成形缺陷的产生机理及防止措施课件

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1、成形缺陷的产生机理及防止措施1成形缺陷的产生机理及防止措施2第一节第一节 内内应力应力第二节第二节 焊焊接变形接变形第三节第三节 裂裂纹纹第四节第四节 焊焊缝中的气孔与夹杂物缝中的气孔与夹杂物第五节第五节 焊焊缝中化学成分不均匀性缝中化学成分不均匀性成形缺陷的产生机理及防止措施3第一节第一节 内应力内应力成形缺陷的产生机理及防止措施4内应力没有外力的作用条件下，平衡物体内部的应力。焊接瞬时应力在焊接加热冷却过程中某一瞬时中存在的应力。焊接残余应力焊件完全冷却、温度均匀化后残留于焊件中的应力。内应力的存在对焊接结构质量有很大的影响。在一定条件下，内应力影响结构的强度、刚度、受压稳定性和加工精度。

2、残余应力存在对构件的承载能力影响较大。可能会导致构件材料局部或者整体断裂、低应力脆断、应力腐蚀开裂等现象。成形缺陷的产生机理及防止措施5一 内应力的形成内应力按其产生的原因可分为：热应力、相变应力和机械阻碍应力。1 热应力工件受热及冷却过程中，各部分的温度、冷却速度不同 造成的工件上在同一时刻各部分的收缩或膨胀量不同，导致内部彼此相互制约而产生的应力。该应力的本质是由热胀冷缩引起的，故称为热应力。2 焊接应力与变形焊接是热源移动和局部不均匀加热的过程。同一时刻离开热源中心不同点具有不同的温度分布。如将焊件分成无数小的窄板条，便可将微元件的温度当作是均匀场。这些受热元件在不同温度的周围杆件的作用

3、下处于应力状态，加入和冷却时无法自由膨胀和收缩，其本身也将对周围杆件产生制约作用。成形缺陷的产生机理及防止措施6成形缺陷的产生机理及防止措施7一 内应力的形成3 相变应力金属材料在固态相变过程中各部分因发生相变的先后时刻和相变过程不同，由此而产生的应力。4 机械阻碍应力焊件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力。工件在焊接时多采用能阻碍焊件收缩的刚性固定装置、工装夹具及胎具等，这些均可使工件产生拉应力和切应力。综上，焊件内的应力是热、相变、机械阻碍应力的总和，在冷却过程的某一瞬间当局部应力的总和大于金属在该温度下的抗拉强度时，工件就会产生裂纹。一般经过热处理(一定温度和时间)工件内各

4、部分的应力会重新分配或消失。成形缺陷的产生机理及防止措施8二 残余应力的分布纵向应力沿焊缝方向的应力,x。横向应力垂直于焊缝方向的应力,y 。厚度向应力沿板厚度方向的应力,z 。焊接残余应力值的大小可以用试验方法直接测定，亦可以进行理论计算。纵向和横向残余应力的实例见P185187图9-4、5、6、7、8和9。成形缺陷的产生机理及防止措施9三三 减少或消除焊接残余应力的途径减少或消除焊接残余应力的途径根据残余应根据残余应力产生的原因力产生的原因，可采用以下途径来，可采用以下途径来减少或消除焊接残余应力。减少或消除焊接残余应力。1 合理的结构设计合理的结构设计如避免焊缝的交叉及密集，如避免焊缝的

5、交叉及密集，尽量采用对接而避免搭接，用刚度小的结构代尽量采用对接而避免搭接，用刚度小的结构代替刚度大的结构等。替刚度大的结构等。2 选择合理的工艺及采取必要的措施选择合理的工艺及采取必要的措施采用小采用小热输入热输入(小直径焊条或低电流小直径焊条或低电流)，减小焊件的受，减小焊件的受热范围。安排合适的焊接顺序，尽可能使焊缝热范围。安排合适的焊接顺序，尽可能使焊缝能自由收缩。此外，可以采用预热措施，在焊能自由收缩。此外，可以采用预热措施，在焊前进行预热可降低工件中的温度梯度，降低焊前进行预热可降低工件中的温度梯度，降低焊接应力。接应力。成形缺陷的产生机理及防止措施10三三 减少或消除焊接残余应力

6、的途径减少或消除焊接残余应力的途径3 减少焊接残余应力的措施减少焊接残余应力的措施(1)热处理法热处理法一般将工件加热到塑性状态的温度，并一般将工件加热到塑性状态的温度，并保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，消除残保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，消除残余应力。再缓冷，使厚、薄部位的温度均匀。余应力。再缓冷，使厚、薄部位的温度均匀。(2) 机械法机械法如对压力容器、桥梁等采用加载办法降低如对压力容器、桥梁等采用加载办法降低残余应力。残余应力。原理原理是利用加载所产生的均匀拉伸应力与是利用加载所产生的均匀拉伸应力与焊接应力相叠加，使存在于高拉伸应力区的应力值达焊接应力相叠加，使存在于高

7、拉伸应力区的应力值达到屈服强度值，迫使材料发生塑性变形，卸载后该区到屈服强度值，迫使材料发生塑性变形，卸载后该区的残余应力得以完全或部分消除。的残余应力得以完全或部分消除。(3) 共振法共振法将焊件在共振条件下振动将焊件在共振条件下振动1015min，以，以达到消除焊接残余应力的目的。达到消除焊接残余应力的目的。该法的优点：该法的优点：设备费设备费用低，花费时间少，易于操作，无氧化皮，不受工件用低，花费时间少，易于操作，无氧化皮，不受工件大小尺寸的限制。不会因热处理规范不当产生裂纹。大小尺寸的限制。不会因热处理规范不当产生裂纹。成形缺陷的产生机理及防止措施11第二节第二节 焊接变形焊接变形成形

8、缺陷的产生机理及防止措施12一一 焊接变形的基本形式焊接变形的基本形式(1)收缩变形收缩变形(Contraction Deformation)焊接整体尺寸的焊接整体尺寸的减小，包括焊缝的纵向和横向收缩。减小，包括焊缝的纵向和横向收缩。(2)角变形角变形(Angular Deformation)焊缝截面上下不对称或焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向上下收缩不一致，引起的变形。受热不均匀时，焊缝因横向上下收缩不一致，引起的变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。(3)弯曲变形弯曲变形(Curving Deformation)焊缝在结构上不对

9、称焊缝在结构上不对称分布，使得焊缝的纵向收缩不对称，引起焊件向一侧弯曲，分布，使得焊缝的纵向收缩不对称，引起焊件向一侧弯曲，形成的变形。形成的变形。(4)波浪变形波浪变形(Waviness Deformation)焊接薄板结构时，焊接薄板结构时，焊接压应力使薄板失稳，引起不规则的变形。焊接压应力使薄板失稳，引起不规则的变形。(5)扭曲变形扭曲变形(Twist Deformation)焊缝的角变形沿焊缝长焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀和焊件纵向错边引起的，也是结构中焊度方向分布不均匀和焊件纵向错边引起的，也是结构中焊缝布置不对称，或者焊接顺序和施焊方向不合理有关。缝布置不对称，或者焊接顺序

10、和施焊方向不合理有关。成形缺陷的产生机理及防止措施13成形缺陷的产生机理及防止措施14成形缺陷的产生机理及防止措施151 1 焊接应力的成因和分类焊接应力的成因和分类 钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。焊接应力的成因可用右图所示的高温加热模型说明。 lll+ll拉伸变形压缩变形拉伸变形压缩变形拉伸变形压缩变形高温加热冷却自然状态成形缺陷的产生机理及防止措施16 由于焊接温度在空间任意方向传递，故产生的由于焊接温度在空间任意方向传递，故产生的焊接应力也属于三维应力状态，分为纵向

11、焊接应力焊接应力也属于三维应力状态，分为纵向焊接应力（与焊缝长度方向平行）、横向焊接应力（与焊缝（与焊缝长度方向平行）、横向焊接应力（与焊缝长度方向垂直）及沿焊缝厚度方向的焊接应力。长度方向垂直）及沿焊缝厚度方向的焊接应力。（1 1）纵向焊接应力）纵向焊接应力800500300施焊方向焊接应力焊接应力成形缺陷的产生机理及防止措施17（2 2）横向焊接应力）横向焊接应力 产生的原因有两个方面：其一是焊缝的纵向收缩产生的原因有两个方面：其一是焊缝的纵向收缩使两块钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整使两块钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，因而在焊缝中部产生横向拉应力，两端则产生压体，因

12、而在焊缝中部产生横向拉应力，两端则产生压应力。其二是因为施焊时，先焊的焊缝逐步冷却结硬，应力。其二是因为施焊时，先焊的焊缝逐步冷却结硬，具有一定的强度，并阻止后续焊缝的横向膨胀，使后具有一定的强度，并阻止后续焊缝的横向膨胀，使后续焊缝产生横向的热塑压缩。续焊缝产生横向的热塑压缩。+=焊缝弯曲横向应力横向收缩应力横向焊接应力焊接应力焊接应力成形缺陷的产生机理及防止措施18（3 3）厚度方向的焊接应力）厚度方向的焊接应力 厚度方向的焊接应力是厚钢板的对接焊缝连接中，施厚度方向的焊接应力是厚钢板的对接焊缝连接中，施焊时需多层施焊，受到加热和冷却不均匀而产生的。焊缝焊时需多层施焊，受到加热和冷却不均匀

13、而产生的。焊缝成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。当钢材厚度当钢材厚度t20mmt20mm时，厚度方向焊接应力较小，可忽略不时，厚度方向焊接应力较小，可忽略不计；但计；但t50mmt50mm时，厚度方向焊接应力可达时，厚度方向焊接应力可达50N50Nmmmm2 2。 由上可见，如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊由上可见，如果纵、横、

14、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。t焊接应力焊接应力成形缺陷的产生机理及防止措施192 2 焊接应力和焊接变形对结构工作的影响焊接应力和焊接变形对结构工作的影响（1 1）焊接应力对结构性能的影响）焊接应力对结构性能的影响1)1)对静力强度的影响对静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强：焊接应力不影响结构的静力强度。度。2)2)对构件刚度的影响对构件刚度的影响：焊接应力将降低构件的刚度：焊接应力将降低构件的刚度3)3)对构件稳定性的影响对构件稳定性的影响：焊接应力将降低构件的稳定：焊接应力将降低构件的稳定承

15、载力。承载力。4)4)对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响：焊接应力对直接承受动力荷载：焊接应力对直接承受动力荷载的焊接结构不利。的焊接结构不利。5)5)对低温冷脆的影响对低温冷脆的影响：焊接应力导致结构产生低温脆：焊接应力导致结构产生低温脆断。断。成形缺陷的产生机理及防止措施20（2 2）焊接变形的影响因素）焊接变形的影响因素A A 金属材料的热物理性能金属材料的热物理性能 一般，材料的线膨胀系数越大，产生的塑性压缩变一般，材料的线膨胀系数越大，产生的塑性压缩变形越大，冷却后纵向和横向的收缩也越大。导热性好的形越大，冷却后纵向和横向的收缩也越大。导热性好的金属，如铝，线膨胀系数大，高温金属，如铝

16、，线膨胀系数大，高温s s较低，变形较大。较低，变形较大。B B 工艺因素工艺因素 不同的施焊工艺、坡口形状不同的施焊工艺、坡口形状(V(V形坡口比形坡口比X X形坡口收形坡口收缩量大缩量大) )、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊的顺序、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊的顺序等，都对焊接结构的变形有很大的影响。等，都对焊接结构的变形有很大的影响。 总之，焊接变形会导致总之，焊接变形会导致构件安装困难，改变构件受构件安装困难，改变构件受力方式。如轴心压杆，若焊接时产生弯曲变形就变成压力方式。如轴心压杆，若焊接时产生弯曲变形就变成压弯构件，其强度和稳定承载力将受影响。弯构件，其强度和稳定承载力将受

17、影响。成形缺陷的产生机理及防止措施213 3 焊缝的合理构造及减小焊接应力、变形的措施焊缝的合理构造及减小焊接应力、变形的措施（1 1）焊缝的合理构造）焊缝的合理构造1)1)焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝，不用粗短焊缝。施焊时不得随意加大焊缝的焊脚尺寸。焊缝，不用粗短焊缝。施焊时不得随意加大焊缝的焊脚尺寸。2)2)设计时要考虑焊缝是否有施焊空间，并尽量避免仰焊。设计时要考虑焊缝是否有施焊空间，并尽量避免仰焊。3)3)焊缝布置尽可能对称，以减少焊接变形焊缝布置尽可能对称，以减少焊接变形, ,图图(a)(a)。4)4)不宜采

18、用带锐角的板料做肋板，板料的锐角应切掉，图不宜采用带锐角的板料做肋板，板料的锐角应切掉，图(b)(b)，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质。以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质。5)5)焊缝不宜过分集中，避免产生过大的焊接应力甚至产生裂焊缝不宜过分集中，避免产生过大的焊接应力甚至产生裂纹，图纹，图(c)(c)。6)6)当拉力垂直于受力板面时，要考虑钢板的分层破坏，图当拉力垂直于受力板面时，要考虑钢板的分层破坏，图(d)(d)。7)7)尽量避免焊缝相交，可将次要焊缝中断，保证主焊缝连续，尽量避免焊缝相交，可将次要焊缝中断，保证主焊缝连续，图图(e)(e)。成形缺陷的产生机理及防止措施22(d)

19、(e)正确不正确不正确正确(a)(b)(c)正确不正确不正确正确不正确正确成形缺陷的产生机理及防止措施23（2 2）减小焊接应力、变形的措施）减小焊接应力、变形的措施43217 6 6 7551234锤击法预热法合理的焊接次序42反变形法措施措施预热法预热法 锤击法锤击法 退火法退火法 合理的焊接次序合理的焊接次序 反变形法反变形法 成形缺陷的产生机理及防止措施24防止或减少焊接变形的方法防止或减少焊接变形的方法1 结构设计方面结构设计方面 设计要考虑强度、刚度、稳定性及制造工艺。如减少不必要的焊缝、尽设计要考虑强度、刚度、稳定性及制造工艺。如减少不必要的焊缝、尽可能采用小焊缝、注意开坡口的方

20、法；薄板常用点焊代替熔焊；还要合可能采用小焊缝、注意开坡口的方法；薄板常用点焊代替熔焊；还要合理布置焊缝位置，尽可能减少焊接变形量。理布置焊缝位置，尽可能减少焊接变形量。2 工艺方面工艺方面(1)反变形法反变形法依构件变形情况预先给出一个方向相反、大小相等的变形，依构件变形情况预先给出一个方向相反、大小相等的变形，来抵消焊件产生的变形达到要求。来抵消焊件产生的变形达到要求。(2)刚性固定法刚性固定法将焊件牢牢固定在夹具中进行焊接，以限制其变形的发将焊件牢牢固定在夹具中进行焊接，以限制其变形的发生生(图图9-15、9-16,P190)。(3)预留收缩量预留收缩量备料时预先考虑加放收缩余量。大小依

21、据经验估计，见备料时预先考虑加放收缩余量。大小依据经验估计，见表表9-2、9-3(P190)。(4)合理的工艺合理的工艺使用热输入较小的焊接方法，选择合适的焊接参数以及使用热输入较小的焊接方法，选择合适的焊接参数以及合理的施焊顺序。亦可对大型结构件分部件分别加以装配焊接，再拼焊。合理的施焊顺序。亦可对大型结构件分部件分别加以装配焊接，再拼焊。使不对称焊缝自由收缩，有效控制焊接变形。使不对称焊缝自由收缩，有效控制焊接变形。成形缺陷的产生机理及防止措施25(5)焊接变形的矫正焊接变形的矫正变形超出技术要求允许的变形超出技术要求允许的变形，进行校正。常用方法有：变形，进行校正。常用方法有：A机械矫正

22、机械矫正利用机械力使构件产生与焊接变利用机械力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，消除原有的焊接变形。形方向相反的塑性变形，消除原有的焊接变形。B火焰矫正火焰矫正用火焰局部加热使物体产生压缩用火焰局部加热使物体产生压缩塑性变形，冷却后产生的收缩变形校正原变形。塑性变形，冷却后产生的收缩变形校正原变形。C综合矫正综合矫正采用机械与火焰两种方法同时矫采用机械与火焰两种方法同时矫正焊接变形的方法。正焊接变形的方法。防止或减少焊接变形的方法防止或减少焊接变形的方法成形缺陷的产生机理及防止措施26第三节第三节 裂纹裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施27在应力与致脆因素的共同作用下，使材在应力与致脆因素

23、的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。它具有尖锐的时产生的缝隙称为裂纹。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是一种断裂形缺口和长宽比大的特征，是一种断裂形态的缺陷。态的缺陷。裂纹是焊接结构中最为重要的缺陷。各裂纹是焊接结构中最为重要的缺陷。各类事故的发生，如压力容器的爆炸、桥类事故的发生，如压力容器的爆炸、桥梁的断裂等，绝大多数是由裂纹而引起梁的断裂等，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏，可以说裂纹是引起的脆性破坏，可以说裂纹是引起脆性破脆性破坏坏的主要原因。的主要原因。成形缺陷的产生机理及防止措施28焊接裂纹的焊接裂纹的形态及

24、其分布见形态及其分布见P193，图，图9-22。焊接裂纹焊接裂纹出现在焊接过程中出现在焊接过程中如热裂纹和大部如热裂纹和大部分冷裂纹。分冷裂纹。出现出现在放置或运行中在放置或运行中冷裂纹中某些延迟裂纹冷裂纹中某些延迟裂纹和应力腐蚀裂纹。和应力腐蚀裂纹。出现出现在焊后热处理或再次受热过程中在焊后热处理或再次受热过程中消除应消除应力裂纹等。力裂纹等。按照产生裂纹的本质来分，按照产生裂纹的本质来分，可分为热裂纹、消可分为热裂纹、消除应力裂纹、冷裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂除应力裂纹、冷裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹。纹。各类裂纹的形成时期、分布部位及基本特各类裂纹的形成时期、分布部位及基本特征见征见P1

25、93表表9-4。一一 焊接裂纹的分类焊接裂纹的分类成形缺陷的产生机理及防止措施29裂纹类型裂纹类型形成时间形成时间基本特征基本特征被焊材料被焊材料分布部位及裂纹走向分布部位及裂纹走向热热裂裂纹纹结晶裂纹结晶裂纹（凝（凝固裂固裂纹）纹）在固相线温度以上稍高的温在固相线温度以上稍高的温度，凝固前固液状态度，凝固前固液状态下下沿晶间开裂，晶界有液膜，开沿晶间开裂，晶界有液膜，开口裂纹断口有氧化色彩口裂纹断口有氧化色彩杂质较多的碳钢、低中合金钢、杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金及奥氏体钢、镍基合金及铝铝在焊缝中，沿纵向轴向分布，沿界晶方向呈人字形，在弧坑在焊缝中，沿纵向轴向分布，沿界晶方

26、向呈人字形，在弧坑中沿各方向或呈星形，裂纹走向沿奥氏体晶界开裂。中沿各方向或呈星形，裂纹走向沿奥氏体晶界开裂。液化裂纹液化裂纹固相线以下稍低温度，也可固相线以下稍低温度，也可为结晶裂纹的延续为结晶裂纹的延续沿晶间开裂，晶间有液化，断沿晶间开裂，晶间有液化，断口有共晶凝固现象口有共晶凝固现象含含S、P、C较多的镍铬高强钢、较多的镍铬高强钢、奥氏体钢、镍基合金奥氏体钢、镍基合金热影响区粗大奥氏体晶粒的晶界，在熔合区中发展，多层焊热影响区粗大奥氏体晶粒的晶界，在熔合区中发展，多层焊的前一层焊缝中，沿晶界开裂的前一层焊缝中，沿晶界开裂失延裂纹及失延裂纹及多边多边化裂化裂纹纹再结晶温度再结晶温度TR附近

27、附近表面较平整，有塑性变形痕迹，表面较平整，有塑性变形痕迹，沿奥氏体晶界形成和扩沿奥氏体晶界形成和扩展，无液膜展，无液膜纯金属及单相奥氏体合金纯金属及单相奥氏体合金纯金属或单相合金焊缝中少量在热影响区，多层焊前一层焊纯金属或单相合金焊缝中少量在热影响区，多层焊前一层焊缝中，沿奥氏体晶界开裂缝中，沿奥氏体晶界开裂再热裂纹再热裂纹600700回火处理温度区回火处理温度区间，不同钢种再热开间，不同钢种再热开裂敏感温度区间不大裂敏感温度区间不大相同相同沿晶间开裂沿晶间开裂含有沉淀强化元素的高强钢、含有沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等镍基合金等热影响区的粗晶区，大

28、体沿熔合线发展至细晶区即可停止扩热影响区的粗晶区，大体沿熔合线发展至细晶区即可停止扩展展冷冷裂裂纹纹延迟裂纹延迟裂纹（氢（氢致裂致裂纹）纹）在在Ms点以下，点以下，200至室温至室温有延迟特征，焊后几分钟至几有延迟特征，焊后几分钟至几天出现，往往沿晶启裂，天出现，往往沿晶启裂，穿晶扩展，断口呈氢致穿晶扩展，断口呈氢致准解理形态准解理形态中、高碳钢，低、中合金属，中、高碳钢，低、中合金属，钛合金等钛合金等大多在热影响区的焊趾（缺口效应、焊根（缺口效应），焊大多在热影响区的焊趾（缺口效应、焊根（缺口效应），焊道下（沿熔合区），少量在焊缝（大厚度多层焊焊缝道下（沿熔合区），少量在焊缝（大厚度多层焊焊

29、缝偏上部），沿晶或穿晶开裂偏上部），沿晶或穿晶开裂淬硬脆化裂淬硬脆化裂纹纹Ms至室温至室温无延迟特征（也可见到少许延无延迟特征（也可见到少许延迟情况），沿晶启裂与迟情况），沿晶启裂与扩展，断口非常光滑，扩展，断口非常光滑，极少塑性变形痕迹极少塑性变形痕迹含碳的含碳的NiCrMo钢、马氏体锈钢、马氏体锈钢、工具钢钢、工具钢热影响区，少量在焊缝，沿晶或穿晶开裂热影响区，少量在焊缝，沿晶或穿晶开裂低塑性脆化低塑性脆化裂纹裂纹（热（热应力应力低延低延开裂）开裂）400以下室温附近以下室温附近母材延性很低，无法承受应变，母材延性很低，无法承受应变，边焊边开裂，可听到脆边焊边开裂，可听到脆性响声，脆性断口

30、性响声，脆性断口铸铁、堆焊硬质合金铸铁、堆焊硬质合金熔合区及焊缝，沿晶及穿晶开裂熔合区及焊缝，沿晶及穿晶开裂层状撕裂层状撕裂400以下室温附近以下室温附近沿轧层，呈阶梯状开裂，断口沿轧层，呈阶梯状开裂，断口有明显的木纹特征，断有明显的木纹特征，断口平台分布有夹杂物口平台分布有夹杂物含有杂质（板厚方向聚性低）含有杂质（板厚方向聚性低）的低合金高强钢厚板结的低合金高强钢厚板结构构热影响区沿轧层，热影区以外的母材轧层中，穿晶或沿晶开热影响区沿轧层，热影区以外的母材轧层中，穿晶或沿晶开裂裂应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹（SCC）任何工作温度任何工作温度有裂源，由表面引发向内部发有裂源，由表面引发向内部发展，

31、二次裂纹多，撕裂展，二次裂纹多，撕裂棱少，呈根须状，多分棱少，呈根须状，多分支，裂纹细长而尖锐，支，裂纹细长而尖锐，断口有腐蚀产物及氧化断口有腐蚀产物及氧化现象且有腐蚀坑，断口现象且有腐蚀坑，断口周围有裂纹分枝，有解周围有裂纹分枝，有解现状，河流花样等现状，河流花样等碳钢、低合金钢、不锈钢、铝碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等合金等焊缝和热影响区，沿晶或穿晶开裂焊缝和热影响区，沿晶或穿晶开裂成形缺陷的产生机理及防止措施30在焊接高温阶段发生的开裂现象，多在固相线附近发生，在焊接高温阶段发生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称为热裂纹。故称为热裂纹。热裂纹有凝固裂纹热裂纹有凝固裂纹(结晶裂纹结晶裂

32、纹)、液化裂纹，高温延迟裂、液化裂纹，高温延迟裂纹等形式，常见的是凝固裂纹。纹等形式，常见的是凝固裂纹。(一一) 热裂纹的形成条件及其特征热裂纹的形成条件及其特征1 热裂纹的形成条件热裂纹的形成条件 热裂纹具有高温沿晶断裂的性质。热裂纹具有高温沿晶断裂的性质。沿晶断裂的条件是：沿晶断裂的条件是：minmin 凝固过程或高温冷却过程中积累的应变量。凝固过程或高温冷却过程中积累的应变量。minmin高温阶段晶间的延性或塑性变形能力高温阶段晶间的延性或塑性变形能力如图如图9-239-23，与液膜有关的裂纹出现在凝固末期；与液膜，与液膜有关的裂纹出现在凝固末期；与液膜无关的裂纹出现在温度位于无关的裂纹

33、出现在温度位于A A再结晶温度再结晶温度TrTr附近。附近。二 热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施312 热裂纹的特征热裂纹的特征 (1)与液膜有关的热裂纹与液膜有关的热裂纹(液化裂纹液化裂纹) 凝固末期在固相线凝固末期在固相线Ts附近，因晶间残存液膜造成、附近，因晶间残存液膜造成、出现在焊缝中心的热裂纹为出现在焊缝中心的热裂纹为凝固凝固(结晶结晶)裂纹裂纹。在焊接。在焊接时由于近缝区过热，晶间出现液化使晶间液膜分离时由于近缝区过热，晶间出现液化使晶间液膜分离而导致开裂的现象。而导致开裂的现象。 微观上，裂纹具有沿晶液膜分离的断口特征，晶界微观上，裂纹具有沿晶液膜分离的断口特征，晶界面很光滑，

34、是液膜分离的结果，断口呈氧化色彩。面很光滑，是液膜分离的结果，断口呈氧化色彩。(2)与液膜无关的热裂纹与液膜无关的热裂纹 与再结晶相联系导致晶间延性陡降，造成沿晶裂纹，与再结晶相联系导致晶间延性陡降，造成沿晶裂纹，称称“高温失延裂纹高温失延裂纹”。也可能由于位错运动而形成。也可能由于位错运动而形成多边化边界多边化边界(亚晶界亚晶界)以致开裂，称为以致开裂，称为“多边化裂纹多边化裂纹”。二二 热裂纹热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施32焊接中热裂纹可以出现在焊缝或近缝区以及多层焊焊接中热裂纹可以出现在焊缝或近缝区以及多层焊焊道间的热影响区。凝固裂纹只存在于焊缝中，特焊道间的热影响区。凝固裂纹只存

35、在于焊缝中，特别是易出现在弧坑中，特称别是易出现在弧坑中，特称“弧坑裂纹弧坑裂纹”。宏观可见的热裂纹其断口均具有较明显的氧化色彩，宏观可见的热裂纹其断口均具有较明显的氧化色彩，可作为初步判断是否为热裂纹的判据。可作为初步判断是否为热裂纹的判据。焊接时近缝区产生的热裂纹一般是微裂纹，在外观焊接时近缝区产生的热裂纹一般是微裂纹，在外观上很难发现。上很难发现。二二 热裂纹热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施33二 热裂纹(二二) 热裂纹的形成机理热裂纹的形成机理1 凝固裂纹的形成机理凝固裂纹的形成机理 主要取决于三个方面：主要取决于三个方面：(1)脆化温度区间脆化温度区间Tb的大小的大小 Tb越大，越

36、易产生裂纹越大，越易产生裂纹(2)金属在金属在Tb区间所具有的最小延性的大小区间所具有的最小延性的大小 minmin越小，越小，越容易产生裂纹。越容易产生裂纹。(3)在在Tb区间的应变增长率区间的应变增长率 的大小的大小 越大，越易越大，越易产生裂纹。产生裂纹。以上三个方面是互相联系和互相影响的。以上三个方面是互相联系和互相影响的。Tb和和Tb的延性的延性取决于化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向取决于化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素。应变增长率取决于金属的热膨胀系数、焊件等冶金因素。应变增长率取决于金属的热膨胀系数、焊件的刚度、收缩阻力及温度场的温度分布等力学因

37、素。的刚度、收缩阻力及温度场的温度分布等力学因素。/ T/ T成形缺陷的产生机理及防止措施34二 热裂纹2 液化裂纹的形成机理液化裂纹的形成机理 液化裂纹只发生在液化裂纹只发生在焊接热影响区的近缝区，或多层焊焊缝中焊接热影响区的近缝区，或多层焊焊缝中相邻焊道的热影响区。液化裂纹的液膜是相邻焊道的热影响区。液化裂纹的液膜是焊接过程中沿晶界重新熔化的产物。焊接过程中沿晶界重新熔化的产物。液化裂纹的形成与偏析所造成的共晶反应液化裂纹的形成与偏析所造成的共晶反应有关。有关。材料中存在偏析元素，产生强烈的材料中存在偏析元素，产生强烈的偏析，使近缝区粗晶粒的边界出现共晶反偏析，使近缝区粗晶粒的边界出现共晶

38、反应，在焊接热循环的作用下发生熔化而形应，在焊接热循环的作用下发生熔化而形成液态薄膜。成液态薄膜。液化裂纹本身的尺寸并不很大，但能诱发液化裂纹本身的尺寸并不很大，但能诱发凝固裂纹、冷裂纹的形成。凝固裂纹、冷裂纹的形成。成形缺陷的产生机理及防止措施35二二 热裂纹热裂纹3 高温失延裂纹的形成机理高温失延裂纹的形成机理 若温度低于若温度低于实际固相线时不存在液膜所产生的晶间实际固相线时不存在液膜所产生的晶间断裂为断裂为“高温失延裂纹高温失延裂纹”。常温时，晶界沿着其本身发生滑移的变常温时，晶界沿着其本身发生滑移的变形量小；高温时，位错或空穴的密度增形量小；高温时，位错或空穴的密度增加，晶界的滑动越

39、来越明显，进一步促加，晶界的滑动越来越明显，进一步促使晶界扩散变形。晶界扩散变形的集中使晶界扩散变形。晶界扩散变形的集中会导致晶界裂纹的形成。如会导致晶界裂纹的形成。如P198图图9-28。成形缺陷的产生机理及防止措施36二二 热裂纹热裂纹(三三) 影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素1 冶金因素冶金因素 主要指合金的化学成分及凝固组织形态。主要指合金的化学成分及凝固组织形态。(1)化学成分对热裂纹的影响化学成分对热裂纹的影响A 合金元素对凝固温度区的影响合金元素对凝固温度区的影响合金元素既能影响凝固温度合金元素既能影响凝固温度区间，也能影响合金在脆性温度区中的塑性。而且，凝固裂纹区间，也能影响合

40、金在脆性温度区中的塑性。而且，凝固裂纹倾向的大小是随着凝固温度区的增大而增大，随此增大脆性温倾向的大小是随着凝固温度区的增大而增大，随此增大脆性温度区的范围也增大，因此凝固裂纹的倾向也增大。为了防止热度区的范围也增大，因此凝固裂纹的倾向也增大。为了防止热裂纹，有时采用超合金化的方法，产生更多的易熔共晶，发生裂纹，有时采用超合金化的方法，产生更多的易熔共晶，发生“愈合愈合”现象。现象。B 杂质元素的偏析以及偏析产物形态对热裂纹的影响杂质元素的偏析以及偏析产物形态对热裂纹的影响杂质元杂质元素素P和和S在钢中能形成低熔点共晶，在合金凝固过程中极易形成在钢中能形成低熔点共晶，在合金凝固过程中极易形成液

41、态薄膜，显著增大裂纹倾向。而且液态薄膜，显著增大裂纹倾向。而且P和和S在钢中能引起偏析，在钢中能引起偏析，偏析程度可用下式表示：偏析程度可用下式表示：A0K100%B成形缺陷的产生机理及防止措施37K元素的偏析度元素的偏析度;B开始凝固时晶轴上某元素的质量分开始凝固时晶轴上某元素的质量分数数;A最终凝固时晶界处的质量分数最终凝固时晶界处的质量分数;0某元素在液某元素在液相时的原始平均质量分数。相时的原始平均质量分数。偏析度偏析度K越大，元素的偏析程度越严重。越大，元素的偏析程度越严重。为了防止热裂纹，为了防止热裂纹，提高焊缝中提高焊缝中Mn/S比。当比。当wc0.1%时，时，Mn/S值应大于值

42、应大于22。总结各种合金元素对低合金钢焊缝凝固裂纹的影响，提出总结各种合金元素对低合金钢焊缝凝固裂纹的影响，提出热裂纹敏感系数热裂纹敏感系数HCS的计算公式：的计算公式：式中元素符号代表其质量分数。若式中元素符号代表其质量分数。若HCS4时，则可以防止时，则可以防止热裂纹的产生。热裂纹的产生。二 热裂纹3/25/100 103C SPSiNiHCSMnCrMoV成形缺陷的产生机理及防止措施38在奥氏体焊缝金属中，各种元素对凝固裂纹的影响在奥氏体焊缝金属中，各种元素对凝固裂纹的影响的热裂纹敏感系数的热裂纹敏感系数HCI的计算公式为：的计算公式为：由此可见，由此可见，P、S、Si、Ni能促进能促进

43、A不锈钢焊缝热裂不锈钢焊缝热裂纹的形成。为防止纹的形成。为防止A不锈钢焊缝产生凝固裂纹，要不锈钢焊缝产生凝固裂纹，要求求HCI11。(3) 拘束度的影响拘束度的影响为防止热裂纹，减少应变量及应变为防止热裂纹，减少应变量及应变增长率，以降低接头的拘束度。如合理布置焊缝，合增长率，以降低接头的拘束度。如合理布置焊缝，合理安排施焊顺序，对于厚板结构采用多层代替单道焊理安排施焊顺序，对于厚板结构采用多层代替单道焊缝等，均可降低裂纹倾向。缝等，均可降低裂纹倾向。总之，总之，产生热裂纹的影响因素很复杂，冶金和工艺因产生热裂纹的影响因素很复杂，冶金和工艺因素之间相互联系而各具特点。裂纹的产生是几种因素素之间

44、相互联系而各具特点。裂纹的产生是几种因素共同作用的结果。共同作用的结果。二二 热裂纹热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施41(四四) 防止热裂纹的措施防止热裂纹的措施 总原则，总原则，主要控制焊缝金属成分和调整焊接参数。主要控制焊缝金属成分和调整焊接参数。1 焊缝成分的控制焊缝成分的控制 (1)选择合适的焊接材料选择合适的焊接材料对一定的母材选用不同对一定的母材选用不同的焊接材料，可以得到不同成分的焊缝，在抗裂的焊接材料，可以得到不同成分的焊缝，在抗裂性上出现不同的差异。如加入细化晶粒元素性上出现不同的差异。如加入细化晶粒元素Mo、V、Ti、Nb等可以提高抗烈性的常用办法。等可以提高抗烈性的常用

45、办法。(2)限制有害的杂质限制有害的杂质对于不同材料的焊缝，有害对于不同材料的焊缝，有害元素的杂质也不同。各种材料中，均必须严格控元素的杂质也不同。各种材料中，均必须严格控制制P、S的含量。合金元素越高的材料，对的含量。合金元素越高的材料，对P和和S的限制要求越严格。的限制要求越严格。二二 热裂纹热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施422 调整焊接工艺调整焊接工艺焊接工艺的影响主要有以下几个方面：焊接工艺的影响主要有以下几个方面：(1) 适宜的焊接参数适宜的焊接参数适当增加焊接电流、电压提高焊接热输适当增加焊接电流、电压提高焊接热输入和预热温度，可以减少焊缝金属的应变速率，从而减低热入和预热温度

46、，可以减少焊缝金属的应变速率，从而减低热裂纹的倾向。裂纹的倾向。(2) 控制焊缝金属成形系数控制焊缝金属成形系数在不同的焊接方法和接头形式的在不同的焊接方法和接头形式的条件下，选用合适的成形系数。条件下，选用合适的成形系数。(3) 减少熔合比减少熔合比减少熔合比，即减少母材对焊缝的稀释作用，减少熔合比，即减少母材对焊缝的稀释作用，包括焊缝中合金元素的稀释，及母材中有害元素对焊缝的影包括焊缝中合金元素的稀释，及母材中有害元素对焊缝的影响。响。(4) 减少拘束度减少拘束度选择合理的焊接顺序，尽可能让大多数焊缝选择合理的焊接顺序，尽可能让大多数焊缝在较小的刚度下进行焊接，使焊缝的拘束应变减小。在较小

47、的刚度下进行焊接，使焊缝的拘束应变减小。二二 热裂纹热裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施43冷裂纹冷裂纹焊件在室温附近出现的裂纹。通常在焊件在室温附近出现的裂纹。通常在M转变开始温转变开始温度度Ms以下易出现开裂现象，故称以下易出现开裂现象，故称“冷裂纹冷裂纹”，以区别，以区别“热热裂纹裂纹”。冷裂纹最易出现在有一定淬硬倾向的金属中，如碳。冷裂纹最易出现在有一定淬硬倾向的金属中，如碳钢和高强度钢。钢和高强度钢。 淬火裂纹淬火裂纹与淬硬组织有关的冷裂纹与淬硬组织有关的冷裂纹 氢致裂纹氢致裂纹与氢脆有关的冷裂纹与氢脆有关的冷裂纹 低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹与材料本身低塑性有关，不需要其他致脆与材料

48、本身低塑性有关，不需要其他致脆因素作用而产生的冷裂纹因素作用而产生的冷裂纹(一一) 冷裂纹的形成条件及其特征冷裂纹的形成条件及其特征1 冷裂纹的形成条件冷裂纹的形成条件同热裂纹，要满足同热裂纹，要满足minmin。即局部。即局部区域的延性区域的延性不足以承受当时应力所产生的应变量不足以承受当时应力所产生的应变量。与与工件的拘束应力有关；工件的拘束应力有关；取决于冷却转变过程的致脆因素。取决于冷却转变过程的致脆因素。主要是淬硬组织的出现和氢的脆化作用。主要是淬硬组织的出现和氢的脆化作用。三 冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施44冷裂纹的分布形态与特征冷裂纹的分布形态与特征最易出现在焊道下、最易出

49、现在焊道下、焊根、焊趾部位。冷裂纹具有以下特征：焊根、焊趾部位。冷裂纹具有以下特征：分布形态分布形态典型的冷裂纹分布形态常见的有三种典型的冷裂纹分布形态常见的有三种如如P203图图9-36。A 焊趾裂纹焊趾裂纹裂纹起源于焊缝与母材交界的焊趾处，并有明裂纹起源于焊缝与母材交界的焊趾处，并有明显应力集中的部位（如咬肉处）。裂纹从表面出发，向厚显应力集中的部位（如咬肉处）。裂纹从表面出发，向厚度的纵深方向发展，止于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿度的纵深方向发展，止于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿纵向发展。纵向发展。B 焊道下裂纹焊道下裂纹裂纹产生于焊道之下的热影响区内，距熔裂纹产生于焊道之下的热影响区内

50、，距熔合线约合线约0.10.10.2mm0.2mm， 该部位常有粗大的马氏体组织。该部位常有粗大的马氏体组织。C 焊根裂纹焊根裂纹裂纹起源于应力集中的焊接坡口根部，有的裂纹起源于应力集中的焊接坡口根部，有的沿热影响区发展，有的则转入焊缝内部。沿热影响区发展，有的则转入焊缝内部。三 冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施45(2) 冷裂纹的特征冷裂纹的特征A 有延迟特征的冷裂纹有延迟特征的冷裂纹(氢致裂纹氢致裂纹)在焊后在焊后(或加工后或加工后)一段一段潜伏期出现的，以焊道下裂纹最为典型。长分为潜伏期、潜伏期出现的，以焊道下裂纹最为典型。长分为潜伏期、缓慢扩展和突然断裂三个互相联系的阶段。裂纹的扩展

51、呈缓慢扩展和突然断裂三个互相联系的阶段。裂纹的扩展呈断断续续的过程。常可听到清晰的开裂声音。是由氢的作断断续续的过程。常可听到清晰的开裂声音。是由氢的作用造成的。用造成的。B 无延迟特征的冷裂纹无延迟特征的冷裂纹(淬火、应力、低塑性脆化裂纹淬火、应力、低塑性脆化裂纹)塑性较低的合金焊接时，只要冷却到较低温度就会出现冷塑性较低的合金焊接时，只要冷却到较低温度就会出现冷裂纹，但与氢无关，主要与淬硬组织有关。裂纹，但与氢无关，主要与淬硬组织有关。(3) 断口特征断口特征宏观上冷裂纹具有发亮的金属光泽，呈脆性宏观上冷裂纹具有发亮的金属光泽，呈脆性断裂特征。微观上，呈晶间断裂特征。微观上，呈晶间(沿晶沿

52、晶)断裂或穿晶断裂。常看断裂或穿晶断裂。常看到是沿晶与穿晶共存的断口。当裂纹由氢的作用所致时，到是沿晶与穿晶共存的断口。当裂纹由氢的作用所致时，即氢致裂纹时，会有明显的氢致准解理断口出现，随着淬即氢致裂纹时，会有明显的氢致准解理断口出现，随着淬硬倾向的增大，沿晶断裂特征越明显。多数情况下，启裂硬倾向的增大，沿晶断裂特征越明显。多数情况下，启裂点是沿晶断裂，在扩展过程中是沿晶断裂或穿晶断裂。点是沿晶断裂，在扩展过程中是沿晶断裂或穿晶断裂。三三 冷裂纹冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施46(二二) 冷裂纹的形成及其延迟机理冷裂纹的形成及其延迟机理1 冷裂纹的形成机理及临界条件冷裂纹的形成机理及临界

53、条件 冷裂纹的产生与钢的淬硬倾向、氢含量及其分布，以及冷裂纹的产生与钢的淬硬倾向、氢含量及其分布，以及约束应力的状态三大因素有关。约束应力的状态三大因素有关。(1)氢的作用氢的作用氢在氢致裂纹的形成中起主要作用。它决氢在氢致裂纹的形成中起主要作用。它决定了裂纹形成过程中的延迟特点和其断面上的氢脆开裂定了裂纹形成过程中的延迟特点和其断面上的氢脆开裂特征。特征。焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀，使金属内部的焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀，使金属内部的各部分存在应力与相变的不同步，以及内应力的不均匀。各部分存在应力与相变的不同步，以及内应力的不均匀。在在“相变诱导扩散相变诱导扩散”、“应力诱导

54、扩散应力诱导扩散”和和“浓度扩散浓度扩散”等驱动力作用下，将导致在工件中出现氢致裂纹。等驱动力作用下，将导致在工件中出现氢致裂纹。三三 冷裂纹冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施47三 冷裂纹(2) 钢材的淬硬倾向钢材的淬硬倾向焊接时，钢种的淬硬倾向越大、越易焊接时，钢种的淬硬倾向越大、越易产生裂纹。主要是因为，钢淬硬后形成的马氏体组织是碳在产生裂纹。主要是因为，钢淬硬后形成的马氏体组织是碳在铁中的过饱和固溶体，晶格发生较大的畸变，使组织处于硬铁中的过饱和固溶体，晶格发生较大的畸变，使组织处于硬脆状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高达脆状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高达135

55、01400，使奥氏体晶粒严重长大，快速冷却时转变为，使奥氏体晶粒严重长大，快速冷却时转变为粗大马氏体，性能更为淬硬，且对氢脆非常敏感。粗大马氏体，性能更为淬硬，且对氢脆非常敏感。目前以钢中的碳当量目前以钢中的碳当量CECE来衡量钢种淬硬倾向及由此引起的冷来衡量钢种淬硬倾向及由此引起的冷裂倾向。碳当量与冷裂纹临界含氢量之间的关系如图裂倾向。碳当量与冷裂纹临界含氢量之间的关系如图9-399-39所所示。与图相应的碳当量示。与图相应的碳当量CECE计算公式为：计算公式为：111CE()()6155CMnCuNiCrMoV成形缺陷的产生机理及防止措施48由上式可知，碳含量越高，或含合金元素越多，则钢由

56、上式可知，碳含量越高，或含合金元素越多，则钢材的淬硬倾向越大。钢材的淬硬倾向越大，即越容易材的淬硬倾向越大。钢材的淬硬倾向越大，即越容易形成马氏体组织；马氏体数量越多，则氢脆的敏感性形成马氏体组织；马氏体数量越多，则氢脆的敏感性越强。当形成高碳马氏体越强。当形成高碳马氏体(孪晶马氏体孪晶马氏体)时，由于其硬度时，由于其硬度很高，性能很脆，裂纹的敏感性最强，即使没有氢的很高，性能很脆，裂纹的敏感性最强，即使没有氢的作用也可以能产生裂纹。作用也可以能产生裂纹。(3) 拘束应力拘束应力焊接中，由于不均匀的加热、冷却过程焊接中，由于不均匀的加热、冷却过程会产生应力，并将热应力和相变应力称为内拘束应力，

57、会产生应力，并将热应力和相变应力称为内拘束应力，而将结构的刚度、受载等条件产生的应力称为外拘束而将结构的刚度、受载等条件产生的应力称为外拘束应力。应力。三三 冷裂纹冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施49冷裂纹的三大因素中可能是其中一种或者两种因素起主要冷裂纹的三大因素中可能是其中一种或者两种因素起主要作用，其余的起辅助作用。一般来说，焊道下裂纹主要与作用，其余的起辅助作用。一般来说，焊道下裂纹主要与焊缝金属中存在高的扩散氢含量有关；缺口裂纹则主要与焊缝金属中存在高的扩散氢含量有关；缺口裂纹则主要与应力集中有关；而凝固过渡层裂纹主要与马氏体淬硬组织应力集中有关；而凝固过渡层裂纹主要与马氏体淬硬组

58、织有关。铸件中的冷裂纹主要是由拘束应力造成的，当局部有关。铸件中的冷裂纹主要是由拘束应力造成的，当局部应力值超过材料的抗拉强度时，便会产生裂纹。应力值超过材料的抗拉强度时，便会产生裂纹。(4) 产生冷裂纹的临界条件产生冷裂纹的临界条件根据冷裂纹的形成条件：根据冷裂纹的形成条件：minmin 即局部区域的延性即局部区域的延性minmin不足以承受当时应力所产生的应不足以承受当时应力所产生的应变变。影响。影响的根本因素是拘束度的根本因素是拘束度R R，而影响，而影响minmin的因素的因素是致脆因素，主要是氢脆和组织的硬化。是致脆因素，主要是氢脆和组织的硬化。三 冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施

59、50三三 冷裂纹冷裂纹总结以上三种因素，对于低合金高强钢的焊接，可归纳总结以上三种因素，对于低合金高强钢的焊接，可归纳成关于冷裂纹敏感性的重要关系式。其中最常用的关系成关于冷裂纹敏感性的重要关系式。其中最常用的关系是为：是为：或或 式中，式中，Pw、Pc为冷裂纹敏感指数；为冷裂纹敏感指数；Pcm为冷裂纹敏感组分；为冷裂纹敏感组分；HD为扩散氢含量；为扩散氢含量；R为拘束度；为拘束度；h为工件厚度。为工件厚度。60400000DwcmHRPP60600DccmHhPP53020601510cmSiMnCrCuNiMoVPCB成形缺陷的产生机理及防止措施512 氢致裂纹的机理氢致裂纹的机理可用氢的

60、应力诱导扩散理论进行解可用氢的应力诱导扩散理论进行解释。释。该理论认为：金属内部的晶格缺陷等缺陷提供了裂纹源，该理论认为：金属内部的晶格缺陷等缺陷提供了裂纹源，在缺陷前沿在缺陷前沿(即缺口处即缺口处)会形成应力集中的三向应力区。于会形成应力集中的三向应力区。于是应力的诱导下，使氢向高应力区扩散，并发生聚集。是应力的诱导下，使氢向高应力区扩散，并发生聚集。当氢的浓度达到一定值时，将促使位错移动或增殖。此当氢的浓度达到一定值时，将促使位错移动或增殖。此时缺口尖端微区的塑性变形量随氢的浓度增加而增大。时缺口尖端微区的塑性变形量随氢的浓度增加而增大。当氢的浓度达到临界值时，便发生局部开裂现象，导致当氢

61、的浓度达到临界值时，便发生局部开裂现象，导致裂纹向前扩展；并在裂纹尖端形成新的三向应力区，促裂纹向前扩展；并在裂纹尖端形成新的三向应力区，促使氢向新的三向应力区内扩散聚集。此时裂纹暂停向前使氢向新的三向应力区内扩散聚集。此时裂纹暂停向前扩展，只有当裂纹尖端局部的氢浓度达到临界值时，裂扩展，只有当裂纹尖端局部的氢浓度达到临界值时，裂纹才能进一步扩展。由此可见氢致裂纹的启裂需要一段纹才能进一步扩展。由此可见氢致裂纹的启裂需要一段时间时间(即潜伏期即潜伏期)，而且裂纹的扩展是一个断续的过程。裂，而且裂纹的扩展是一个断续的过程。裂纹停顿的时间正是氢再次进行扩散和聚集，并达到临界纹停顿的时间正是氢再次进

62、行扩散和聚集，并达到临界浓度所需的时间。浓度所需的时间。三三 冷裂纹冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施52三三 冷裂纹冷裂纹(三三) 、冷裂纹的控制、冷裂纹的控制 对于结构钢冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹的三大对于结构钢冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹的三大要素，即降低扩散氢的含量、改善接头组织和减小拘束应力。要素，即降低扩散氢的含量、改善接头组织和减小拘束应力。焊接中常用的措施是控制母材的化学成分、合理选用焊接材料焊接中常用的措施是控制母材的化学成分、合理选用焊接材料以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊后热处理。以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊后热处理。 1控制组织硬化控制组织硬化 （

63、1） 焊前预热预热；（焊前预热预热；（2）适当控制焊接热）适当控制焊接热(小热输入焊接小热输入焊接) 碳钢的预热温度碳钢的预热温度t0可参考下式进行选择：可参考下式进行选择： 式中，式中，h为焊件的厚度；为焊件的厚度；C为含碳量为含碳量(wt.%)。 对于低合金高强钢，根据插销试验，建立如下预热温度的经对于低合金高强钢，根据插销试验，建立如下预热温度的经验公式：验公式：HD为焊缝金属中扩散氢含量为焊缝金属中扩散氢含量(mL/100g);b b被焊金属的抗拉强被焊金属的抗拉强度度(MPa);h为工件厚度。为工件厚度。0550(0.2)0.5tCh032417.70.144.72214cmDbtP

64、Hh成形缺陷的产生机理及防止措施532 限制扩散氢的含量限制扩散氢的含量 严格限制氢的来源，采用低严格限制氢的来源，采用低氢焊接材料或焊接方法（氢焊接材料或焊接方法（ 如如CO2 焊），焊）， 进行消氢处进行消氢处理等。（理等。（1）采用低氢或超低氢焊接材料，并防止再吸）采用低氢或超低氢焊接材料，并防止再吸潮，有利于防止冷裂。对于重要的低合金高强钢的焊潮，有利于防止冷裂。对于重要的低合金高强钢的焊接，原则上都应选用碱性焊条。（接，原则上都应选用碱性焊条。（2） 适当预热和紧适当预热和紧急后热所谓紧急后热，即冷裂纹尚处在潜伏期，在末急后热所谓紧急后热，即冷裂纹尚处在潜伏期，在末启裂前实施的焊后热

65、处理。（启裂前实施的焊后热处理。（3）选用奥氏体焊条采用）选用奥氏体焊条采用奥氏体焊条焊接冷裂倾向较大的低、中合金高强钢，奥氏体焊条焊接冷裂倾向较大的低、中合金高强钢，能较好地避免冷裂纹。能较好地避免冷裂纹。 3控制拘束应力控制拘束应力三三 冷裂纹冷裂纹成形缺陷的产生机理及防止措施54第四节第四节 焊缝中的气孔和夹杂物焊缝中的气孔和夹杂物成形缺陷的产生机理及防止措施55一一 焊缝中的气孔焊缝中的气孔气孔带来的坏处气孔带来的坏处削弱焊缝的有效工作面积、带来应力削弱焊缝的有效工作面积、带来应力集中、降低焊缝的强度和韧性、对动载和疲劳强度不利、集中、降低焊缝的强度和韧性、对动载和疲劳强度不利、还会引

66、起裂纹。还会引起裂纹。1 焊缝中的气孔分类焊缝中的气孔分类(1)析出型气孔析出型气孔因气体在液、固态金属中的溶解度差造因气体在液、固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出形成的气孔。成过饱和状态的气体析出形成的气孔。A 氢气孔氢气孔对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔出现在焊对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔出现在焊缝的表面上，形状如同螺钉状，在焊缝表面上看呈喇叭缝的表面上，形状如同螺钉状，在焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。有时也出现在焊缝内部，口形，气孔四周有光滑的内壁。有时也出现在焊缝内部，多由结晶水所致。多由结晶水所致。B氮气孔氮气孔多出现在焊缝表面，多数是成堆出现，与蜂多出现在焊缝表面，多数是成堆出现，与蜂窝相似。氮来源于保护气体不好由空气侵入焊接区所致。窝相似。氮来源于保护气体不好由空气侵入焊接区所致。(2)反应型气孔反应型气孔熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的属的CO、H2O而生成的气孔。而生成的气孔。成形缺陷的产生机理及防止措施56一一 焊缝中的气孔焊缝中的气孔A CO气孔气孔液态金属含碳量较高而且脱氧不充液态金属含碳量较高而