成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施第1頁/共66頁2第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力第二節(jié)焊接變形第三節(jié)裂紋第四節(jié)焊縫中的氣孔與夾雜物第五節(jié)焊縫中化學(xué)成分不均勻性第2頁/共66頁3第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力第3頁/共66頁4內(nèi)應(yīng)力—沒有外力的作用條件下，平衡物體內(nèi)部的應(yīng)力。焊接瞬時應(yīng)力—在焊接加熱冷卻過程中某一瞬時中存在的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力—焊件完全冷卻、溫度均勻化后殘留于焊件中的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在對焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量有很大的影響。在一定條件下，內(nèi)應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、受壓穩(wěn)定性和加工精度。殘余應(yīng)力存在對構(gòu)件的承載能力影響較大?？赡軙?dǎo)致構(gòu)件材料局部或者整體斷裂、低應(yīng)力脆斷、應(yīng)力腐蝕開裂等現(xiàn)象。第4頁/共66頁5一內(nèi)應(yīng)力的形成內(nèi)應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力。1熱應(yīng)力—工件受熱及冷卻過程中，各部分的溫度、冷卻速度不同造成的工件上在同一時刻各部分的收縮或膨脹量不同，導(dǎo)致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生的應(yīng)力。該應(yīng)力的本質(zhì)是由熱脹冷縮引起的，故稱為熱應(yīng)力。2焊接應(yīng)力與變形—焊接是熱源移動和局部不均勻加熱的過程。同一時刻離開熱源中心不同點(diǎn)具有不同的溫度分布。如將焊件分成無數(shù)小的窄板條，便可將微元件的溫度當(dāng)作是均勻場。這些受熱元件在不同溫度的周圍桿件的作用下處于應(yīng)力狀態(tài)，加入和冷卻時無法自由膨脹和收縮，其本身也將對周圍桿件產(chǎn)生制約作用。第5頁/共66頁6第6頁/共66頁7一內(nèi)應(yīng)力的形成3相變應(yīng)力—金屬材料在固態(tài)相變過程中各部分因發(fā)生相變的先后時刻和相變過程不同，由此而產(chǎn)生的應(yīng)力。4機(jī)械阻礙應(yīng)力—焊件冷卻過程中產(chǎn)生的收縮，受到外界的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。工件在焊接時多采用能阻礙焊件收縮的剛性固定裝置、工裝夾具及胎具等，這些均可使工件產(chǎn)生拉應(yīng)力和切應(yīng)力。綜上，焊件內(nèi)的應(yīng)力是熱、相變、機(jī)械阻礙應(yīng)力的總和，在冷卻過程的某一瞬間當(dāng)局部應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的抗拉強(qiáng)度時，工件就會產(chǎn)生裂紋。一般經(jīng)過熱處理(一定溫度和時間)工件內(nèi)各部分的應(yīng)力會重新分配或消失。第7頁/共66頁8二殘余應(yīng)力的分布縱向應(yīng)力—沿焊縫方向的應(yīng)力,σx。橫向應(yīng)力—垂直于焊縫方向的應(yīng)力,σy。厚度向應(yīng)力—沿板厚度方向的應(yīng)力,σz。焊接殘余應(yīng)力值的大小可以用試驗方法直接測定，亦可以進(jìn)行理論計算?？v向和橫向殘余應(yīng)力的實例見P185~187圖9-4、5、6、7、8和9。第8頁/共66頁9三減少或消除焊接殘余應(yīng)力的途徑根據(jù)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，可采用以下途徑來減少或消除焊接殘余應(yīng)力。1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計—如避免焊縫的交叉及密集，盡量采用對接而避免搭接，用剛度小的結(jié)構(gòu)代替剛度大的結(jié)構(gòu)等。2選擇合理的工藝及采取必要的措施—采用小熱輸入(小直徑焊條或低電流)，減小焊件的受熱范圍。安排合適的焊接順序，盡可能使焊縫能自由收縮。此外，可以采用預(yù)熱措施，在焊前進(jìn)行預(yù)熱可降低工件中的溫度梯度，降低焊接應(yīng)力。第9頁/共66頁10三減少或消除焊接殘余應(yīng)力的途徑3減少焊接殘余應(yīng)力的措施(1)熱處理法—一般將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并保溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，消除殘余應(yīng)力。再緩冷，使厚、薄部位的溫度均勻。(2)機(jī)械法—如對壓力容器、橋梁等采用加載辦法降低殘余應(yīng)力。原理是利用加載所產(chǎn)生的均勻拉伸應(yīng)力與焊接應(yīng)力相疊加，使存在于高拉伸應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值達(dá)到屈服強(qiáng)度值，迫使材料發(fā)生塑性變形，卸載后該區(qū)的殘余應(yīng)力得以完全或部分消除。(3)共振法—將焊件在共振條件下振動10～15min，以達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。該法的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)用低，花費(fèi)時間少，易于操作，無氧化皮，不受工件大小尺寸的限制。不會因熱處理規(guī)范不當(dāng)產(chǎn)生裂紋。第10頁/共66頁11第二節(jié)焊接變形第11頁/共66頁12一焊接變形的基本形式(1)收縮變形(ContractionDeformation)—焊接整體尺寸的減小，包括焊縫的縱向和橫向收縮。(2)角變形(AngularDeformation)—焊縫截面上下不對稱或受熱不均勻時，焊縫因橫向上下收縮不一致，引起的變形。V形坡口的對接接頭和角接接頭易出現(xiàn)角變形。(3)彎曲變形(CurvingDeformation)—焊縫在結(jié)構(gòu)上不對稱分布，使得焊縫的縱向收縮不對稱，引起焊件向一側(cè)彎曲，形成的變形。(4)波浪變形(WavinessDeformation)—焊接薄板結(jié)構(gòu)時，焊接壓應(yīng)力使薄板失穩(wěn)，引起不規(guī)則的變形。(5)扭曲變形(TwistDeformation)—焊縫的角變形沿焊縫長度方向分布不均勻和焊件縱向錯邊引起的，也是結(jié)構(gòu)中焊縫布置不對稱，或者焊接順序和施焊方向不合理有關(guān)。第12頁/共66頁13第13頁/共66頁14第14頁/共66頁151焊接應(yīng)力的成因和分類鋼結(jié)構(gòu)中的焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻過程，由于不均勻的溫度場，使主體金屬的膨脹和收縮不均勻。導(dǎo)致在主體金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通常稱這種內(nèi)應(yīng)力為焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力的成因可用右圖所示的高溫加熱模型說明。

第15頁/共66頁16由于焊接溫度在空間任意方向傳遞，故產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也屬于三維應(yīng)力狀態(tài)，分為縱向焊接應(yīng)力（與焊縫長度方向平行）、橫向焊接應(yīng)力（與焊縫長度方向垂直）及沿焊縫厚度方向的焊接應(yīng)力。（1）縱向焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力第16頁/共66頁17（2）橫向焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因有兩個方面：其一是焊縫的縱向收縮使兩塊鋼板有相向彎曲的趨勢，但焊縫已將其連成整體，因而在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力。其二是因為施焊時，先焊的焊縫逐步冷卻結(jié)硬，具有一定的強(qiáng)度，并阻止后續(xù)焊縫的橫向膨脹，使后續(xù)焊縫產(chǎn)生橫向的熱塑壓縮。焊接應(yīng)力第17頁/共66頁18（3）厚度方向的焊接應(yīng)力厚度方向的焊接應(yīng)力是厚鋼板的對接焊縫連接中，施焊時需多層施焊，受到加熱和冷卻不均勻而產(chǎn)生的。焊縫成形時，與空氣接觸的焊縫表面先冷卻結(jié)硬，中間部分后冷卻，沿厚度方向的收縮受到外面已冷卻焊縫的約束，因而在焊縫內(nèi)部形成沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部為壓應(yīng)力。當(dāng)鋼材厚度t≤20mm時，厚度方向焊接應(yīng)力較小，可忽略不計；但t≥50mm時，厚度方向焊接應(yīng)力可達(dá)50N／mm2。

由上可見，如果縱、橫、厚三個方向的焊接應(yīng)力在焊縫某區(qū)域形成三向拉應(yīng)力場，將大大降低焊縫的塑性。焊接應(yīng)力第18頁/共66頁192焊接應(yīng)力和焊接變形對結(jié)構(gòu)工作的影響（1）焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1)對靜力強(qiáng)度的影響：焊接應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度。2)對構(gòu)件剛度的影響：焊接應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度3)對構(gòu)件穩(wěn)定性的影響：焊接應(yīng)力將降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。4)對疲勞強(qiáng)度的影響：焊接應(yīng)力對直接承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)不利。5)對低溫冷脆的影響：焊接應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫脆斷。第19頁/共66頁20（2）焊接變形的影響因素A金屬材料的熱物理性能

一般，材料的線膨脹系數(shù)越大，產(chǎn)生的塑性壓縮變形越大，冷卻后縱向和橫向的收縮也越大。導(dǎo)熱性好的金屬，如鋁，線膨脹系數(shù)大，高溫σs較低，變形較大。B工藝因素

不同的施焊工藝、坡口形狀(V形坡口比X形坡口收縮量大)、焊縫位置的設(shè)置、結(jié)構(gòu)的剛度、裝焊的順序等，都對焊接結(jié)構(gòu)的變形有很大的影響。

總之，焊接變形會導(dǎo)致構(gòu)件安裝困難，改變構(gòu)件受力方式。如軸心壓桿，若焊接時產(chǎn)生彎曲變形就變成壓彎構(gòu)件，其強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力將受影響。第20頁/共66頁213焊縫的合理構(gòu)造及減小焊接應(yīng)力、變形的措施（1）焊縫的合理構(gòu)造1)焊縫的焊腳尺寸和焊縫長度應(yīng)符合構(gòu)造要求，宜采用細(xì)長焊縫，不用粗短焊縫。施焊時不得隨意加大焊縫的焊腳尺寸。2)設(shè)計時要考慮焊縫是否有施焊空間，并盡量避免仰焊。3)焊縫布置盡可能對稱，以減少焊接變形,圖(a)。4)不宜采用帶銳角的板料做肋板，板料的銳角應(yīng)切掉，圖(b)，以免焊接時銳角處板材被燒損，影響材質(zhì)。5)焊縫不宜過分集中，避免產(chǎn)生過大的焊接應(yīng)力甚至產(chǎn)生裂紋，圖(c)。6)當(dāng)拉力垂直于受力板面時，要考慮鋼板的分層破壞，圖(d)。7)盡量避免焊縫相交，可將次要焊縫中斷，保證主焊縫連續(xù)，圖(e)。第21頁/共66頁22第22頁/共66頁23（2）減小焊接應(yīng)力、變形的措施第23頁/共66頁24防止或減少焊接變形的方法1結(jié)構(gòu)設(shè)計方面設(shè)計要考慮強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及制造工藝。如減少不必要的焊縫、盡可能采用小焊縫、注意開坡口的方法；薄板常用點(diǎn)焊代替熔焊；還要合理布置焊縫位置，盡可能減少焊接變形量。2工藝方面(1)反變形法—依構(gòu)件變形情況預(yù)先給出一個方向相反、大小相等的變形，來抵消焊件產(chǎn)生的變形達(dá)到要求。(2)剛性固定法—將焊件牢牢固定在夾具中進(jìn)行焊接，以限制其變形的發(fā)生(圖9-15、9-16,P190)。(3)預(yù)留收縮量—備料時預(yù)先考慮加放收縮余量。大小依據(jù)經(jīng)驗估計，見表9-2、9-3(P190)。(4)合理的工藝—使用熱輸入較小的焊接方法，選擇合適的焊接參數(shù)以及合理的施焊順序。亦可對大型結(jié)構(gòu)件分部件分別加以裝配焊接，再拼焊。使不對稱焊縫自由收縮，有效控制焊接變形。第24頁/共66頁25(5)焊接變形的矯正—變形超出技術(shù)要求允許的變形，進(jìn)行校正。常用方法有：A機(jī)械矯正—利用機(jī)械力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，消除原有的焊接變形。B火焰矯正—用火焰局部加熱使物體產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后產(chǎn)生的收縮變形校正原變形。C綜合矯正—采用機(jī)械與火焰兩種方法同時矯正焊接變形的方法。防止或減少焊接變形的方法第25頁/共66頁26第三節(jié)裂紋第26頁/共66頁27在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面時產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。它具有尖銳的缺口和長寬比大的特征，是一種斷裂形態(tài)的缺陷。裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中最為重要的缺陷。各類事故的發(fā)生，如壓力容器的爆炸、橋梁的斷裂等，絕大多數(shù)是由裂紋而引起的脆性破壞，可以說裂紋是引起脆性破壞的主要原因。第27頁/共66頁28焊接裂紋的形態(tài)及其分布見P193，圖9-22。焊接裂紋出現(xiàn)在焊接過程中—如熱裂紋和大部分冷裂紋。出現(xiàn)在放置或運(yùn)行中—冷裂紋中某些延遲裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋。出現(xiàn)在焊后熱處理或再次受熱過程中—消除應(yīng)力裂紋等。按照產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來分，可分為熱裂紋、消除應(yīng)力裂紋、冷裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋。各類裂紋的形成時期、分布部位及基本特征見P193表9-4。一焊接裂紋的分類第28頁/共66頁29裂紋類型形成時間基本特征被焊材料分布部位及裂紋走向熱裂紋結(jié)晶裂紋（凝固裂紋）在固相線溫度以上稍高的溫度，凝固前固液狀態(tài)下沿晶間開裂，晶界有液膜，開口裂紋斷口有氧化色彩雜質(zhì)較多的碳鋼、低中合金鋼、奧氏體鋼、鎳基合金及鋁在焊縫中，沿縱向軸向分布，沿界晶方向呈人字形，在弧坑中沿各方向或呈星形，裂紋走向沿奧氏體晶界開裂。液化裂紋固相線以下稍低溫度，也可為結(jié)晶裂紋的延續(xù)沿晶間開裂，晶間有液化，斷口有共晶凝固現(xiàn)象含S、P、C較多的鎳鉻高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼、鎳基合金熱影響區(qū)粗大奧氏體晶粒的晶界，在熔合區(qū)中發(fā)展，多層焊的前一層焊縫中，沿晶界開裂失延裂紋及多邊化裂紋再結(jié)晶溫度TR附近表面較平整，有塑性變形痕跡，沿奧氏體晶界形成和擴(kuò)展，無液膜純金屬及單相奧氏體合金純金屬或單相合金焊縫中少量在熱影響區(qū)，多層焊前一層焊縫中，沿奧氏體晶界開裂再熱裂紋600～700℃回火處理溫度區(qū)間，不同鋼種再熱開裂敏感溫度區(qū)間不大相同沿晶間開裂含有沉淀強(qiáng)化元素的高強(qiáng)鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼、鎳基合金等熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，大體沿熔合線發(fā)展至細(xì)晶區(qū)即可停止擴(kuò)展冷裂紋延遲裂紋（氫致裂紋）在Ms點(diǎn)以下，200℃至室溫有延遲特征，焊后幾分鐘至幾天出現(xiàn)，往往沿晶啟裂，穿晶擴(kuò)展，斷口呈氫致準(zhǔn)解理形態(tài)中、高碳鋼，低、中合金屬，鈦合金等大多在熱影響區(qū)的焊趾（缺口效應(yīng)、焊根（缺口效應(yīng)），焊道下（沿熔合區(qū)），少量在焊縫（大厚度多層焊焊縫偏上部），沿晶或穿晶開裂淬硬脆化裂紋Ms至室溫?zé)o延遲特征（也可見到少許延遲情況），沿晶啟裂與擴(kuò)展，斷口非常光滑，極少塑性變形痕跡含碳的NiCrMo鋼、馬氏體銹鋼、工具鋼熱影響區(qū)，少量在焊縫，沿晶或穿晶開裂低塑性脆化裂紋（熱應(yīng)力低延開裂）400℃以下室溫附近母材延性很低，無法承受應(yīng)變，邊焊邊開裂，可聽到脆性響聲，脆性斷口鑄鐵、堆焊硬質(zhì)合金熔合區(qū)及焊縫，沿晶及穿晶開裂層狀撕裂400℃以下室溫附近沿軋層，呈階梯狀開裂，斷口有明顯的木紋特征，斷口平臺分布有夾雜物含有雜質(zhì)（板厚方向聚性低）的低合金高強(qiáng)鋼厚板結(jié)構(gòu)熱影響區(qū)沿軋層，熱影區(qū)以外的母材軋層中，穿晶或沿晶開裂應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）任何工作溫度有裂源，由表面引發(fā)向內(nèi)部發(fā)展，二次裂紋多，撕裂棱少，呈根須狀，多分支，裂紋細(xì)長而尖銳，斷口有腐蝕產(chǎn)物及氧化現(xiàn)象且有腐蝕坑，斷口周圍有裂紋分枝，有解現(xiàn)狀，河流花樣等碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁合金等焊縫和熱影響區(qū)，沿晶或穿晶開裂第29頁/共66頁30在焊接高溫階段發(fā)生的開裂現(xiàn)象，多在固相線附近發(fā)生，故稱為熱裂紋。熱裂紋有凝固裂紋(結(jié)晶裂紋)、液化裂紋，高溫延遲裂紋等形式，常見的是凝固裂紋。(一)熱裂紋的形成條件及其特征1熱裂紋的形成條件熱裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質(zhì)。沿晶斷裂的條件是：ε≥δminε

–凝固過程或高溫冷卻過程中積累的應(yīng)變量。δmin—高溫階段晶間的延性或塑性變形能力如圖9-23，與液膜有關(guān)的裂紋出現(xiàn)在凝固末期；與液膜無關(guān)的裂紋出現(xiàn)在溫度位于A再結(jié)晶溫度Tr附近。二熱裂紋第30頁/共66頁312熱裂紋的特征

(1)與液膜有關(guān)的熱裂紋(液化裂紋)

凝固末期在固相線Ts附近，因晶間殘存液膜造成、出現(xiàn)在焊縫中心的熱裂紋為凝固(結(jié)晶)裂紋。在焊接時由于近縫區(qū)過熱，晶間出現(xiàn)液化使晶間液膜分離而導(dǎo)致開裂的現(xiàn)象。微觀上，裂紋具有沿晶液膜分離的斷口特征，晶界面很光滑，是液膜分離的結(jié)果，斷口呈氧化色彩。(2)與液膜無關(guān)的熱裂紋

與再結(jié)晶相聯(lián)系導(dǎo)致晶間延性陡降，造成沿晶裂紋，稱“高溫失延裂紋”。也可能由于位錯運(yùn)動而形成多邊化邊界(亞晶界)以致開裂，稱為“多邊化裂紋”。二熱裂紋第31頁/共66頁32焊接中熱裂紋可以出現(xiàn)在焊縫或近縫區(qū)以及多層焊焊道間的熱影響區(qū)。凝固裂紋只存在于焊縫中，特別是易出現(xiàn)在弧坑中，特稱“弧坑裂紋”。宏觀可見的熱裂紋其斷口均具有較明顯的氧化色彩，可作為初步判斷是否為熱裂紋的判據(jù)。焊接時近縫區(qū)產(chǎn)生的熱裂紋一般是微裂紋，在外觀上很難發(fā)現(xiàn)。二熱裂紋第32頁/共66頁33二熱裂紋(二)熱裂紋的形成機(jī)理1凝固裂紋的形成機(jī)理主要取決于三個方面：(1)脆化溫度區(qū)間Tb的大小Tb越大，越易產(chǎn)生裂紋(2)金屬在Tb區(qū)間所具有的最小延性的大小δmin越小，越容易產(chǎn)生裂紋。(3)在Tb區(qū)間的應(yīng)變增長率的大小越大，越易產(chǎn)生裂紋。以上三個方面是互相聯(lián)系和互相影響的。Tb和Tb的延性取決于化學(xué)成分、凝固條件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素。應(yīng)變增長率取決于金屬的熱膨脹系數(shù)、焊件的剛度、收縮阻力及溫度場的溫度分布等力學(xué)因素。第33頁/共66頁34二熱裂紋2液化裂紋的形成機(jī)理液化裂紋只發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的近縫區(qū)，或多層焊焊縫中相鄰焊道的熱影響區(qū)。液化裂紋的液膜是焊接過程中沿晶界重新熔化的產(chǎn)物。液化裂紋的形成與偏析所造成的共晶反應(yīng)有關(guān)。材料中存在偏析元素，產(chǎn)生強(qiáng)烈的偏析，使近縫區(qū)粗晶粒的邊界出現(xiàn)共晶反應(yīng)，在焊接熱循環(huán)的作用下發(fā)生熔化而形成液態(tài)薄膜。液化裂紋本身的尺寸并不很大，但能誘發(fā)凝固裂紋、冷裂紋的形成。第34頁/共66頁35二熱裂紋3高溫失延裂紋的形成機(jī)理若溫度低于實際固相線時不存在液膜所產(chǎn)生的晶間斷裂為“高溫失延裂紋”。常溫時，晶界沿著其本身發(fā)生滑移的變形量??；高溫時，位錯或空穴的密度增加，晶界的滑動越來越明顯，進(jìn)一步促使晶界擴(kuò)散變形。晶界擴(kuò)散變形的集中會導(dǎo)致晶界裂紋的形成。如P198圖9-28。第35頁/共66頁36二熱裂紋(三)影響熱裂紋的因素1冶金因素主要指合金的化學(xué)成分及凝固組織形態(tài)。(1)化學(xué)成分對熱裂紋的影響A合金元素對凝固溫度區(qū)的影響—合金元素既能影響凝固溫度區(qū)間，也能影響合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。而且，凝固裂紋傾向的大小是隨著凝固溫度區(qū)的增大而增大，隨此增大脆性溫度區(qū)的范圍也增大，因此凝固裂紋的傾向也增大。為了防止熱裂紋，有時采用超合金化的方法，產(chǎn)生更多的易熔共晶，發(fā)生“愈合”現(xiàn)象。B雜質(zhì)元素的偏析以及偏析產(chǎn)物形態(tài)對熱裂紋的影響—雜質(zhì)元素P和S在鋼中能形成低熔點(diǎn)共晶，在合金凝固過程中極易形成液態(tài)薄膜，顯著增大裂紋傾向。而且P和S在鋼中能引起偏析，偏析程度可用下式表示：第36頁/共66頁37K—元素的偏析度;[χ]B—開始凝固時晶軸上某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);[χ]A—最終凝固時晶界處的質(zhì)量分?jǐn)?shù);[χ]0—某元素在液相時的原始平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。偏析度K越大，元素的偏析程度越嚴(yán)重。為了防止熱裂紋，提高焊縫中Mn/S比。當(dāng)wc>0.1%時，Mn/S值應(yīng)大于22?？偨Y(jié)各種合金元素對低合金鋼焊縫凝固裂紋的影響，提出熱裂紋敏感系數(shù)HCS的計算公式：式中元素符號代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。若HCS<4時，則可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。二熱裂紋第37頁/共66頁38在奧氏體焊縫金屬中，各種元素對凝固裂紋的影響的熱裂紋敏感系數(shù)HCI的計算公式為：由此可見，P、S、Si、Ni能促進(jìn)A不銹鋼焊縫熱裂紋的形成。為防止A不銹鋼焊縫產(chǎn)生凝固裂紋，要求HCI<15。二熱裂紋第38頁/共66頁39(2)凝固組織形態(tài)對熱裂紋的影響—對A鋼，晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出初生相等對抗烈性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋的傾向會越大。細(xì)化晶粒的合金元素Ti、Mo、V、Nb、Al、RE等即可破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，又可打亂柱狀晶的方向。綜上，影響低合金鋼熱裂紋的因素是雜質(zhì)元素的偏析。通過提高M(jìn)n/S比，降低裂紋傾向。對Cr-NiA鋼，控制焊縫中S、P含量，細(xì)化組織，打亂A鋼粗大柱狀晶的生長方向。2工藝因素減少有害元素的偏析及降低應(yīng)變增長率。(1)熔合比對熱裂紋的影響—對于易向焊縫金屬中轉(zhuǎn)移有害雜質(zhì)的母材，盡量減少熔合比或開大坡口，減少熔深，或采用隔離層堆焊法。二熱裂紋第39頁/共66頁40(2)成形系數(shù)的影響—成形系數(shù)Φ定義為(焊縫寬度B/焊縫計算厚度H)不同形式的接頭對裂紋傾向的影響見P201圖9-34。其中表面堆焊和熔深較淺的對接焊縫抗烈性較高。熔深較大的對接和各種角接焊縫抗烈性較差。對接焊縫一般要求Φ>1。(3)拘束度的影響—為防止熱裂紋，減少應(yīng)變量及應(yīng)變增長率，以降低接頭的拘束度。如合理布置焊縫，合理安排施焊順序，對于厚板結(jié)構(gòu)采用多層代替單道焊縫等，均可降低裂紋傾向?？傊?，產(chǎn)生熱裂紋的影響因素很復(fù)雜，冶金和工藝因素之間相互聯(lián)系而各具特點(diǎn)。裂紋的產(chǎn)生是幾種因素共同作用的結(jié)果。二熱裂紋第40頁/共66頁41(四)防止熱裂紋的措施

總原則，主要控制焊縫金屬成分和調(diào)整焊接參數(shù)。1焊縫成分的控制

(1)選擇合適的焊接材料—對一定的母材選用不同的焊接材料，可以得到不同成分的焊縫，在抗裂性上出現(xiàn)不同的差異。如加入細(xì)化晶粒元素Mo、V、Ti、Nb等可以提高抗烈性的常用辦法。(2)限制有害的雜質(zhì)—對于不同材料的焊縫，有害元素的雜質(zhì)也不同。各種材料中，均必須嚴(yán)格控制P、S的含量。合金元素越高的材料，對P和S的限制要求越嚴(yán)格。二熱裂紋第41頁/共66頁422調(diào)整焊接工藝—焊接工藝的影響主要有以下幾個方面：(1)適宜的焊接參數(shù)—適當(dāng)增加焊接電流、電壓提高焊接熱輸入和預(yù)熱溫度，可以減少焊縫金屬的應(yīng)變速率，從而減低熱裂紋的傾向。(2)控制焊縫金屬成形系數(shù)—在不同的焊接方法和接頭形式的條件下，選用合適的成形系數(shù)。(3)減少熔合比—減少熔合比，即減少母材對焊縫的稀釋作用，包括焊縫中合金元素的稀釋，及母材中有害元素對焊縫的影響。(4)減少拘束度—選擇合理的焊接順序，盡可能讓大多數(shù)焊縫在較小的剛度下進(jìn)行焊接，使焊縫的拘束應(yīng)變減小。二熱裂紋第42頁/共66頁43冷裂紋—焊件在室溫附近出現(xiàn)的裂紋。通常在M轉(zhuǎn)變開始溫度Ms以下易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，故稱“冷裂紋”，以區(qū)別“熱裂紋”。冷裂紋最易出現(xiàn)在有一定淬硬傾向的金屬中，如碳鋼和高強(qiáng)度鋼。淬火裂紋—與淬硬組織有關(guān)的冷裂紋氫致裂紋—與氫脆有關(guān)的冷裂紋低塑性脆化裂紋—與材料本身低塑性有關(guān)，不需要其他致脆因素作用而產(chǎn)生的冷裂紋(一)冷裂紋的形成條件及其特征冷裂紋的形成條件—同熱裂紋，要滿足δmin≦ε。即局部區(qū)域的延性δ不足以承受當(dāng)時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量ε。ε與工件的拘束應(yīng)力有關(guān)；δ取決于冷卻轉(zhuǎn)變過程的致脆因素。主要是淬硬組織的出現(xiàn)和氫的脆化作用。三冷裂紋第43頁/共66頁44冷裂紋的分布形態(tài)與特征—最易出現(xiàn)在焊道下、焊根、焊趾部位。冷裂紋具有以下特征：分布形態(tài)—典型的冷裂紋分布形態(tài)常見的有三種如P203圖9-36。A焊趾裂紋—裂紋起源于焊縫與母材交界的焊趾處，并有明顯應(yīng)力集中的部位（如咬肉處）。裂紋從表面出發(fā)，向厚度的縱深方向發(fā)展，止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣，一般沿縱向發(fā)展。B焊道下裂紋—裂紋產(chǎn)生于焊道之下的熱影響區(qū)內(nèi)，距熔合線約0.1～0.2mm，該部位常有粗大的馬氏體組織。C焊根裂紋—裂紋起源于應(yīng)力集中的焊接坡口根部，有的沿?zé)嵊绊憛^(qū)發(fā)展，有的則轉(zhuǎn)入焊縫內(nèi)部。三冷裂紋第44頁/共66頁45(2)冷裂紋的特征A有延遲特征的冷裂紋(氫致裂紋)—在焊后(或加工后)一段潛伏期出現(xiàn)的，以焊道下裂紋最為典型。長分為潛伏期、緩慢擴(kuò)展和突然斷裂三個互相聯(lián)系的階段。裂紋的擴(kuò)展呈斷斷續(xù)續(xù)的過程。?？陕牭角逦拈_裂聲音。是由氫的作用造成的。B無延遲特征的冷裂紋(淬火、應(yīng)力、低塑性脆化裂紋)—塑性較低的合金焊接時，只要冷卻到較低溫度就會出現(xiàn)冷裂紋，但與氫無關(guān)，主要與淬硬組織有關(guān)。(3)斷口特征—宏觀上冷裂紋具有發(fā)亮的金屬光澤，呈脆性斷裂特征。微觀上，呈晶間(沿晶)斷裂或穿晶斷裂。?？吹绞茄鼐c穿晶共存的斷口。當(dāng)裂紋由氫的作用所致時，即氫致裂紋時，會有明顯的氫致準(zhǔn)解理斷口出現(xiàn)，隨著淬硬傾向的增大，沿晶斷裂特征越明顯。多數(shù)情況下，啟裂點(diǎn)是沿晶斷裂，在擴(kuò)展過程中是沿晶斷裂或穿晶斷裂。三冷裂紋第45頁/共66頁46(二)冷裂紋的形成及其延遲機(jī)理1冷裂紋的形成機(jī)理及臨界條件

冷裂紋的產(chǎn)生與鋼的淬硬傾向、氫含量及其分布，以及約束應(yīng)力的狀態(tài)三大因素有關(guān)。(1)氫的作用—?dú)湓跉渲铝鸭y的形成中起主要作用。它決定了裂紋形成過程中的延遲特點(diǎn)和其斷面上的氫脆開裂特征。焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻，使金屬內(nèi)部的各部分存在應(yīng)力與相變的不同步，以及內(nèi)應(yīng)力的不均勻。在“相變誘導(dǎo)擴(kuò)散”、“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”和“濃度擴(kuò)散”等驅(qū)動力作用下，將導(dǎo)致在工件中出現(xiàn)氫致裂紋。三冷裂紋第46頁/共66頁47三冷裂紋(2)鋼材的淬硬傾向—焊接時，鋼種的淬硬傾向越大、越易產(chǎn)生裂紋。主要是因為，鋼淬硬后形成的馬氏體組織是碳在鐵中的過飽和固溶體，晶格發(fā)生較大的畸變，使組織處于硬脆狀態(tài)。特別是在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度高達(dá)1350～1400℃，使奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，快速冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)榇执篑R氏體，性能更為淬硬，且對氫脆非常敏感。目前以鋼中的碳當(dāng)量CE來衡量鋼種淬硬傾向及由此引起的冷裂傾向。碳當(dāng)量與冷裂紋臨界含氫量之間的關(guān)系如圖9-39所示。與圖相應(yīng)的碳當(dāng)量CE計算公式為：第47頁/共66頁48由上式可知，碳含量越高，或含合金元素越多，則鋼材的淬硬傾向越大。鋼材的淬硬傾向越大，即越容易形成馬氏體組織；馬氏體數(shù)量越多，則氫脆的敏感性越強(qiáng)。當(dāng)形成高碳馬氏體(孿晶馬氏體)時，由于其硬度很高，性能很脆，裂紋的敏感性最強(qiáng)，即使沒有氫的作用也可以能產(chǎn)生裂紋。(3)拘束應(yīng)力—焊接中，由于不均勻的加熱、冷卻過程會產(chǎn)生應(yīng)力，并將熱應(yīng)力和相變應(yīng)力稱為內(nèi)拘束應(yīng)力，而將結(jié)構(gòu)的剛度、受載等條件產(chǎn)生的應(yīng)力稱為外拘束應(yīng)力。三冷裂紋第48頁/共66頁49冷裂紋的三大因素中可能是其中一種或者兩種因素起主要作用，其余的起輔助作用。一般來說，焊道下裂紋主要與焊縫金屬中存在高的擴(kuò)散氫含量有關(guān)；缺口裂紋則主要與應(yīng)力集中有關(guān)；而凝固過渡層裂紋主要與馬氏體淬硬組織有關(guān)。鑄件中的冷裂紋主要是由拘束應(yīng)力造成的，當(dāng)局部應(yīng)力值超過材料的抗拉強(qiáng)度時，便會產(chǎn)生裂紋。(4)產(chǎn)生冷裂紋的臨界條件—根據(jù)冷裂紋的形成條件：δmin≦ε即局部區(qū)域的延性δmin不足以承受當(dāng)時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變ε。影響ε的根本因素是拘束度R，而影響δmin的因素是致脆因素，主要是氫脆和組織的硬化。三冷裂紋第49頁/共66頁50三冷裂紋總結(jié)以上三種因素，對于低合金高強(qiáng)鋼的焊接，可歸納成關(guān)于冷裂紋敏感性的重要關(guān)系式。其中最常用的關(guān)系是為：或式中，Pw、Pc為冷裂紋敏感指數(shù)；Pcm為冷裂紋敏感組分；HD為擴(kuò)散氫含量；R為拘束度；h為工件厚度。第50頁/共66頁512氫致裂紋的機(jī)理—可用氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散理論進(jìn)行解釋。該理論認(rèn)為：金屬內(nèi)部的晶格缺陷等缺陷提供了裂紋源，在缺陷前沿(即缺口處)會形成應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū)。于是應(yīng)力的誘導(dǎo)下，使氫向高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，并發(fā)生聚集。當(dāng)氫的濃度達(dá)到一定值時，將促使位錯移動或增殖。此時缺口尖端微區(qū)的塑性變形量隨氫的濃度增加而增大。當(dāng)氫的濃度達(dá)到臨界值時，便發(fā)生局部開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋向前擴(kuò)展；并在裂紋尖端形成新的三向應(yīng)力區(qū)，促使氫向新的三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)擴(kuò)散聚集。此時裂紋暫停向前擴(kuò)展，只有當(dāng)裂紋尖端局部的氫濃度達(dá)到臨界值時，裂紋才能進(jìn)一步擴(kuò)展。由此可見氫致裂紋的啟裂需要一段時間(即潛伏期)，而且裂紋的擴(kuò)展是一個斷續(xù)的過程。裂紋停頓的時間正是氫再次進(jìn)行擴(kuò)散和聚集，并達(dá)到臨界濃度所需的時間。三冷裂紋第51頁/共66頁52三冷裂紋(三)

、冷裂紋的控制

對于結(jié)構(gòu)鋼冷裂紋的控制，總的原則是控制冷裂紋的三大要素，即降低擴(kuò)散氫的含量、改善接頭組織和減小拘束應(yīng)力。焊接中常用的措施是控制母材的化學(xué)成分、合理選用焊接材料以及嚴(yán)格控制焊接工藝，必要時采用焊后熱處理。1．控制組織硬化（1）焊前預(yù)熱預(yù)熱；（2）適當(dāng)控制焊接熱(小熱輸入焊接)

碳鋼的預(yù)熱溫度t0可參考下式進(jìn)行選擇：

式中，h為焊件的厚度；C為含碳量(wt.%)。對于低合金高強(qiáng)鋼，根據(jù)插銷試驗，建立如下預(yù)熱溫度的經(jīng)驗公式：HD為焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量(mL/100g);σb被焊金屬的抗拉強(qiáng)度(MPa);h為工件厚度。第52頁/共66頁532．限制擴(kuò)散氫的含量嚴(yán)格限制氫的來源，采用低氫焊接材料或焊接方法（如CO2焊），進(jìn)行消氫處理等。（1）采用低氫或超低氫焊接材料，并防止再吸潮，有利于防止冷裂。對于重要的低合金高強(qiáng)鋼的焊接，原則上都應(yīng)選用堿性焊條。（2）適當(dāng)預(yù)熱和緊急后熱所謂緊急后熱，即冷裂紋尚處在潛伏期，在末啟裂前實施的焊后熱處理。（3）選用奧氏體焊條采用奧氏體焊條焊接冷裂傾向較大的低、中合金高強(qiáng)鋼，能較好地避免冷裂紋。3．控制拘束應(yīng)力三冷裂紋第53頁/共66頁54第四節(jié)焊縫中的氣孔和夾雜物第54頁/共66頁55一焊縫中的氣孔氣孔帶來的壞處—削弱焊縫的有效工作面積、帶來應(yīng)力集中、降低焊縫的強(qiáng)度和韌性、對動載和疲勞強(qiáng)度不利、還會引起裂紋。1焊縫中的氣孔分類(1)析出型氣孔—因氣體在液、固態(tài)金屬中的溶解度差造成過飽和狀態(tài)的氣體析出形成的氣孔。A氫氣孔—對低碳鋼和低合金鋼焊接，氫氣孔出現(xiàn)在焊縫的表面上，形狀如同螺釘狀，在焊縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。有時也出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，多由結(jié)晶水所致。B氮?dú)饪住喑霈F(xiàn)在焊縫表面，多數(shù)是成堆出現(xiàn)，與蜂窩相似。氮來源于保護(hù)氣體不好由空氣侵入焊接區(qū)所致。(2)反應(yīng)型氣孔—熔池中由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生不溶于液態(tài)金屬的CO、H2O而生成的氣孔。第55頁/共66頁56一焊縫中的氣孔ACO氣孔—液態(tài)金屬含碳量較高而且脫氧不充分時，會發(fā)生以下冶金反應(yīng)生成不溶于金屬的CO：

[C]+[O]=CO[FeO]+[C]=CO+[Fe]

高溫時CO會以氣泡的形式逸出，形成飛濺，不會形成氣孔。熔池開始凝固時，部分氣泡來不及逸出形成沿結(jié)晶方向呈條蟲狀的內(nèi)氣孔。BH2O氣孔—如焊接Cu和Ni時，產(chǎn)生的H2O不溶于此類金屬，冷卻后會產(chǎn)生H2O氣孔。第56頁/共66頁57一焊縫中的氣孔2焊縫中氣孔的形成機(jī)理—焊縫中氣孔取決于氣泡核的形成、長大和逸出三個過程。其原理與液態(tài)金屬中形成氣孔的機(jī)理相同。3影響焊縫形成氣孔的因素(1)冶金因素的影響A熔渣氧化性的影響—對焊縫的氣孔敏感性具有較大的影響。見表9-8。一般用焊縫金屬中C與O含量的乘積ωc*φo2表示CO氣孔的敏感性。B焊條藥皮和焊劑成分的影響—如Ca2F和SiF2同時存在生成HF,氫被HF占據(jù)，會明顯降氫，進(jìn)而降低氫氣孔傾向。C鐵銹及水分的影響—焊件或者焊材中的不潔如鐵銹加熱分解放出H2和O2，一方面對熔池增加氧化作用，結(jié)晶時生成CO氣孔；另一方面增加了生產(chǎn)氫氣孔的可能性。第57頁/共66頁58一焊縫中的氣孔(2)工藝因素的影響A焊接參數(shù)的影響—包括焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。電流增大會使熔滴變細(xì)，比表面積增大，吸收氣體增多，增加氣孔的傾向。電壓增大，空氣中的氮侵入熔池形成氮?dú)饪住：杆僭龃?，增加了結(jié)晶速度，氣泡殘留出現(xiàn)氣孔。B電流種類和極性的影響—一般情況下交變焊時較直流焊時氣孔傾向較大，而直流反接較正接時氣孔傾向小。第58頁/共66頁59一焊縫中的氣孔C工藝操作方面的影響a焊前未按要求清除焊件、焊絲上的污繡或油脂。b