焊接裂纹ppt课件.ppt
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第四节焊接冶金缺陷焊接裂纹(weldingcracks),一概述,二焊接热裂纹(hotcracking),三焊接冷裂纹(coldcracking),四再热裂纹(stressreliefcracking),五层状撕裂(lamellartear),六应力腐蚀裂纹(stresscorrosioncracking),七焊接裂纹综合分析和判断,焊接裂纹,重点内容,1、裂纹的分类及一般特征2、结晶裂纹的形成机理3、焊接冷裂纹的形成机理,特征、影响因素,及其防治措施4、焊接裂纹综合分析及判断5、各种裂纹断口形貌特征,4-1概述,一、危害性焊接结构产生裂纹轻者需要返修,浪费人力、物力、时间,重者造成焊接结构报废,无法修补。
更严重者造成事故、人身伤亡。
如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时,断裂成两段而沉没,USA二战制造4694艘舰船,970艘出现1442处裂纹,8艘腰断;59年我国万吨级巨龙号首航中途断裂,据统计,40%强的船舶断裂事故是由焊接裂纹引起的。
比利时1938-1940年焊接50座桥,断裂10座,在压力容器破坏事故中,也有很多都是由于焊接裂纹造成。
上海宝山钢铁股份有限公司能源部一台650m3氮气球罐(07MnCrMoVR),在原施工单位安装过程中焊缝和热影响区出现裂纹,并且已经扩展,被上海市锅炉压力容器检验所判定为报废球罐。
因此,研究解决焊接裂纹已成为当前焊接技术人员的主要课题。
二.分类:
1、按裂纹分布的走向分,纵向裂纹,2、按裂纹发生部位分,横向裂纹纵向裂纹星形(弧形裂纹),焊缝金属中裂纹热影响区中裂纹焊缝热影响区贯穿裂纹,3、按产生本质分类,1)、热裂纹(高温裂纹)产生:
热裂纹(高温裂纹)高温下产生存在部位:
主要发生在焊缝中,有时也存在于热影响区,特征:
宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布(连续或继续)也可看到焊缝横向裂纹,因在高温下形成,裂口均有较明显的氧化色彩,表面无光泽,微观看,沿晶粒边界(包括亚晶界)分布,所以又称晶间裂纹,属于沿晶断裂性质,1)、热裂纹分类,结晶裂纹:
在凝固的过程-结晶过程中产生高温液化裂纹:
在高温下产生,钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物经重新熔化,在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂多边化裂纹:
产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生在纯金属或单相奥氏体合金焊缝中。
HAZ液化裂纹,晶间裂纹,多边化裂纹,2)、再热裂纹(消除应力处理裂纹),由于重新加热(热处理)过程中产生称再热裂纹消除应力处理裂纹。
3)、冷裂纹,产生温度:
温度区间在+100-75之间存在部位:
多在热影响区,但也有发生在焊缝。
特征(断口):
宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。
微观看:
晶间断裂,但也可穿晶(晶内)断裂,也可晶间和穿晶混合断裂。
(a)穿晶开裂(b)沿晶开裂高铬合金铸铁堆焊层中的冷裂纹(2000年5月),冷裂纹分类:
延迟裂纹:
特点不在焊后立即出现,有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。
淬硬脆化裂纹(淬火裂纹):
淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹(与氢含量关系不大)。
低塑性脆化裂纹:
在比较低的温度下,由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。
延迟裂纹,4)、层状撕裂:
由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物)和焊接时产生的垂直轧制方向的应力,使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。
5)、应力腐蚀裂纹:
金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象,称应力腐蚀裂纹。
裂纹分类、特征归纳表,三、热裂纹与冷裂纹的基本特点,4-2焊接热裂纹,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,有时焊缝内部两个树枝状晶体之间。
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,除发生在焊缝之外,还出现在近缝区上。
结晶裂纹,2)、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向,在焊缝金属凝固结晶的后期,低熔点共晶物被排挤在晶界,形成一种所谓的“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:
液态薄膜拉伸应力液态薄膜根本原因拉伸应力必要条件,固液阶段:
这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围,固相阶段:
也叫完全凝固阶段,以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段,液固阶段:
(1区),TB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,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,1区,3)产生结晶裂纹的条件,如图纵座标表示温度,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.,按曲线(3)变化时,e超过了焊缝塑性的最低值,es0产生裂纹,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,Pmin-e=es,焊缝仍有es的塑性储备量即es0,不产生热裂纹,当按曲线2变化时,此时由拉伸应力所产生的应变,恰好等于焊缝的最低塑性值,即处于临界状态,塑性储备量es=0,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。
产生结晶裂纹的条件,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。
结论:
脆性温度区间大小,TB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。
TB内随温度降低变形的增长率(拉伸应力的增长率)。
在TB内,随温度下降,变形的增长率越大,越容易产生结晶裂纹。
变形的增长率主要取决于金属的热胀系数,焊接接头的刚度,焊缝位置,焊接规范大小,温度场分布等因素。
二、影响焊接结晶裂纹的因素,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S点、结晶区间最大、裂纹倾向最大、共晶点、裂纹倾向最小。
实线为平衡条件结晶,虚线不平衡结晶,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,脆性温度区间TB裂纹,ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向,iii)P、S引起成分偏析.实验可知P、S偏析系数越大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶,产生裂纹。
b)、Ci)、C0.16%,C结晶温度区间,裂纹,加剧P有害作用,裂i)、C0.51%时,初生相为,S、P在相中溶解度低,析出S、P集富在晶界上,裂纹,Mn具有脱S作用,置换FeS为MnS,并能改变FeS的分布形态,由薄膜状变为球状分布,抗裂,所以:
要求C0.1%时,Mn/S22;C为0.11%-0.125时,Mn/S30;C为0.126-0.155时,Mn/S59;,含碳量C0.16%P对形成结晶裂纹的作用超过了S,Mn无意义,c)、Mn,注意:
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,对硫的亲合力大,形成高熔点的硫化物(TiS或ZrS熔点为接近2100),对消除结晶裂纹有良好的作用。
存在的问题是与氧的亲和力更大。
e)、钛(Ti)锆(Zr)和稀土元素,f)、O,O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,裂纹,日本JWS推荐的临界应变增长率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,当时,可以防止裂纹,热裂敏感系数HCS公式,当HCS4时,可以防止裂纹,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,一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响,晶粒大小:
晶粒粗大裂纹的倾向初生相:
相,裂纹,相,裂纹线膨胀系数小,裂纹相变应力裂纹,2)、力的因素,在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。
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,晶间强度,T,T时,发生断裂,晶间断裂,T=,称金属的等强温度,若焊缝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,II,II,I,II,II,I,II,II,I,加热到某一温度时,焊缝I承受压应力,近缝区II承受拉应力,假定三部分可自由变形,冷却到某一温度时,焊缝I和近缝区II的变形,实际冷却到某一温度时,焊缝I和近缝区II的变形,I承受拉应力,II承受压应力,焊缝从高温冷却到低温时的变形,三、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、Al,2)、工艺方面(减少拉应力),
(1)焊接工艺及规范:
如提高预热温度和增加线能量可以减小焊缝金属的变形率;
(2)接头型式:
接头形式不同,刚性不同,散热条件不同,结晶裂纹倾向不同,接头形式对裂纹倾向的影响,(3)妥善安排焊接次序焊次序,四、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于晶间开裂性质,裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。
2、产生原因1)、近缝区晶界处存在低熔点杂质2)、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体),液化裂纹,3、影响因素,1)、化学成分2)、工艺因素,4、防止措施,1)、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,五、多边化裂纹,1、形成条件(形成机理)多边化现象,焊缝金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。
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)合金成分的影响在焊缝中加入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2)应力状态的影响有应力存在,使多边化过程加速3)温度的影响在形成多边化过程的温度越高时间越短,本节结束,
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