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1、焊接热裂纹产生机理影响因素及防治措施1、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
2、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)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?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。Tb称为脆性温度区,在比区间易
3、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。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 Tb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(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?如果拉伸应力所产生的变形随温度 T 按曲线(1)变化,e 随 T 按曲线(1)变化。产生了e 变形量,但焊缝仍有es
4、的塑性储备量即es0,不产生热裂纹)(TP0mineeP如果按曲线(2)变化处于临界状态按曲线(3)变化时,超过了焊缝塑性的最低值,产生裂纹产生裂纹的条件是: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不足以承受当时所发生塑性应变量结论:脆性温度区间大小minPe0ee0e0minseeP0seTB大,拉应力作用时间长,产生裂纹可能性大,决定于焊缝化学成分,杂质性质与分布,晶粒大小。脆性温度区(TB)内金属的塑性,TB内金属的塑性越小,越易产生结晶裂纹。 TB内随温度降低变形的增长率,(拉伸应力的增长率)TB内 Te易产生裂纹变形增
5、长率越大,越易产生裂纹变形增长率的大小决定于金属的热胀系数,焊接接头刚度,焊缝位置,焊接规范的大小,温度场分布等。三者互相联系,又各有独立性。决定于冶金因素(化学成分结晶条件,偏析程度晶粒大小)决定于力的因素(焊件刚度,焊拉工艺、金属的热物理性质等)2、焊接结晶裂纹的影响因素1)、冶金因素结晶温度区间:合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加如图3-79 S 点、 结晶区间最大、 裂纹倾向最大、 共晶点、裂纹倾向最小。实 践 平 衡 条 件 下 , 虚 线 、 不 平 衡 结 晶图3-79合金元素a)、S、P 增加结晶裂纹倾向i)、S、P 增加结晶温度区间,脆性温度区
6、间 TB裂纹ii)、S、P 产生低温共晶988 10501260低温共晶,易形成液态薄膜,裂纹iii)、P、S 引起成分偏析实验可知P、S 偏析数大,由于偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。钢中各元素的偏析系数元素 S P W V Si MnK 200 150 60 55 40 15b)、Ci)、C0.16% 加剧 P 有害作用 裂iii)、C0.51% 初生相元素 S、P 最大溶解度S S 相 相P 0.18 0.052.8 0.25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c)、MnMn 具有脱 S 作用其中 Mn 熔点高,早期结晶星球状分布,MnSFeSM
7、n抗裂含碳量C0.016% P 对形成结晶裂纹的作用超过了S,Mn无意义d)、Si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,但也有例外,例如焊接高强铝合金时,加入 5%的铝硅合金焊丝,利用易熔共晶的“愈合作用”消除裂纹。e)、钛Ti 锆(4)和稀土元素对硫的亲合力大,形成高熔点的硫化物,消除结晶裂纹 有良好的作用。f)、OO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,裂凝固时界面张力杂质的低熔点共晶所造成的液态薄膜是产生结晶裂纹的重要因素,若将晶界的液态薄膜改变为球状的形态,抗裂性
8、如图384固相晶粒之间和固液之间表面张力的平衡关系为2cos2SLSSSL固体晶粒与残液之间的表面张力固体晶粒之间的表面张力固相与液相的接触角当越小越小 /=0.5 =0 残液在固体晶粒以薄膜存在裂=180残液以球状形态分布裂一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响晶粒大小:晶粒粗大裂SSSLSLSS初生相:相裂裂线膨胀系数小于,相变应力裂2)、力的因素在焊接时脆性温度区内金属的强度要小于在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。即产生结晶裂纹的充分条件在脆性温度区内金属的强度在脆性温度内金属所承受的拉伸应力金属的强度决定于晶内强度mmm1晶间强度T T =称金属的等强温度T时,发生断裂晶间断裂若焊缝
9、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3、防止结晶裂纹的措施1)、冶金方面控制焊缝中有害杂质的含量,限制S、P、C 含量S、P0.03-0.04焊丝 C0.12% (低碳钢)焊接高合金钢,焊丝超低碳焊丝改善焊缝的一次结晶细化晶粒,加入 Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al2)、工艺方面(减少拉应力)te 0T te ()应变 E、()接头预热型式 适当增加线能量(q/v)接头型式合理()妥善安排焊接次序 焊次序2、近缝区液化裂纹1、产生部位及材料通常产生在母材的热影响区的粗晶区,也可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属
10、于晶间开裂性质,裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。液化裂纹多发生在铬、 镍的高强钢、 奥氏体钢、 镍金合金等,尺寸小0.5mm 以下2、产生原因1)、近缝区晶界处存在低熔点杂质,被重新加热(次要因素)如 FeS 熔点 1190,熔点为 645,熔点为1160造成晶界局部熔化2)、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)(主要因素)低熔点共晶体一般组成物为 S、P 等杂质,碳化物如NbC、M6C、MC 碳氮化合物、硼化物等。在较大焊接线能下的焊接条件下,由于不平衡的快速加热过程,近缝区的晶界发生迁移,晶界恰好与富集溶质部位重合时,晶界显著发生偏析,易发生液化现象,晶间液膜主要形成于晶界碳化物 MC 或 M
11、bC 的周围部位。 在焊接快速加热时,MC 趋向分解并向基体扩23SNiPFe3散,但时间不充分,在 MC 周围富集浓度高的溶质元素,与基体小反应而形成低熔点共晶,从而产生液化裂纹的现象。例如 188Nb 是奥氏体不锈钢,其中含 Nb 由于 Nb 易偏析元素,晶界上集富较多的 NbC、NbC 与发生共晶反应,使晶界在 13401350发生液化,比实际固相线温度低70。3、影响因素1)、化学成分2)、工艺因素4、防止措施Fe1)、控制S、P 等杂质含量如采用电渣精炼的方法,去除合金中的杂质。2)、焊接工艺上,采用小线能量,避免近缝区晶粒粗化3、多边化裂纹1、形成条件(形成机理)多边化现象,焊缝金
12、属中存在很多高密度的位错在高温和应力的共同作用下,位错极易运动,在不同平面上运动的刃型位错遇到障碍时可能发生攀移,由原来的水平组合变成后来的垂直组合,即形成“位错壁”就是多边化现象。多边化是一个扩散过程多边化现指部分位氏排列成稳定而整齐的小角度晶界,即形成完整亚结构的意思。多边化边界就是亚晶界多边化边界和富集有害杂质的部位重合时,可能产生超微观裂纹,在拉伸应力作用下,这种超微观裂纹可发展成为微裂纹并延伸到结晶前缘,在析集毛细现象作用下,可以从熔池中渗入微裂纹中大量表面活性物质,使微裂纹进一步扩展,形成多边化裂纹。多边化裂纹形成阶段:发生在焊缝尚未完全凝固的固液态阶段,裂纹的形核是在正在凝固的柱
13、晶的多边化边界之上。2、特点1)、发生部位与材料发生在焊缝中,常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属裂纹走向:以任意方向贯穿树枝状结晶2)、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近,多边化裂纹总是迟于再结晶3)、裂纹多发生在重复受热金属中(多层焊)4)、断口呈现出高温低塑性断裂3、影响因素形成多边化过程所需时间:t完成多边化过程所需时间kTv ett00t常数u多边化过程的激活能,决定于合金成分和应力状态R气体常数(8.4J/molk)T温度(K)从公式中可以看出,完成多边化过程所需时间与H、T有关。1)、多边化过程的激活能uu与合金成分,应力状态有关i).合金成分u.t 长,形成多边化裂纹时间长,晶格缺陷移动,聚集就慢,加入焊缝中一些提高多边化过程激活能的元素,可有效阻止多边化过程,如加入(钽、 钼、 钨、 钛)高温相存在也会阻碍位错移动,也可阻止二次晶界形成ii).应力状态,有应力存在,使多边化过程加速,有效激活能有效激活能u没有应力作用时多边化的激活能由于应力作用造成减少的多边化激活能当应力加效多边化过程2)、T在形成多边化的温度区间内 Tt 高温时,多边化刚刚形uuueeuuueu 成的温度,原子活动能力大,晶格缺陷的移动聚集比较容易,易产生多边化裂纹。
限制150内