焊接缺陷的控制-焊接裂纹及控制

2018-12-31 20:33 作者:管理员8 来源:未知 浏览: 字号:
5.1焊接裂纹及控制
 
5.1.1形成裂纹的条件
 
    焊接裂纹可能在焊后立即就能发现,常发现于焊道上,有的肉眼可见,有的需经无损探伤才能发现。有的焊接裂纹可能产生于基体金属熔合区,而且可能焊后不能立即出现,有一定延迟开裂性质。按裂纹产生时期,一般有两种情况。一种是在堆焊层金属从液态到固态凝固的末期(固一液态)产生的裂纹,可称为“热裂纹”。一种是在焊接过程结束,堆焊金属已完全凝固之后,在冷却到接近室温时形成的裂纹,可称为“冷裂纹”。
 
    金属加热时膨胀,冷却时收缩,是基本特性。凡不能自由收缩时,该金属必承受拉伸应变,若金属塑性不足以承受该拉伸应变时,就会产生开裂现象。对于堆焊接头,产生裂纹的临界条件可以表达如下:
焊接缺陷的控制-焊接裂纹及控制1
式中,。为形成裂纹的局部位置实际产生的拉伸应变量;s、为形成裂纹的局部位置所具有的最低塑性。主要与材料的线胀系数有关,也与拘束度有关。与一般焊接条件相比,堆焊时拘束度相对要小一些,是有利之点。但堆焊合金多为高合金,而且是异种金属接头,线胀系数的影响则十分显著,是不利之点。

  .至于S*则主要取决于材质特性。铸铁焊补时极易在室温附近发生开裂现象,一个重要原因是铸铁本身塑性极低,因本身性脆而不能承受焊接造成的拉伸应变作角,所以产生裂纹。而Cr-Ni奥氏体不锈钢堆焊合金,测其力学性能,具有极优异的塑性,但在堆焊层中却常易产生热裂纹,裂纹是沿奥氏体晶界形成的。这说明,在堆焊合金凝固过程中存在致脆因素而导致晶界脆化,因而沿晶界高温开裂。所以,如何提高8*是重要的一环。

5.1.2热裂纹的产生及控制
 
    (1)热裂纹的产生及其影响因素
 
    热裂纹是在高温下在焊缝金属和焊接热影响区中产生的一种沿晶裂纹。在高温阶段当晶间延性或塑性变形能力S,m不足以承受当时发生的应变。时,即发生高温沿晶裂纹。如图3.2-25所示,低碳钢等某些金属的凝固冷却过程中的塑性变化曲线上可以看到两个低塑性区,对应这两个“脆性温度区间”,相应出现两种类型的热裂纹:产生于凝固后期的脆性温度区间工的结晶裂纹或凝固裂纹,以及产生于固态下的脆性温度区间n的失塑裂纹。此外,还有一些特殊情况下出现的热裂纹,如因过热条件下近缝区局部熔化而出现晶间液膜开裂的液化裂纹等。

图3.2一25低碳钢商沮塑性变化曲钱
    结晶裂纹是热裂纹中的一种普遍形态。一般沿焊缝的轴线连续或断续地分布,从微观上看主要沿晶界或亚晶界分布。热裂纹的沿晶特征主要是富集于晶界的杂质引起的。金属结晶时,先结晶的金属比较纯,后结晶的杂质较多,并富集于境界。钢中的硫、磷等杂质都具有形成低熔点共晶的作用,在金属凝固过程中,·低熔点共晶被排挤在境界形成一种“液态薄膜”。由于收缩时受到拉伸应力,这种毫无强度的液态薄膜便被拉裂。
 
    焊缝结晶裂纹的产生主要决定于以下因素。
 
    1)脆性温度区TB的大小TB越大产生结晶裂纹的倾向也越大。

    2)在脆性温度区内金属的塑性塑性越小越容易产生结晶裂纹。
 
    3)在脆性温度区内的应变增长率增长率越大越容易产生结晶裂纹。
 
    以上三方面中,脆性温度区的大小和金属的塑性主要取决于冶金因素(化学成分、结晶条件、偏析程度、晶粒的大小和方向等);而应变增长率主要取决于力的因素(被焊金属的热物理性质、焊件的刚度、焊接工艺和温度场的分布等)。在诸因素中化学成分的影响是最本质的。在碳钢和合金钢中,各元素影响如下。
 
    ①硫和磷能形成多种低熔点共晶,是钢中极易偏析的元素,能显著增大裂纹倾向。
 
    ②碳能加剧硫、磷等元素的有害作用,是钢中影响结晶裂纹的主要元素,所以常用碳当量来评价钢种焊接性的难易。
 
    ③锰具有脱硫作用,能置换FeS为MnS,并使薄膜状FeS改变为球状分布,从而提高了焊缝的抗裂性。
 
    ④硅是S相形成元素,应有利于消除结晶裂纹,但硅含量超过0.4%时,易形成硅酸盐夹渣,降低焊缝力学性能。
 
    ⑤镍在低合金钢中易与硫形成低熔点共晶,易引起结晶裂纹。
 
    产生裂纹的因素是很复杂的,概括起来主要是冶金因素和力学因素共同作用的结果。
 
    (2)热裂纹的防止措施
 
    1)冶金因素方面

    ①控制硫、磷、碳等有害杂质的含量在被焊金属和焊丝中硫、磷的含量应小于0.03%一0.04%,对于焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝碳含量一般不超过0.12%;焊接高合金钢时硫、磷的含量必须限制在0.03%以下,焊丝中的碳含量更要严格限制,甚至要求在0.03%以下。对一些重要的焊接结构采用碱性焊条和焊剂可以有效控制有害杂质。
 
    以Mn13为例,堆焊合金磷含量偏高时,奥氏体晶界会出现较多易熔液膜,因而在凝固后期拉伸应变增大时,易沿此液膜存在的晶界开裂,是为“热裂纹”。高Ni钢或合金钢(如Cr25Ni2O, Crl5Ni35奋Ni-Cr17Mo17W4)中,不仅硫或磷会造成偏析液膜,硅也会形成偏析共晶液膜,因而均促使产生“热裂纹”。如图3.2-26所示,只有限制Si < 0.3%才可防止产生裂纹。甚至在Ni合金焊接中微量Mg (< 0.12%)也会形成共晶液膜(Ni + Nit Mg共晶),从而促使形成热裂纹。含Ni量越高,对杂质偏析越敏感。试比较Cr25Ni2O (25-20)和Cr18Ni8 (18-8)两类不锈钢,如图3.2-27所示,在同样含磷’(P)量条件下,25-20比18-8更易产生热裂纹。
图3.2-26  Ni合金焊接时硅质It分数(WSi)对热裂纹的影响
    总之,必须查明不同堆焊合金所敏感的有害杂质,尽可能提高堆焊合金的纯度。
图3.2-27磷质f分数(wp)对不锈钢热裂倾向的影响
    ②向焊缝加人细化晶粒的元素细化晶粒可以提高焊缝金属的抗裂性。广泛采用的办法是向焊缝加人Mo, V,Ti, Nb,Zr,Al和稀土等细化晶粒的元素。其中钦、错和斓、饰等稀土元素能形成高熔点的硫化物,对消除结晶裂纹有良好作用。
 
    2)工艺方面工艺方面主要是采用合理的焊接规范,进行预热缓冷,选择合理的接头形式,采用多层焊及注意焊接次序等。

5.1.3冷裂纹的产生及控制
 
    (1)冷裂纹的产生及其影响因素
 
    冷裂纹是由于材料在室温附近温度下脆化而形成的裂纹。由于冷裂纹往往是在零件的工作温度区间产生,一旦产生后会在工作应力.的作用下迅速扩展,造成灾难性事故,因而更具危险性。
 
    冷裂纹多发生在中碳钢、高碳及合金结构钢的焊接接头中,特别是易出现在热影响区。其常见的分布形态主要有以下几种。
 
    ①焊道下裂纹距熔合线0.1-0.2mm的近缝区中形成的微小裂纹,其走向大体与熔合线平行,也有垂直的。常发生在淬硬倾向大、氢含量较高的焊接热影响区。
 
    ②焊趾和焊根裂纹常起源于基材与焊缝的交界、且有明显应力集中的缺口部位,即焊缝的焊趾或根部。裂纹经常与焊缝方向一致。组织均为粗大的马氏体。
 
    冷裂纹的发生温度多在一75一100℃之间;冷裂纹的发生时间,有些焊后不立即出现,这种有潜伏期的冷裂纹可称延迟裂纹;有的焊后立即出现,如淬硬倾向较大的调质钢则无潜伏期。

    冷裂纹的形成与被焊钢材的淬硬组织、接头中的氢含量及其分布、接头所处的拘束应力状态密切相关,这三者可称为形成冷裂纹的三大要素。
 
    1).钢种的淬硬倾向淬硬倾向主要与化学成分、焊接工艺、结构板厚和冷却条件有关。淬硬倾向增加会形成硬而脆的马氏体,裂纹易于形成和扩展。当碳含量较低时,淬硬后得到的是低碳条状马氏体,其韧性较好,裂纹敏感性稍小;而碳含量提高时,就会转变为片状马氏体,由于在片内存在着平行的孪晶,亦称为孪晶马氏体。它硬而脆,对裂纹和氢脆的敏感性特别强。一般来说,钢的组织对裂纹和氢脆的敏感程度大致按下列顺序增加:
 
    铁素体或珠光体一下贝氏体—低碳马氏体—上贝氏体—粒状贝氏体—岛状MA组元—高碳孪晶马氏体。
 
    由于马氏体转变是不平衡转变,相变速度快,因而淬硬还会产生空位和位错等缺陷,它们的聚集会造成裂纹源。
 
    表3.2-5简要概括了常见堆焊合金及其组织特点。由此可知,多数堆焊合金的典型组织都存在脆性组织单元,如硬脆马氏体、莱氏体、网状碳化物、共晶等。其中一些碳化物硬度甚高,如Cr7C3的硬度达1700HV。所以它们产生裂纹的倾向相当大,并且多半是冷裂性质。

表3.2-5堆焊合金及其典型组织特点
    2)氢的作用氢在金属中有两种形式,一是可以运动的扩散氢,二是不可运动的残留氧。扩散氢在冷裂纹形成中起着重要作用,它决定了裂纹形成过程中的延迟开裂特点及其断口上的氢脆开裂特征,因而许多文献把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。
 
    一般情况下,基材和焊丝中的氢含量是很少的,焊接材料中的水分、油污、铁锈及空气中的湿气是焊缝金属中富氢的主要来源。
 
    焊接条件下,氢分解成原子或离子状态,并大量溶于熔池中。在随后的冷却和凝固过程中,由于溶解度的急剧下降,氢极力向外逸出。但焊接时的冷却速度很快,使氢来不及逸出而以过饱和状态残存在焊缝内。过饱和的原子氢在金属中极不稳定,即使在室温下也能在晶格中自由扩散,甚至逸出表面,这部分具有活动能力的氢称为“扩散氢”。另一部分过饱和氢进人金属缺陷后成为分子状态的“残留氢”。扩散氢在金属中的扩散行为对其脆化和延迟开裂起着重要作用。

    氢在奥氏体(A)中的溶解度要比在铁素体(F)中的溶解度大得多。由于焊缝与近缝区基材的相变不同步,冷却中当焊缝中的A已分解转变为F时近缝区仍为A组织,这样氢很快地越过熔合线向尚未发生分解的近缝区扩散。因氢在A中的溶解度大而扩散速度小,在近缝区转变前不能扩散到距熔合线较远的基材中,便在熔合线附近形成了富氢地带。当滞后转变的富氢热影响区发生A向马氏体转变时,氢难以扩散离开,便以过饱和状态残留在马氏体中,促使该区域进一步脆化。这就是冷裂纹易于在熔合区产生的原因。若该区域还有缺口存在,则更加剧了裂纹的敏感性。当焊接某些超高强钢时,有时由于焊缝合金成分复杂,使得热影响区的组织转变先于焊缝进行,这时氢就从热影响区向焊缝扩散,就可能在焊缝出现裂纹。

    冷裂纹不仅与上述的“相变诱导扩散”有联系,还与氢的“应力诱导扩散”过程有联系。焊接接头在应力的作用下,会在微观缺陷构成的裂纹敏感区域附近形成局部三维应力场。’氢具有向该区域扩散的倾向,应力随着氢的扩散而增高,缺口尖端塑性应变也随之加大。当氢扩散聚集的浓度达到临界值时,就会发生启裂并扩展。其后,氢又不断向新的三维应力场扩散、聚集。这种过程周而复始地断续进行,直至成为宏观裂纹。

    3)应力的作用在焊接条件下主要存在以下应力:
 
    不均匀加热及冷却过程中产生的热应力;
 
    金属相变时产生的组织应力;
 
    结构自身拘束条件所造成的应力。
 
    上述三种应力都受到各种条件的拘束,可把三种应力的综合作用统称为拘束应力。为便于研究,有人将其分为“内拘束应力”(即热应力和相变应力)和“外拘束应力”(结构刚度、焊接顺序、受载情况等造成的应力)。
 
    总之,氢、组织和应力三者对冷裂纹的影响是非常复杂的,它们既有各自的内在的规律,又存在相互联系和相互依赖的关系。
 
    (2)冷裂纹的防止措施
 
    总的原则是控制影响冷裂纹的三大因素,即尽可能地降低拘束应力、消除一切氢的来源及改善组织。

    1)冶金措施尽可能选择抗裂性好的优质钢材和焊接材料。应根据具体情况合理制定堆焊合金系统,注意堆焊金属与基材的合理配合。
 
    在焊接材料的选择上可考虑选用低氢或超低氢焊条,并严格控制焊条药皮的含水量。要重视焊条的防潮,对于某些淬硬倾向不太大的高强钢将焊条进行45090烘干后使用可防止冷裂纹产生;采用奥氏体焊条即可避免采取预热措施又能防止冷裂纹产生;在焊条中复合加人表面活性元素Te(啼)、Se(硒)和稀土元素Re等可显著提高接头的抗冷裂性能;使用碱性药芯焊丝C02气体保护焊,能获得低氢焊缝,改善抗冷裂能力。
 
    2)工艺措施工艺措施包括正确选择焊接规范、焊前预热、焊后缓冷、焊后后热及焊后热处理等。

    确定预热温度时,必须综合考虑钢种成分、焊接材料、坡口形式、焊缝金属氢含量等因素,在这方面有些经验公式可供参考;选用合适的后热工序可适当降低预热温度和代替某些重要焊件的中间热处理。对于一些低合金高强钢厚壁容器的焊接采用后热30()一35090,保温lh,可避免裂纹,并能使预热温度降低509C;要尽量降低焊接接头的拘束应力,如设计上应防止焊缝分布过于密集,尽可能消除应力集中部位,特别是缺口效应。

    对于表3.2-5中列出的许多产生裂纹倾向大的堆焊合金,为提高其塑性,常常不得不采用高温预热办法来改善组织,有时还要采用“短小焊道”、“分散断续”的施焊工艺,以减小收缩应变。如高碳低合金堆焊合金一般应预热350 400℃;铬一钨、铬一钥热稳定堆焊合金一般应预热粼X〕℃,焊后缓冷;高铬马氏体堆焊合金中2Cr13, 3Cr13需预热300400℃,而碳含量大于1%的Cr12一般应预热500℃以上;高铬合金铸铁堆焊合金一般应预热400 - 600℃。但Mn 13奥氏体钢堆焊合金为另一种典型,堆焊后急冷可获得单一奥氏体组织,产生裂纹的倾向显著减小。而若堆焊后缓冷,则得到奥氏体和碳化物的混合组织(见图3.2-28),韧性很差,产生裂纹的倾向明显增大。所以高锰钢堆焊绝对不可进行预热。而是要采用小电流,断续焊,焊后立即浇水冷却,以便减少堆焊区过热。

圈3.2-28高锰钢堆焊组织图

(责任编辑:laugh521521)
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