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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流焊工中级班培训材料之4-(热、冷裂纹).精品文档.4 焊接结构和零件断裂失效分析本章主要讲解焊接构件的缺陷、裂纹及其分类；重点介绍热裂纹和冷裂纹的形貌特征、形成机制、影响因素和预防措施。41 裂纹是对焊接构件安全运行威胁最大的缺陷本节首先介绍，常见焊接缺陷的定义和分类；接着说明裂纹对安全运行威胁最大的缺陷的形态和分类；重点指出热裂纹和冷裂纹我们学习的重点。一、基本概念1、 焊接缺陷在焊接过程中或焊后，在接头中产生的不符合标准要求的缺欠。当缺欠不影响设备的运行，即是可以容许的时，称为缺欠。当缺欠直接影响安全使用时，称为缺陷。有缺陷的接头必须进行
2、翻修或判废。2、 分类 按其性质和特征，将其分为两类：（1） 不连续缺欠裂纹、夹渣、气孔和未熔合；（2） 几何偏差按照所在焊缝中的位置，将其分为外部和内部两类。外部缺欠，亦称宏观缺欠位于焊缝金属表面。用肉眼或低倍放大镜（检测尺可测量）可见的缺欠。它包括焊缝余高过高或过低、焊缝宽度差过大、接头过高或脱节、外部气孔、裂纹、未熔合、咬边、未焊透、烧穿、焊瘤、电弧擦伤或成形不良（见图1）。图1 常见几种焊接缺陷内部缺欠，亦称微观缺欠。位于焊缝金属内部。它包括裂纹、气孔、夹渣、未熔合等。其中裂纹危险性最大，是失效分析研究的重点。它包括热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等。内部缺欠要用探伤或破坏试验来检验
3、。二、裂纹是最危险的焊接缺陷，是失效分析研究的重点裂纹会降低结构的承载面积，产生应力集中，诱发三向应力状态，导致裂纹失稳扩展。当裂纹位于结构的拉应力高值区时，易引发低应力脆断；因此，裂纹是焊接结构失效分析研究的重点。三、裂纹的分类按照不同的分类方法，焊接裂纹可分为许多种类（见图2）。1、按照裂纹的所在区域分为三类焊缝裂纹；热影响区裂纹和母材裂纹。2、按照裂纹在焊缝中的部位分为两类表面裂纹和内部裂纹。再细分可分为：焊趾裂纹、焊道下裂纹、终端裂纹等。3、按照裂纹形态分为五类纵向、横向、星形、八字和网状。4、按照裂纹尺寸大小分为两类宏观和微观裂纹。工程上通常以0.5mm为界。5、裂纹的形成机制和性质
4、分为六类热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。前四种为结构的焊接裂纹，其中以热、冷裂纹最为常见，危害最大使我们学习的重点；后两种为结构的运行裂纹。图2裂纹分类示意图1弧形裂纹；2纵向裂纹；3横向裂纹；4焊道下裂纹；5焊趾裂纹；6根部裂纹；7踵部裂纹；8显微裂纹；9层状撕裂；10热裂纹；11再热裂纹；12内部裂纹。42 焊接热裂纹失效分析本节首先介绍热裂纹的定义和分类，接着说明热裂纹的形成机制和影响因素，重点说明热裂纹的分析方法和预防措施，最后通过典型案例说明热裂纹的失效分析过程。一、热裂纹的定义和分类热裂纹是在焊接时高温下产生的，其特征是沿奥氏体晶界开裂。下表是热裂纹的分
5、类和特征。表1 热裂纹的分类和特征分类位置走向敏感温度区母材备注热裂纹结晶裂纹焊缝上多，少量在热影响区沿奥氏体晶界开裂固相线以上稍高的温度（固液状态）碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金多边化裂纹焊缝、热影响区同上固相线以下再结晶温度纯金属及单相奥氏体合金液化裂纹热影响区及多层焊的层间沿晶开裂固相线以下稍低温度含S、P、C较多的镍铬高强度钢、奥氏体钢和镍基合金再热裂纹热影响区粗晶区同上600700含沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金二、裂纹的形成机制热裂纹的断口上有氧化色；有的焊缝热裂纹中充满熔渣，表明裂纹形成时熔渣和具有流动性（熔渣的凝固温度比金属低200）。近缝区产生的热裂
6、纹，其微观特征都是沿晶界开裂。热裂纹又可细分为两类、4种结晶裂纹、多边化裂纹、液化裂纹（第一类）和再热裂纹（第二类）。1、结晶裂纹结晶裂纹是在焊缝结晶过程的后期形成的。它只在焊缝中出现，多呈纵向分布在焊缝中。也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，并且与焊缝表面波纹垂直；通常这种裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。弧形裂纹也属于结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。结晶裂纹都沿着一次结晶的晶界分布，特别是沿着柱状晶的晶界分布；焊缝中心线两侧的弧形裂纹，是在平行生长的柱状晶界上形成的。而焊缝中心线上的纵向裂纹恰好处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。多数结晶裂纹的断面上有氧化色，这是高温形成的特点。在扫描电子
7、显微镜下，结晶裂纹的断口是典型沿晶开裂，晶粒表面光滑。结晶裂纹的断口上，杂质元素S、P、Si比较多，并多见沿着先共析铁素体扩展；裂纹边界弯曲，端部圆钝，这是高温形成裂纹的特点。2、液化裂纹在母材近缝区，或多层焊的前一焊道处，因受热而液化的晶界上形成的裂纹。其位置见图近缝区的液化裂纹多发生在母材，向焊缝凸进去的部位。那里因为熔合区向焊缝侧凹进去而过热严重。这种裂纹多为微裂纹，尺寸较小，一般在0.5mm以下，个别可达到1mm；主要出现在含合金元素较多的合金钢、不锈钢和耐热合金的焊件中。3、多边化裂纹亦称高温低塑性裂纹。它多发生在纯金属和单相奥氏体焊缝中；个别出现在热影响区。其特点是：裂纹方向任意贯
8、穿于树枝晶体；位置多在热影响区和多层焊的层间；裂纹附近多伴随再结晶晶粒；断口无明显塑性变形特征。3、 再结晶裂纹厚板结构件，在焊后消除退火时，或在一定温度下服役过程中，在热影响区的粗晶处的裂纹。称为再热裂纹。亦称消除应力处理裂纹。它多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶处。这种裂纹具有沿晶特征，在本质上与再结晶裂纹不同。三、 焊接热裂纹的分析方法常用的方法有裂纹宏观分析、微观分析。1、 宏观分析常用放大镜、低倍金相显微镜进行。这是工程上常用的方法。（1）肉眼观察 在焊道上，可见纵向或横向开裂。对于靠近熔合区的开裂，或焊趾、焊根、焊接接头等部位，要仔细观
9、察。并详细记录裂纹的数量、位置和长度。当肉眼观察有困难时，可用放大镜。接着要确定裂纹的取样位置，并切去焊接裂纹金相试样。要求试样必须保留裂纹的源区、扩展区。即保留裂纹的完整性。（2）在焊接接头的某个断面上，用抛光法，检查裂纹的走向。将焊接接头的某个断面抛光，可见裂纹的本身形态、是否分支、是否断续、裂纹是弯曲还是平直、裂纹扩展方向与应力的关系、裂纹源的位置等。这种观察可以避免因为腐蚀形成的纹线而影响观察的准确性。2、微观分析 当宏观分析不能得出肯定结论时，需要进行微观分析。微观分析通常采用关学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针。目的在于研究例文的起源、扩展及其特征；有时配合硬度、夹杂分布检测，就能
10、判断出裂纹的性质。常见的微观分析方法有：低倍金相分析、裂纹特征分析。（1） 裂纹的低倍分析在金相显微镜下，进行几十倍观察即可。它能清楚观察到裂纹的源区、扩展区及于金相组织的关系。（2） 裂纹形貌特征分析在焊缝区、近缝区，裂纹沿晶扩展，断面有氧化色，一般就可判为热裂纹。结晶裂纹常与先共析铁素体、低熔点杂质等有关系；它们会诱发结晶裂纹的产生。再热裂纹一般产生于热影响区的过热区。这在金相组织和裂纹的走向上，有明显特征。即主要沿着过热粗晶的晶界扩展。3、焊接材料成分分析热裂纹和母材的化学成分有很大关系。当熔池中有S、P有害元素，并形成低熔点共晶体时，加之受到较大热应力作用，就会形成热裂纹。工程上常用焊
11、缝金属抵抗产生热裂纹的能力来衡量金属的焊接性。即通过金属材料热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂纹敏感性。（1）热裂纹敏感指数法。通过计算热裂纹敏感系数（HCS）和临界应变增长率来判定热裂纹倾向。HCSC（SPSi/25Ni/100）103（3MnCrMoV）当HCS4，一般不会产生热裂纹；HCS愈大，产生热裂纹的倾向愈大；该式适合低合金高强钢、包括低温钢和珠光体耐热钢。（3） 临界应变增长率（CST）计算法CST（19.2C97.2S0.8Cu1.0Ni3.9Mn65.7Nb618.5B7.0）10-4当CST6.510-4时，可以防止产生热裂纹。（3）再热裂纹敏感指数法此处仅介绍一种
12、方法G法。此法适合预测低合金结构钢的焊接性，即对产生再热裂纹的敏感性。 GCr3.3Mo8.1V2(%)当G0时，不产生再热裂纹；当G0时，对产生再热裂纹敏感。此外，焊接工艺和结构的运行条件也会对热裂纹、再热裂纹有很大影响，此处从略。四、热裂纹和再热裂纹的预防措施1、冶金方面（1）控制焊缝中，S、P、C等有害杂质的含量。为此，要尽量限制母材和焊接材料中S、P、C的含量。同时可以通过焊接材料中过度Mn、Ti、Zr等元素，克服S的不良作用；提高焊缝的抗热裂纹能力。重要的焊接结构要采用碱性焊条或焊剂。（2）改善焊缝结晶状态 在焊缝金属中，或母材中，加入一些细化晶粒的元素，以提高抗裂性能。如对188不
13、锈钢，调整焊缝或母材的成分，使得焊缝中能得到双相组织，通常若使铁素体达到5。即能提高抗裂性，又能提高耐腐蚀性。2、工艺方面控制焊缝形状、预热、降低接头的刚度和约束度、采用碱性焊条或焊剂都能预防热裂纹和再热裂纹。五、热裂纹分析举例此处仅以GH600波纹管(600、1.0)与0Cr18Ni9Ti(1.0)接管，氩弧焊的热裂纹分析为例，介绍热裂纹分析的方法和过程。1、两种材料的化学成分表2 两种材料的化学成分（）合金CMnSiFeCrNiS其它GH60010051050357981529余量0001Cu0.20.032005060034788154730，06806003583815500Cr18N
14、i9Ti00802010余量17.019.98.011.00030P0.032、焊接工艺自动TIG焊对接。填充材料高温合金N62焊丝等见表3。表3 焊丝的化学成分（）牌号CMnSiFeCrNiSP其它N620.020.720.47.0515.5余量0.005H00Cr19Ni2Mo20.031.02.50.618.020.011.014.00.03H 0Cr21Ni100.062.00.419.522.09.011.0H 1Cr21Ni130.121.02.50.30.722.025.012.014.03、焊接结果用4种焊丝，相同的规范，分别进行4快试件，对焊。搭接接头，横焊。在50mm的焊缝
15、上，检测热裂纹的数量。结果见下表。表4 几种焊丝的施焊结果焊丝H 0Cr21Ni10H 1Cr21Ni13H00Cr19Ni2Mo2N62肉眼检查非常密集较多较少无渗透探伤6834120射线探伤不合格不合格不合格合格从表中可见，选用N62焊丝，焊前用丙酮仔细清洗母材和焊丝表面，采用较小的焊接热输入，电弧偏向GH600一侧，可以得到满意的接头。43焊缝冷裂纹失效分析冷裂纹是最为普遍的一种焊接缺欠。它是结构件在焊后冷却到较低温度下产生的裂纹。一、冷裂纹概述主要发生在低合金结构钢、中合金钢、中碳钢和高碳钢的热影响区常见的有焊趾裂纹、根部裂纹和焊道下裂纹三种。有时，焊接超高强度钢和钛合金时，也会在焊缝
16、金属上出现冷裂纹。冷裂纹可在焊接后立即出现，也有时在经过一段时间后，如几个小时，几天。甚至更常时间出现。后者称为延迟裂纹，并且更为常见。冷裂纹起源多在具有缺口效应的焊接热影响区，或理化性能不均匀的氢局部积聚区。它有时沿晶界扩展，有时穿晶扩展；较多的情况是穿晶和沿晶混合扩展。扩展方式决定于接头的金相组织、应力状态和含氢量的多少。裂纹的分布与最大应力方向有关。纵向应力大，会出现横向裂纹，横向应力大，会出现纵向裂纹。根据钢种和结构的不同，通常将冷列为你分为三类淬火裂纹、低塑性脆化裂纹和延迟裂纹。仅用金相显微镜很难判断冷裂纹的性质，可采用扫描电子显微镜分析冷裂纹。二、裂纹的形成机理1、淬火裂纹亦称淬硬
17、淬化裂纹。一些淬硬倾向很大的钢，如含碳量较高的NiCrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢，都有可能出现这种裂纹。它们是冷却时，发生马氏体相变造成的。这种裂纹常在焊后立即出现。在热影响区和焊缝上都有可能出现。2、低塑性脆化裂纹一些塑性很低的金属材料，冷至低温时，由于收缩产生的应变大于材料本身的塑性储备，而产生裂纹。如焊接高铬合金、铸铁材料和堆焊硬质合金都会产生这类裂纹。这时产生的裂纹也无延迟效应。（1） 延迟裂纹焊接后不立即出现而是有一定的孕育期（潜伏期）。它出现的时间与钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属的扩散氢含量有关。（2）层状撕裂这种缺欠只发生在热影响区的母材金属内部。一般在金属表面不
18、易发现。多出现在T形接头、角接头和十字接头中。当焊接钢板厚度较大，并且厚度方向受到较大拉应力，就可能出现沿着钢板的轧制方向发展的具有阶梯状的裂纹。通常称之为层状裂纹。见图P196图7。撕裂裂纹由基本平行于轧制方向的平台和大体垂直于平台的剪切壁组成。这种缺欠与钢种的强度无关，主要与钢中的夹杂物的数量与分布状态有关。在撕裂的平台上发现不同种类的非金属夹杂物。层状撕裂的危险性在于，它有隐蔽性。现有的无损检测手段难于发现。另外这种缺欠修复起来十分款困难。更要强调的是，发生层状撕裂的一般都是大型厚壁的重要构件。如海洋采油平台、核反应堆压力容器、潜艇外壳等。这些结构因为层状撕裂造成的事故是灾难性的。因此，
19、必须在设计、选材和施焊工艺上加以预防。（3）应力腐蚀裂纹焊接接头在一定温度下，受到腐蚀介质和拉应力的共同作用，产生的裂纹称为应力腐蚀裂纹。在石油、化工、冶金、能源和海洋工程中的许多构件，常因为焊后较大残余应力，在工作过程中应力较大，而产生应力腐蚀裂纹。这种裂纹在未有任何变形、无任何征兆的情况下发生，具有很大破坏性。在焊缝上的应力腐蚀裂纹，无明显的均匀腐蚀痕迹，裂纹呈龟裂形式；从微观看，裂纹呈枯干的树枝状，根须细长，并带有分支，断口未典型的脆性断口。一般情况下，低碳钢、低合金钢、铝合金、黄铜、镍合金多为沿晶断口；黄铜为穿晶断口。奥氏体不锈钢的断口因腐蚀介质不同，有穿晶和沿晶之分。三、焊接冷裂纹的
20、形态与预防措施根据裂纹的分布位置，将其分为4种焊道下裂纹、缺口裂纹、横向裂纹和凝固过渡层裂纹。1、 焊道下裂纹这是一种细小的裂纹，多出现在距熔合边0.10.2mm的近缝区。这里常有粗大的马氏体组织。裂纹走向大致与熔合线平行，并且一般不显露于焊缝表面。2、 缺口裂纹这种裂纹起源于应力集中的缺口部位。如焊缝根部、焊缝的缝边或焊趾，这些地方多为粗大的马氏体组织。根据源区不同又可细分为：焊根裂纹、焊趾裂纹（亦称缝边裂纹）。其中根部裂纹是高强度钢焊接时最为常见的裂纹。3、 横向裂纹对于淬硬性大的合金钢，这种裂纹一般起源于熔合区而延伸到热影响区和焊缝。其裂纹走向一般垂直于熔合区，常客显露于表面。在厚板多层
21、焊接时，裂纹多发生在距离焊缝表面有一小段距离的焊缝内部，其方向垂直焊缝轴线。通常，降低焊缝的氢含量，就能减少这种裂纹。4、 凝固过渡层裂纹只产生在用奥氏体焊条，焊接合金结构钢的焊缝未混合区或凝固过渡层。由于凝固过渡层出现粗大马氏体而引起。用铁素体焊条这种裂纹能消失。四、预防焊接冷裂纹的措施1、正确选择钢种和焊条钢的淬透性愈大，愈易产生冷裂纹；显然，钢的化学成分、焊接工艺、结构的板材厚度、冷却条件都会影响淬透性。如设计上要选用抗冷裂纹性能好的材料。即尽量选用碳当量Cep小；冷裂纹敏感系数Pcm小的钢种。因为这两个参数大的钢，淬硬的倾向大，产生冷裂纹的倾向大。并且，研究发现，碳是引起冷裂纹倾向最大
22、的元素。近年来，各国都在致力发展低碳、纯净、和多元合金化的新钢种，如一些无裂纹钢，这些钢具有良好的焊接性；对中厚板的焊接也无需预热。2、氢的作用氢是引起冷裂纹的重要因素。故延迟裂纹又称为氢致裂纹。由于氢在奥氏体中的溶解度大，在铁素体中的溶解度小；当焊缝金属发生相变时，氢的溶解度会突然下降，另外氢在奥氏体和铁素体中的扩散速度不同，这些都会使得氢在熔合区积聚，并在后来的马氏体相变过程中，残留在马氏体中。这时当热影响区有微观缺欠，如微孔、显微夹杂，氢就会在其中不断扩展，直到形成微观裂纹。由于氢的溶解、扩散、积聚、产生应力以致开裂，需要时间，故这种裂纹具有延迟性。显然，选择低氢和超低氢的钢材是预防冷裂
23、纹的重要措施。下表是国际对于焊条扩散氢含量的分类。表5 国际标准对焊条扩散氢含量的分类焊条分类扩散氢含量/ml (100g)-1非控氢焊条高氢159控氢焊条中氢10155.59低氢51025.5极低氢52从表中可见，对于重要的焊接结构，尽量选用超低氢焊条。我国对于碳钢和低合金结构钢焊条的熔敷金属氢含量，已经作出规定。具体内容此处从略。另外，严格烘干焊条或焊剂对于防止氢致延迟裂纹也十分重要。具体此处从略。再次，选择强度级别比母材低的焊条，有利于防止冷裂纹的形成。以便在焊缝产生塑性变形，减低接头约束力，防止产生冷裂纹；还可采用“软层焊接”方法。即在高强度钢的球形容器焊接时，采用抗裂性好的焊条作底层
24、，内层采用与母材等强度的焊条，表层26mm采用稍低于母材的焊条。这样可以增加焊缝金属的塑性储备，降低焊接接头的约束力，提高焊缝的抗裂纹性能。也还可以，用奥氏体焊条，或在焊缝金属中增加微量元素，如Ti、Nb、Mo、V、B等能韧化焊缝的金属，从而，减少冷裂纹。3、接头的约束应力由于焊接时，焊缝和热影响区的热应力不均匀；金属相变时的体积效应产生应力；结构形式、焊接位置、施焊顺序及方向、部件的刚性、冷却先后产生的应力。就是约束应力的来源。如，严格控制焊接热的输入、合理选择预热温度、紧急后热，以及加强焊接的质量管理，都可以预防冷裂纹的产生。具体细节从略。五、冷裂纹分析与预防实例此处仅以大型球罐的冷裂纹为
25、例介绍冷裂纹的失效分析与预防。1、基本概况某石化厂1000m5液化石油气球形罐，壁厚34mm，设计压力1.275MPa,充气系数0.8，设计使用温度为常温。球罐材质15MnVR和U39G（与15MnVR成分相近，但含Ni0.52）；焊接材料E5015（J507）焊条。下表是球形罐用材的成分与性能。表6 球形罐用材的成分（）与性能材料CMnSiSPVCuNibs(%)MPa15MnVR0.161.350.120.0270.0190.090.1255906103904002123U39G0.181.420.220.0080.0080.180.030.5257058043043520242、裂纹种类
26、焊后，射线检查发现裂纹。分析后认为是焊接冷裂纹。其中类为：（1）焊趾处纵向裂纹 大都为沿晶扩展与穿晶扩展的混合裂纹。（2）横向裂纹 基本为穿晶扩展，并带分叉。3、裂纹的部位裂纹在表面主要有两种（1）垂直焊缝的横向裂纹 这种裂纹源于焊缝金属，穿过熔合区、热影响区，最后终止在母材的热影响区的细晶区。一般尺寸在520mm，较短小；并且数量较少。（2）焊趾处的纵向裂纹这种裂纹出现在焊缝和母材交界的熔合区部位，显微镜下可见主要出现在热影响区的粗晶区。裂纹尺寸长，有的长达215mm。4、各部位的微区成分分析现场从球罐母材、焊缝及熔合区切去试样，用扫描电子显微镜进行分析，结果发现在母材的晶界上，夹杂物S、P
27、等较多；热影响区各种合金元素富集；焊缝区合金元素富集；说明合金元素富集区淬硬性大。5、 裂纹部位的组织观察金相显微镜下可见，母材和热影响区的组织为铁素体和珠光体；母材的组织不均匀，晶界较粗；热影响区和焊缝组织主要有铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。导致裂纹产生的是贝氏体和马氏体。6、 裂纹能部位的硬度用硬度计分别对母材、热影响区和焊缝进行测量。得出：母材为HB143193，热影响区HB170268，焊缝金属为HB170258。焊缝和热影响区的硬度较高，其中又以粗晶处的硬度最高。裂纹位于硬度较高区域。平均HB大于230。在粗晶区的裂纹处，达HB302，平均HB268。7、 影响裂纹的因素（1） 热
28、影响区和焊缝处合金元素富集，淬硬性增大；加之板材厚度大，应力大；促进了裂纹的形成和扩展。（2） 母材为厚板材，原始热处理状态为正火回火。应该得到铁素体珠光体。但是母材压片时，始、终温度不当，可能在其组织中出现大量淬硬的马氏体和贝氏体。球罐组装后热处理工艺选择不当，会在焊缝和热影响区产生大量马氏体组织和残余应力。从而引发冷裂纹产生。（3） 焊接工艺对冷裂纹的影响母材预热、焊条烘烤，目的在于除氢。焊接后球罐的除氢和消除应力，及后来的充水加压试验，其结果可能超过临界应力，而开裂。（4） 组装工艺对冷裂纹的影响（5） 球罐体积很大，球片现场开坡口；从下而上组装；因此造成错边，角变形较大；致使结构内应力大，并在赤道带上焊接有工具、卡具。组装后整体热处理，经过x射线检测，残余应力还较高。综上所述，完善和改进组装工艺、焊接工艺对预防冷裂纹还有很大的空间，值得研究。教材焊接缺陷分析与对策，P229介绍南阳精细石蜡化工厂，采取周密措施，组装2个1000mm3球形罐的成功经验，值得学习。