及防止措施，这条必须收藏了 焊接裂纹就其本质来分，可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。下面仅就各种裂纹的成因、特点和防治办法进行具体的阐述。1.热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同（低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等），产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。目前，把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。（1）结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S，P，C，Si骗高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊逢中。这种裂纹是在焊逢结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足，不能及时添充，在应力作用下发生沿晶开裂。防治措施为：在冶金因素方面，适当调整焊逢金属成分，缩短脆性温度区的范围控制焊逢中硫、磷、碳等有害杂质的含量；细化焊逢金属一次晶粒，即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素；在工艺方面，可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头拘束度等方面来防治。（2）近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小，发生于HAZ近缝区或层间。它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成
物被重新熔化，在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。这一种裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面，尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的；在工艺方面，可以减小线能量，减小熔池熔合线的凹度。（3）多边化裂纹是在形成多边化的过程中，由于高温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见，其防治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。2.再热裂纹通常发生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金（包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金，以及某些奥氏体不锈钢），他们焊后并未发现裂纹，而是在热处理过程中产生了裂纹。再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位，其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。防治再热裂纹从选材方面，可以选用细晶粒钢。在工艺方面，选用较小的线能量，选用较高的预热温度并配合以后热措施，选用低匹配的焊接材料，避免应力集中。3.冷裂纹主要发生在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也发生在焊缝中。一般情况下，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。焊后形成的马氏体组织在氢元素的作用下，配合以拉应力，便形成了冷裂纹。他的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分
焊接缺陷分类及预防措施
一、焊接缺陷的分类 焊接缺陷可分为外部缺陷和内部缺陷两种 1．外部缺陷 1）外观形状和尺寸不符合要求； 2）表面裂纹； 3）表面气孔； 4）咬边； 5）凹陷； 6）满溢； 7）焊瘤； 8）弧坑； 9）电弧擦伤； 10）明冷缩孔； 11）烧穿； 12）过烧。 2．内部缺陷 1）焊接裂纹：ａ.冷裂纹；ｂ.层状撕裂；ｃ.热裂纹；ｄ.再热裂纹。 2）气孔； 3）夹渣； 4）未焊透； 5）未熔合； 6）夹钨； 7）夹珠。 二、各种焊接缺陷产生原因、危害及防止措施 1、外表面形状和尺寸不符合要求 表现：外表面形状高低不平，焊缝成形不良，焊波粗劣，焊缝宽度不均匀，焊缝余高过高或过低，角焊缝焊脚单边或下凹过大，母材错边，接头的变形和翘曲超过了产品的允许范围等。 危害：焊缝成形不美观，影响到焊材与母材的结合，削弱焊接接头的强度性能，使接头的应力产生偏向和不均匀分布，造成应力集中，影响焊接结构的安全使用。
产生原因：焊件坡口角度不对，装配间隙不匀，点固焊时未对正，焊接电流过大或过小，运条速度过快或过慢，焊条的角度选择不合适或改变不当，埋弧焊焊接工艺选择不正确等。 防止措施：选择合适的坡口角度，按标准要求点焊组装焊件，并保持间隙均匀，编制合理的焊接工艺流程，控制变形和翘曲，正确选用焊接电流，合适地掌握焊接速度，采用恰当的运条手法和角度，随时注意适应焊件的坡口变化，以保证焊缝外观成形均匀一致。 2、焊接裂纹 表现：在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏形成的新界面所产生的缝隙，具有尖锐的缺口和大小的长宽比特征。按形态可分为：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹、热影响区再热裂纹等。 危害：裂纹是所有的焊接缺陷里危害最严重的一种。它的存在是导致焊接结构失效的最直接的因素，特别是在锅炉压力容器的焊接接头中，因为它的存在可能导致一场场灾难性的事故的发生，裂纹最大的一个特征是具有扩展性，在一定的工作条件下会不断的“生长”，直至断裂。 产生原因及防止措施： （1）冷裂纹：是焊接头冷却到较低温度下（对于钢来说是Ms温度以下）时产生的焊接裂纹，冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带，裂纹有时沿晶界扩展，也有时穿晶扩展。这是由于焊接接头的金相组织和应力状态及氢的含量决定的。(如焊层下冷裂纹、焊趾冷裂纹、焊根冷裂纹等)。 产生机理：钢产生冷裂纹的倾向主要决定于钢的淬硬倾向，焊接接头的含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态。 产生原因： a.钢种原淬硬倾向主要取决于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。 b.氢的作用，氢是引起超高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并且有延迟的特征。高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越强。 c.焊接接头的应力状态：高强度钢焊接时产生延迟裂纹的倾向不仅取决于钢的淬硬倾向和氢的作用，还决定于焊接接头的应力状态。焊接时主要存在的应力有：不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力、金属相变时产生的组织应力、结构自身拘束条件等。
焊接裂纹的分析与处理
焊接裂纹的分析与处理 我们在厂修车体、车架、转向架构架时经常会遇到焊缝或母材的裂纹。我们已经讲过裂纹的判断，判断出裂纹以后就需要对裂纹进行处理。如果我们在处理之前对裂纹没有一个准确的分析，就不可能制定出最佳的处理方案。因此必须要对裂纹进行认真的分折。 根据焊接生产中采用的钢材和结构类型不同，可能遇到各种裂纹，裂纹多产生在焊缝上，如焊缝上的纵向裂，焊缝上的横向裂。也可以产生在焊缝两侧的热影响区，焊缝热影响区的纵向裂，焊接影响的横向裂纹，焊接热影响区的焊缝贯穿裂纹，有时产生在金属表面，有时产生在金属内部，如焊缝根部裂、焊趾裂，有的裂纹用肉眼可以看到，有的则必须借助显微镜才能发现，有的裂纹焊后立即出现，有的则是放置或运行一段时间之后才出现。 1.焊缝裂纹的分类 根据裂纹的本质和特征，可分为五种类型：即热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹。 1.1热裂纹 热裂纹是在高温情况下产生的，而且是沿奥氏体晶界开裂，就目前的理解，把裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹三类。（1）结晶裂纹—结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，即处于焊缝金属的凝固末期固液共存阶段，由于凝固金属收缩时残存液相不足，致使沿晶开裂，故称结晶裂
纹，由于这种裂纹是在焊缝金属凝固过程中产生的，所以也称为凝固裂纹。 结晶裂纹的特征：存在的部位主要在焊缝上，也有少量的在热影响区，最常见的是沿焊缝中心长度方向上开裂，即纵向裂，断口有较明显的氧化色，表面无光泽，也是结晶裂纹在高温下形成的一个特征。（2）液化裂纹—焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属以及母材近缝区金属中，由于晶间层金属被重新熔化，在一定的收缩应力的作用下，沿奥氏体晶界产生的开裂，称为“液化裂纹”也称“热撕裂”。 液化裂的特征： ①易产生在母材近缝区中紧靠熔合线的地方（部分溶化区），或多层焊缝的层间金属中。 ②裂纹的走向，在母材近缝区中，裂纹沿过热奥氏体晶间发展；在多层焊缝金属中，裂纹沿原始柱状晶界发展，裂纹的扩展方向，视应力的最大方向而定，可以是横向或纵向；并在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。 从被焊的材料上看，液化裂纹主要发生在含有铬、镍的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金等材料中。 （3）多边化裂纹--焊接时，焊缝或近缝区在固相线以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)和严重的物理及化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的
焊接横向裂纹产生的原因及控制
焊接横向裂纹产生的原因及控制 焊接横向裂纹产生原因主要有以下几个方面： 1、应力作用。即钢管成型后的残余应力和焊接应力。 2、焊接工艺不合理。如焊缝成形系数过小、预热温度不够或未进行焊前预热、焊接线能量过大、焊接后热处理不当、保温时间太短等。 3、由于氢的存在。如焊剂烘干不够，预热温度不充分或未进行焊前预热、以及多层焊的层间温度不够。 4、冶金因素。焊接过程中有低熔点杂质进入，如铜及铜合金。铜的来源主要有焊丝表面所镀的用于防止焊丝锈蚀的铜，或者导电嘴、铜合金导电杆内壁被磨损产生的铜。这些铜屑从导电嘴内孔进入焊剂，在焊接过程中接触焊接熔池导致横向裂纹。 控制措施： 1、焊管成型。为了合理控制残余应力，不仅需要采用针对性的设备和工艺，还需要在钢管成型前进行必要的成型工艺评定，对成型的设备、材料、产品的规格、预弯的程度、成型的速度、成型的压力、参数等进行试验和评定，合格后方进行焊管成型。 2、焊前预热。要根据具体的材质、具体的工作环境确定预热及层间温度。 3、焊接工艺。 1）埋弧焊时，为了减少焊接热输入，不建议采用多丝焊，建议尽量采用单丝多道焊，焊道平行排列，且每条焊道的宽度控制在15min以内；层间温度控制在110-250℃。 2）严格控制焊道宽度 焊道越宽，产生横裂的可能性越大。焊接时，要尽量地采用窄焊道，多分道，减少焊道宽度，减少热输入。 4、焊接材料 1）焊丝。选择低强度的焊丝，这样可以适当降低焊缝的碳当量，提高焊缝的塑性，有助于减少焊接裂纹的产生。同时注意使用不镀铜的焊丝，防止铜或铜合金进入焊缝熔池。另外需要注意防潮和防生锈。 2）焊剂。焊剂在使用前必须按照焊剂厂家推荐的烘干工艺烘干，烘干后在烘箱内进行保温，不可烘干后就倒出来，防止受潮。及时对使用中的焊剂进行磁选，磁选后放进保温桶中储存，防止在空气中受潮。及时更换焊剂，防止流落到焊剂内的铜及铜合金交换污染。 3）焊后保温、缓冷。春秋两季，焊接好后可以在室温下直接暴露在空气中缓冷。春冬两季，焊接好以后可以在室温下用保温棉把焊缝两面覆盖，在空气中缓冷。 4) 消氢处理。具体做法：焊接完成后立即用陶瓷电热毯对焊缝及其附近区域加热至200℃，保温2h后关电缓冷。
焊接的六大缺陷,产生原因、危害
焊接的六大缺陷，产生原因、危害、预防措施都在这了 一、外观缺陷 外观缺陷（表面缺陷）是指不用借助于仪器，从工件表面可以发现的缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等,有时还有表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透等。 A、咬边 是指沿着焊趾，在母材部分形成的凹陷或沟槽，它是由于电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充所留下的缺口。 产生咬边的主要原因：是电弧热量太高,即电流太大,运条速度太小所造成的。焊条与工件间角度不正确，摆动不合理，电弧过长，焊接次序不合理等都会造成咬边。直流焊时电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因。某些焊接位置(立、横、仰)会加剧咬边。咬边减小了母材的有效截面积，降低结构的承载能力，同时还会造成应力集中，发展为裂纹源。 咬边的预防：矫正操作姿势，选用合理的规范，采用良好的运条方式都会有利于消除咬边。焊角焊缝时，用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬边。 B、焊瘤 焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出，冷却后形成的未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。焊接规范过强、焊条熔化过快、焊条质量欠佳(如偏芯)，焊接电源特性不稳定及操作姿势不当等都容易带来焊瘤。在横、立、仰位置更易形成焊瘤。 焊瘤常伴有未熔合、夹渣缺陷,易导致裂纹。同时，焊瘤改变了焊缝的实际尺寸，会带来应力集中。管子内部的焊瘤减小了它的内径，可能造成流动物堵塞。 防止焊瘤的措施：使焊缝处于平焊位置，正确选用规范，选用无偏芯焊条，合理操作。C、凹坑
凹坑指焊缝表面或背面局部的低于母材的部分。 凹坑多是由于收弧时焊条(焊丝)未作短时间停留造成的(此时的凹坑称为弧坑)，仰立、横焊时，常在焊缝背面根部产生内凹。凹坑减小了焊缝的有效截面积,弧坑常带有弧坑裂纹和弧坑缩孔。 防止凹坑的措施：选用有电流衰减系统的焊机，尽量选用平焊位置,选用合适的焊接规范，收弧时让焊条在熔池内短时间停留或环形摆动，填满弧坑。 D、未焊满 未焊满是指焊缝表面上连续的或断续的沟槽。填充金属不足是产生未焊满的根本原因。规范太弱,焊条过细，运条不当等会导致未焊满。 未焊满同样削弱了焊缝，容易产生应力集中，同时，由于规范太弱使冷却速度增大，容易带来气孔、裂纹等。 防止未焊满的措施：加大焊接电流，加焊盖面焊缝。 E、烧穿 烧穿是指焊接过程中，熔深超过工件厚度，熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔性缺。 焊接电流过大，速度太慢，电弧在焊缝处停留过久，都会产生烧穿缺陷。工件间隙太大，钝边太小也容易出现烧穿现象。 烧穿是锅炉压力容器产品上不允许存在的缺陷，它完全破坏了焊缝，使接头丧失其联接飞及承载能力。 防治措施：选用较小电流并配合合适的焊接速度，减小装配间隙，在焊缝背面加设垫板或药垫，使用脉冲焊，能有效地防止烧穿。 F、其他表面缺陷 (1)成形不良指焊缝的外观几何尺寸不符合要求。有焊缝超高,表面不光滑,以及焊缝过宽,焊缝向母材过渡不圆滑等。 (2)错边指两个工件在厚度方向上错开一定位置,它既可视作焊缝表面缺陷,又可视作装配成形缺陷。 (3)塌陷单面焊时由于输入热量过大,熔化金属过多而使液态金属向焊缝背面塌落, 成形后焊缝背面突起,正面下塌。 (4)表面气孔及弧坑缩孔。 (5)各种焊接变形如角变形、扭曲、波浪变形等都属于焊接缺陷O角变形也属于装配成形缺陷。 二、气孔和夹渣
钢结构焊接裂纹的原因及防治措施
钢结构焊接裂纹的原因 及防治措施 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
钢结构焊接裂纹的原因及防治措施本文基于焊接产生裂纹的理论知识,通过实践经验，对钢结构裂纹产生的内外在原因进行了深入分析。 焊接裂纹是钢结构在制造过程出现的危害最严重的缺陷,我公司主要承担为安阳钢铁备件制造、安装及系统检修,在钢结构的制造过程中,有时焊缝会出现焊接裂纹,给工程施工带来一定的影响,具体表现在:裂纹能引起严重的应力集中,降低焊接接头的承载能力,任其发展的话最终会导致焊接结构的破坏,降低工程质量,缩短结构寿命,严重时可能造成安全事故,间接延误工期并增加施工成本,影响公司的形象,所以说裂纹在钢结构的制造过程中一经发现必须彻底清除,进行修补,确保产品质量.以下对钢结构制造过程中裂纹产生的原因及其防治措施进行分析。 1.内在原因分析及相应的预防措施 一般焊接裂纹按其产生的温度和时间分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。 1.1.热裂纹 热裂纹是指在焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹,故又称为高温裂纹.其产生的原因是由于焊接熔池在结
晶过程中存在偏析现象,偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质.它们在结 晶过程中以液态间层形式存在,凝固以后的强度也较低,当焊接应力足够 大时就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹.此外如果母材的晶界上也存在低熔点共晶和杂质,则在加热温度超过其熔点的热影响区,这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层,在一定条件下,焊接应力足够大时也会被拉开形成所谓热影响区液化裂纹.总之,热裂纹的产生是冶 金因素和力学因素共同作用的结果.热裂纹特征是:多贯穿在焊缝表面,且断口被氧化成氧化色.它主要的表现形式:纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹及热影响区裂纹.针对其产生的原因采取以下预防措施:a) 限制钢材和焊材中的硫、磷元素的质量分数.b)改善熔池金属的一次结晶,细化晶粒提高焊缝金属的抗裂性:广泛采用的方法是向焊缝金属中加入细化晶粒的元素.c)控制焊接工艺参数,适当提高焊缝成型系数:可采用多层多道焊法,避免中心线偏析,可防止中心线裂纹。 1.2.冷裂纹 冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹.它与热裂纹不同, 是在焊后较低温度下产生的,可以焊后立即出现,有时要经过一段时间才 能出现,这种拖后一段时间才能出现的裂纹也称为延迟裂纹.冷裂纹主要 发生在中碳钢、高碳钢、低合金钢或中合金钢中,产生的原因主要有三个因素:1)钢的淬硬倾向大;2)焊接接头受到的拘束应力;3)较多的扩散氢的存在和浓集.这三个条件同时存在时,就容易产生冷裂纹.在许多情况下,
复合板焊接裂纹分析及防治1
复合板焊接裂纹分析及防治 前言： 随着压力容器行业标准及复合钢板锻造技术的日渐完善，越来越多的设计部门选用复合板做为压力容器的主体材料，14年本公司承制了一台主体材料 (S32168+Q245R)，厚度（14+3）、（16+3）、（18+3）、（26+3）、（32+3），DN2600`2200`1800的大型变径压力容器。本公司根据合格的焊接工艺评定指导生产，但实际生产中一次拍片合格率为仅75%，主要缺陷为筒体环焊缝近不锈钢侧表面裂纹，经过分析及现场观察，提出相应措施，解决了复合板裂纹问题，一次拍片率合格率达到95%。一（S32168+Q245R）复合板焊接性分析 此复合板为奥氏体系复合板，焊接性良好，焊接时，覆层和基层分开各自进行焊接，焊接中的主要问题在于基层与覆层交接处的过渡层焊接，过渡层的焊接性与异种钢对接接头焊接性相同，但又有本质区别，复合板过渡层焊接，实质是一个堆焊过程，堆焊焊道可简单的理解为对接接头的熔合区和热影响区，堆焊更能反应熔合区及热影响区的薄弱，过渡层焊接时主要存在以下几个问题： 1结晶裂纹 焊接金属在凝固结晶末期，在固相线Ts附近，因晶间残存液膜使塑性下降所造成的热裂纹，影响因素主要有： 1）碳的影响：焊接奥氏体复合钢板时，由于基础碳钢板的含碳量高于覆层，焊接时覆层受基础稀释作用，使焊缝中奥氏体形成元素减少，含碳量增加，碳在钢中是影响结晶裂纹的主要因素，并能加剧S/P及其他元素的有害作用。 2）S/P元素的影响：奥氏体钢结晶温度区间很大，熔池结晶时在晶界上形成 S/P/Si等低熔点共晶，在结晶过程中形成液态薄膜，这种液态薄膜在复合板焊接时产生的拉伸应力作用下易产生裂纹。 3）结晶引领相的影响：
铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理分析
虽然已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但实际焊接生产中并不是没有困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”等。由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如Al 2 O3的熔点为2050℃，MgO熔点为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属中夹杂物。同时，氧化膜（特别是有MgO存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收较多水分而常常成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。这些也都是焊接生产中颇感困难的问题。下面，对在试验过程中产生比较严重的裂纹进行深入的分析。 1铝合金焊接接头中的裂纹及其特征 在铝合金焊接过程中，由于材料的种类、性质和焊接结构的不同，焊接接头中可以出现各种裂纹，裂纹的形态和分布特征都很复杂，根据其产生的部位可分为以下两种裂纹形式：（1）焊缝金属中的裂纹：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹（尤其在多层焊时）。 （2）热影响区的裂纹：焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时高温下产生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。 在试验过程中发现，当填充材料表面清理不够充分时，焊接后焊缝中仍存在较多的夹杂和少量的气孔。在三组号试验中，由于焊接填充材料为铸造组织，其中夹杂为高熔点物质，焊接后在焊缝中仍将存在；又，铸造组织比较稀疏，孔洞较多，易于吸附含结晶水的成分和油质，它们将成为焊接过程中产生气孔的因素。当焊缝在拉伸应力作用下时，这些夹杂和气孔往往成为诱发微裂纹的关键部位。通过显微镜进一步观察发现，这些夹杂和气孔诱发的微观裂纹之间有明显的相互交汇的趋势。然而，对于夹杂物在此的有害作用究竟是主要表现为应力集中源从而诱发裂纹，还是主要表现为脆性相从而诱发裂纹，尚难以判断。此外，一般认为，铝镁合金焊缝中的气孔不会对焊缝金属的拉伸强度产生重大影响，而本研究试验中却发现焊缝拉伸试样中同时存在着由夹杂和气孔诱发微裂纹的现象。气孔诱发微裂纹的现象是否只是一种居次要地位的伴生现象，还是引起焊缝拉伸强度大幅度下降的主要因素之一，亦还有待进一步的研究。 2热裂纹产生的过程 目前关于焊接热裂纹理论，国内外认为较完善的是普洛霍洛夫理论。概括地讲，该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下3方面：脆性温度区间的大小；在此温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。 通常人们将脆性温度区间的大小及在此温度区间内具有的延性值称为产生焊接热裂纹的冶金因素，而把脆性温度区内金属的变形率大小称为力学因素。焊接过程是一系列不平衡的工艺过程的综合，这种特征从本质上与焊接接头金属断裂的冶金因素和力学因素发生重要的联系，如焊接工艺过程与冶金过程的产物即物理的、化学的与组织上的不均匀性、熔渣与夹杂物、气体元素与处于过饱和浓度的空位等。所有这些，都是与裂纹的萌生与发展有密切联系的冶金因素。从力学因素方面看，焊接热循环特定的温度梯度与冷却速度，在一定的拘束条件下，将使焊接接头处于复杂的应力-应变状态，从而为裂纹的萌生与发展提供必要的条件。 在焊接过程中，冶金因素和力学因素的综合作用将归结为两个方面，即是强化金属联系还是弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性拘束条件下能够顺从地应变，焊缝与近缝区金属能够承受外加拘束应力与内在残余应力的作用时，裂纹就不容易产生，焊接接头的金属裂纹敏感性低，反之，当承受不住应力作用时，金属中强度联 铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理分析 谢辉 （广东省第二农机厂，广东广州512219） 摘要：近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大，但国产化的铝合金和铝合金焊接材料均还存在着一定的差距。对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产生机理进行了分析，提出了几点防范措施。 关键词：铝合金；焊接接头；裂纹；机理 —116—
焊接热裂纹的产生原因及防止方法
一、热裂纹产生的原因分析 1、焊缝中杂质和拉应力的存在 因为焊缝中的杂质在焊缝结晶过程中会形成低熔点结晶。原因是低熔点共晶物的存在.结晶时被推挤到晶界上，形成液态薄膜，凝固收缩时焊缝金属在拉应力作用下,液态薄膜承受不了拉应力而形成裂纹。热裂纹就轻易在焊缝金属中产生.所以要控制焊缝金属杂质的含量，减少低熔点共晶物的天生。同时由此可见结晶裂纹的产生是低熔点共晶体和焊接拉应力共同作用的结果，二者缺一不可。低熔点共晶体是产生结晶裂纹的内因，焊接拉应力是产生结晶裂纹的外因。 2、焊缝终端部位温度的变化 埋弧焊焊接时,当焊接热源靠近纵焊缝的终端部位时,焊缝端部正常的温度场将发生变化,越靠近终端其变化越大.由于引弧板的尺寸远比筒体小,其热容量也小得多,而熄弧板与筒体之间只靠定位焊连接,故可视为大部门不连续.所以终端焊缝部位的传热前提是很差的,致使该部位局部温度升高,熔池外形发生变化,熔深也将随之变大,同时熔池在高温下停留的时间也变长,熔池凝固的速度变慢,尤其当熄弧板尺寸过小、熄弧板与筒体之间的定位焊缝过短、过薄时更为明显. 焊缝外形对结晶裂纹的形成有显著的影响。熔宽与熔深比小易形成裂纹，熔宽与熔深比大抗结晶裂纹性较高。 3、焊接线能量的影响 因为埋弧焊所采用的焊接热输入量往往比其他焊接方法要大得多,焊接线能量的大小直接影响到焊缝的成形，而焊缝的成形外形又直接决定着焊缝凝固后的晶粒分布和低熔点共晶体的存在位置及受力情况，因而对结晶裂纹产生与否影响较大。另外,焊缝的横向收缩量远比间隙的张开量要小,使终端部位的横向拉伸力比其他焊接方法要大.这对开坡口的中厚板和不开坡口的较薄板尤为明显. 4、其他情况 如存在强制装配,装配质量不符合要求. 二、焊缝裂纹的性质及特点 终端裂纹形成的部位有时为终端,有时为距终端四周地区150mm范围内,有时为表面裂纹,有时为内部裂纹,而大多数情况是发生在终端四周的内部裂纹.裂纹与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有显著的锯齿外形。这些特征都是结晶裂纹的表现，除了结晶裂纹以外，其它类型的裂纹在低合金钢板自动埋弧焊时极为少见。在出产中我们发现低合金钢板自动埋弧焊结晶裂纹的产生有以下几个特点： 1、多泛起在第一遍焊接时。 2、厚度小于20mm的钢板的筒节纵缝的熄弧板处易产生结晶裂纹；而厚度大于20mm的低合金钢板在纵缝和环缝中都有可能无规律地泛起裂纹。 3、在钢板和焊剂的化学成分中碳及其它易产生热裂纹的有害合金成分偏上限或超过划定含量上限时易产生裂纹。 三、预防措施 从上述热裂纹产生原因分析可见,要克服埋弧焊热裂纹最主要的措施是: 1、减小焊接拉应力
常见的焊接缺陷及危害(DOC)
常见的焊接缺陷 （1）未焊透：母体金属接头处中间（X坡口）或根部（V、U坡口）的钝边未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。未焊透降低了焊接接头的机械强度，在未焊透的缺口和端部会形成应力集中点，在焊接件承受载荷时容易导致开裂。 （2）未熔合：固体金属与填充金属之间（焊道与母材之间），或者填充金属之间（多道焊时的焊道之间或焊层之间）局部未完全熔化结合，或者在点焊（电阻焊）时母材与母材之间未完全熔合在一起，有时也常伴有夹渣存在。 （3）气孔：在熔化焊接过程中，焊缝金属内的气体 或外界侵入的气体在熔池金属冷却凝固前未来得及逸出而残留在焊缝金属内部或表面形成的空穴或孔隙，视其形态可分为单个气孔、链状气孔、密集气孔（包括蜂窝状气孔）等，特别是在电弧焊中，由于冶金过程进行时间很短，熔池金属很快凝固，冶金过程中产生的气体、液态金属吸收的气体，或者焊条的焊剂受潮而在高温下分解产生气体，甚至是焊接环境中的湿度太大也会在高温下分解出气体等等，这些气体来不及析出时就会形成气孔缺陷。尽管气孔较之其它的缺陷其应力集中趋势没有那么大，但是它破坏了焊缝金属的致密性，减少了焊缝金属的有效截面积，从而导致焊缝的强度降低。 某钢板对接焊缝X射线照相底片 V型坡口，手工电弧焊，未焊透 某钢板对接焊缝X射线照相底片 V型坡口，手工电弧焊，密集气孔 （4）夹渣与夹杂物：熔化焊接时的冶金反应产物，例如非金属杂质（氧化物、硫化物等）以及熔渣，由于焊接时未能逸出，或者多道焊接时清渣不干净，以至残留在焊缝金属内，称为夹渣或夹杂物。视其形态
可分为点状和条状，其外形通常是不规则的，其位置可能在焊缝与母材交界处，也可能存在于焊缝内。另外，在采用钨极氩弧焊打底+手工电弧焊或者钨极氩弧焊时，钨极崩落的碎屑留在焊缝内则成为高密度夹杂物（俗称夹钨）。 W18Cr4V（高速工具钢）-45钢棒 对接电阻焊缝中的夹渣断口照片 钢板对接焊缝X射线照相底片 V型坡口，手工电弧焊，局部夹渣 钢板对接焊缝X射线照相底片 V型坡口，手工电弧焊，两侧线状夹渣 钢板对接焊缝X射线照相底片 V型坡口，钨极氩弧焊打底+手工电弧焊，夹钨 （5）裂纹：焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。 焊缝金属从熔化状态到冷却凝固的过程经过热膨胀与冷收缩变化，有较大的冷收缩应力存在，而且显微组织也有从高温到低温的相变过程而产生组织应力，更加上母材非焊接部位处于冷固态状况，与焊接部位存在很大的温差，从而产生热应力等等，这些应力的共同作用一旦超过了材料的屈服极限，材料将发生塑性
焊接裂纹形成的原因及防止措施(2020年10月整理).pdf
焊接裂纹形成的原因及防止措施 焊接裂纹是在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，易引起较高的应力集中，而且有延伸和扩展的趋势，所以，也是最危险的焊接缺陷。 裂纹常有热裂纹、冷裂纹以及再热裂纹（消除应力处理裂纹）。 一、热裂纹形成及防止 常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化裂纹。 结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，在收缩力的作用下而产生的裂纹。 结晶裂纹产生的原因： 焊接时，熔池在电弧热的作用下，被加热到相当高的温度，而受热膨胀，而母材却不能自由收缩，于是高温的熔池受到一定的压力。当熔池开始冷却时，就以半融化的母材为晶核开始处结晶。最先结晶的是纯度较高的的合金。最后凝固的是低熔点共晶体。低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属中C、S、L等元素的含量。当含量较少时，不足以在初生晶粒间形成连续的液态膜。焊接熔池的冷却速度极快，低熔点共晶物几乎与初析相同时完成结晶。因此连续冷却的金属熔池虽然受到收缩应力的作用也不至于产生晶间裂纹。当低熔点共晶体量较多时，情况就不同了，初次结晶的偏析程度较大，并在初次结晶的晶体之间形成晶间液膜，当熔池冷却收缩时，被液膜分割的晶体边界就会被拉开就形成了裂纹。这是主要原因，另有两个其它原因：一是焊缝金属所经受的应变增加速度大于低熔点共晶物凝固的速度；另外，初生晶体的张大方向和残留低熔共晶体的相对位置的影响。 可见，关键的措施就是： 1、应严格控制焊缝金属中C、S、P和其它易形成低熔点共晶体的合金成分的含量，这些元素和杂质的含量越低，焊缝金属的抗裂纹能力越大。当焊缝中C>0.15%,S>0.04%就可能有裂纹出现，如果母材中含碳量很高，就要控制焊接材料的成分，以使混合后的碳含量降下来。 2、改变焊缝横截面的形状也就改变了焊接熔池的结晶方向，使之有利于将低熔点共晶体推向不易产生裂纹的位置。 液化裂纹产生的原因： 焊接时紧靠熔合线的母材区域被加热到接近钢熔点的高温，此时母材晶体本身未发生熔化，而晶界的
焊接热裂纹产生机理影响因素及防治措施
焊接热裂纹产生机理影响因素及防治措施 一、结晶裂纹 1、产生机理 1）、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，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部颁在两树枝状晶体之间。 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。 2）、分析熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向 焊缝金属结晶过程中，晶界是个薄弱地带，由金属结晶理论可知，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质多，并集富在晶界，并且熔点较低，这些低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓《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：①液态薄膜②拉伸应力 液态薄膜—根本原因。拉伸应力—必要条件以碳钢焊接为例，分析研究一下，在熔池结晶过程中什么阶段产生结晶裂纹的倾向最大。 如图3-77 ①液固阶段：熔池开始结晶时，液相多，固相少，液态金
属在晶粒间处于自由流动状态，有拉应力存在时，拉开后有液体随之补充，不易产生裂纹。（1区） ②固液阶段：固相多，晶粒之间相互接触，液相少，（低熔点共晶）在拉应力作用时产生微少缝隙，液态填充少，产生裂纹，这一区也称为“脆性温度区”即图3-77上a、b 之间的温度范围？ ③固相阶段：完全结晶完毕，成为整体固态金属，拉应力作用时，因无液态薄膜受力均匀，不易产生裂纹。 T b—称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属, T b小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属T b 大，产生裂纹的倾向也大。 3）产生结晶裂纹的条件？图3-78 如图3-78纵座标表示温度，横坐标表示由拉伸应力所产生的变形（e）和金属的塑性（P），脆性温度区的范围用T b表示上限是固液温度开始下限固相线附近，或低于固相线一段温度。 在脆性温度区内焊缝的塑性用P表示，是温度的函数，=，当在某一瞬时温度时有一个最小的塑性值（P min）PΦ ) (T （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？ ①如果拉伸应力所产生的变形随温度T按曲线（1）变化，
焊接裂纹分析
焊接裂纹 随着钢铁、石油化、，舰船和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低、深冷、腐蚀介质等环境下工作。因此，各种低合金高强钢，中、高合金钢，超高强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。但是随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产上带来了许多新的的问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。 一、焊接裂纹的危害性 焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事帮。据统计，世界上焊接结构所出现各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题之外，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏。因此，裂纹是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。 压力容器的破坏事帮常常造成巨大的损失。焊接结构中裂纹问题危害甚大，已造成世界各国所关注的课题。 二、焊接裂纹分类及其一般特征 在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹。裂纹的形态和分布特别征都是很复杂的，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹、也有在弧坑处出现的所谓弧坑（火口）裂纹。 值得注意的是，裂纹有时出现在焊接过程中，也有时出现在放置或运行过程中，也就是所谓的延迟裂纹。因为这种裂纹在生产中无法检测，所以这种裂纹的危害性就更为严重。总而言之，焊接生产中所遇到的裂纹有多种多样，按产生裂纹的本质来分，林体上可分为五大类。 1、热裂纹（Hot Cracking） 热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。 特征：是沿原奥氏体晶界开裂，根据所焊金属的材料不同（低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等）。产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同。因此，又把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。 a：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。多数情况下，在发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色，说明这种裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S、P、C、Si偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生。 b：高温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。 液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。母材和焊丝中的S、P、C、Si偏高时，液化裂纹的倾向将显著增高。 c：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，就是所谓“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，就会沿多边界开裂，产生所谓“多边化裂纹”（Polygonixation Cracking） 多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区，它是属于热裂纹的类型。 2、再热裂纹 厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。 由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”又称“消除应力处理裂纹（Stress Relief Cracking），简称SR裂纹。 再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接
在焊接中什么是冷裂纹和热裂纹
在焊接中什么是冷裂纹和热裂纹低碳钢焊接性分析： （一）冷裂纹 碳当量：钢材和熔敷金属的碳含量增加大桥焊条，焊接性变差；硅锰含量增加，焊接性变差;CE值增加，产生冷裂纹倾向增大，焊接性变差淬硬倾向：淬硬组织或马氏体组织越多，其硬度越高，焊缝和热影响区硬度越高，焊接性差。冷却速度影响因素：（1）钢材厚度和接头几何形状，（2）焊接时母材的实际起始温度（3）焊接线能量大小。拘束度和氢。板厚增加，拘束度增加;焊接区被刚性固定，拘束度增加，提高氢致裂纹敏感性 钢材成分一定，淬硬组织比例越高，冷裂所需临界氢含量越低，所需拘束应力也就越低，冷裂倾向越大。组织氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。 （二）热裂纹 在焊接SP过高的碳钢时，一方面：在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点SP化物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹;若板厚较大，沿不同偏析带分布的碳化物等，在T形等接头中引起层状撕裂。另一方面：当母材稀释率较高时，进入焊缝的SP也偏多，容易引起焊缝中热裂纹。中碳钢焊接大多需要预热和控制层间温度，以降低焊缝金属和热影响区冷却速度，抑制马氏体形成，提高接头塑性，减小残余应力。 合金结构钢种类：低合金钢，中合金钢，高合金钢。1强度用钢：热轧及正火钢，低碳调质钢，中碳调质钢。2专用钢：珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢热轧钢：把钢锭加热到1300度左右，经热轧成板材，然后空冷。正火钢：钢板轧制和冷却后，再加热到900度附近，然后在空气中冷却。调质钢：900度附近加热后放入淬火设备中水淬，后在600度左右回火处理。 控轧：采用控制钢板温度和轧制工艺得到高强度，高韧性钢的方法。热轧钢通常是铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织。正火钢是在固溶强化基础上，加入合金元素在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。热轧及正火钢焊接性分析：Q345（16Mn)裂纹脆化 1冷裂纹淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。冷裂敏感性一般随强度提高而增加2热裂纹降低焊缝中碳含量和提高锰含量，解决了热裂纹问题。Si的有害作用也与促使S的偏析有关。再热裂纹采取提高
裂纹分析报告
焊缝裂纹产生原因分析以及预防焊接裂纹是焊接应用中较为普遍而又十分严重的问题，下面针对最为常见的热裂纹和冷裂纹结合实际进行分析. 具体情况下产生裂纹的原因是不同的,有时可能是几种因素共同作用的结果。然而,不管是热裂纹,冷裂纹,它们都具有一个共同的规律,即、焊接时由于各种原因在熔池内部常发生变化,在一定条件下会发生作用而形成裂纹。在气保焊中我们要通过裂纹的特征来判断裂纹的类型, 一、热裂纹 热裂纹是在焊接高温下产生的，分为结晶裂纹，液化裂纹和多边化裂纹。主要为结晶裂纹，结晶裂纹的产生主要由以下几个方面： 1. 冶金因素方面 （1）结晶温度区的范围越大，则可增加脆性温度区的区间，增加裂纹的倾向。结晶温度区的大小与合金含量有很大的关系，即随着合金成分的增加，合金温度区间也增大。 （2）碳在钢中是影响结晶裂纹的主要因素，碳含量越大，则增加裂纹倾向，并能加剧其他元素的有害作用，硫、磷几乎在各种钢中都会增加结晶裂纹的倾向。 2. 预防措施 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量。YJ502（E71T-1）药芯焊丝选用药芯焊丝专用冷轧钢带生产，碳、硫、磷含量很低，药粉也严格控制碳、硫、磷含量，因此焊缝熔敷金属碳含量小于0.05%，硫、磷含量也很低，大大低于国家标准规定要求，一般不会因为焊缝碳、硫、磷含量超标
造成结晶裂纹。在焊接母材时，特别是焊接不同牌号、级别的钢板时，由于两种母材的合金成份等各方面有差异，尽管焊丝与母材是匹配的，但是不同母材之间、焊材和母材之间合金差异造成裂纹倾向较大，在焊接时要加强改善焊接工艺，防止裂纹的产生。 3. 工艺因素方面 工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式和焊接顺序等，用工艺方法防止结晶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生产经验证明，尽管在冶金因素方面做了很多努力，但采用的焊接工艺和规范不当时，同样也会产生裂纹，因此必须重视焊接工艺。适当增加焊接线能量和提高预热温度，即可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向，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。 （2）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，因而结晶裂纹的倾向也不同，这一点在设计和施工时应特别注意。对于厚板焊接结构，施工时采用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制。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。 （3）焊接次序施工时焊接次序是很重要的，同样的焊接方法和及焊接材料，只是因为焊接次序不同，可能具有不同的结晶裂纹倾向。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。 （4）严格按照要求使用焊接设备，电流电压调整，CO2气体的预热等总之，焊接工艺制定部门要根据生产实际，制定出合理的，严谨的焊