低合金高强钢的焊接裂纹分析.docx

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1、1.1焊接结构现状及开展趋势目前，焊接结构在许多行业和领域，如汽车制造、石油化工、压力容器、矿 山机械、船舶制造、起重设备、航空航天、建筑结构、核动力设备等得到广泛应 用。所谓的焊接结构就是以金属材料的板材，型材，铸件以及锻件为基本元件， 用焊接连接起来的金属结构。近年来，在工业兴旺的国家，焊接结构的用钢量已占工业总用钢量的50% 左右，焊接结构的产量及用钢量占工业总用钢量的比例已经成为一个国家工业发 展水平的重要标志。中国早在2004年时，焊接结构的用钢量已经突破了 1亿吨, 成为世界最大的焊接制造国。目前，在我国许多行业的制造工厂，如造船厂、锅 炉厂、车辆厂、矿山机械厂、石化机械厂、起重机

2、厂等都建有专门的焊接生产车 间，负责本企业有关焊接结构的制造工作。自改革开放以来，我国利用焊接技术完成了许多具有标志性的重大工程，如 长江三峡水电站、南水北调工程、西气东输管道工程等，在国民经济建设中发挥 着不可替代的重要作用。随着焊接技术向机械化，自动化方面的开展。一方面，将大大减轻工作者的 劳动强度，同时改善劳动环境，提高了生产效率。另一方面，使焊接结构自身的 很多优点将更加突出，进一步保证了焊接质量，提高了产品的平安性。所以焊接 结构的应用领域和范围将日益扩大。1. 2焊接结构的优点焊节结构之所以得到如此广泛的应用，是因为用焊接方法制造的金属结构与 其他方法比有一系列的优点。1）节省金属

3、材料。2）生产周期短。3）通过焊接，可以很方便地实现多种不同形状和不同厚度的钢板（或其他 金属材料，）的连接，甚至可以将不同种类的金属材料连接起来。4）焊接结构的刚性大，质量轻。5）焊接结构生产一般不需要大型和贵重的机器设备。6）有些结构，利用焊接结构比轧制更方便和经济。7）焊接准备工作简单。8）焊接接头强度高。9）焊接结构设计的灵活性大。10）焊接接头密封性好。11）最适于制作大型或重型的，结构简单而且是单件小批量生产的产品结构。12）容易实现自动化生产。13）成品率高。1. 3焊接结构的缺乏高，裂纹倾向越大，对扩散氢的含量的限制越严，因此焊条再烘干温度也应该选 择上限，但烘干温度过高，容易

4、引起焊条药皮中铁合金氧化及大理石分解而影响 焊接质量。一般只允许再烘干2次，屡次烘干容易引起药皮开裂，造成焊接时药 皮成块脱落。包装开封后4小时即需要再烘干，最好在使用过程中将烘干过的焊 条放在手提保温桶中，随用随取。焊剂在使用前烘干300350C,保温lh。埋弧焊用的焊丝也要严格清理，焊丝外表的油、锈及拔丝用的润滑剂都要清 理干净，以免污染焊缝造成气孔。2）焊机的检查与调试焊前应检查接到焊机上的动力线、焊接电缆接头是否松动，接地线是否连接 妥当。另外对于埋弧焊焊机，导电嘴是易损件，一定要检查其磨损情况和是否加 持可靠。焊机要进行调试，检查仪表指示及各局部动作情况，并按要求调好预定 的焊接参数

5、。3）焊前考前须知焊前用磨光机把坡口两侧20mm内的铁锈及污物打磨干净，露出金属光泽。 清除破口附近的铁锈及污物。最后用丙酮刷洗破口附近的油污，等丙酮完全挥发 后才能焊接。焊前焊剂要按规定的温度进行烘干并保温。焊剂要保持洁净,焊前把施焊部位清扫干净,切忌把铁锈等赃物混入焊剂中, 影响焊缝质量。保证工件的装配质量，切忌强行组对，造成应力过大。启动焊机前，应再次检查焊机和辅助装置的各种开关、旋钮等的位置是否正 确无误，离合器是否可靠结合。检查无误后，再按焊机的操作顺序进行焊接操作。4. 6附表一焊接工艺指导书焊接接工艺指导书单位名称：河南机电高等专科学校材料系焊接工艺指导书编号：BYLW-01 日

6、期：2008. 4. 27焊接工艺评定报告编号：BYLW-02焊接方法：手工电弧焊+自动埋弧焊机械化程度：手工+自动钢 号：16MnR焊接接头：角接头接头简图:坡口形式：带钝边的单边双V形坡口其 他：装备间隙5mm母材类别号：II组别号IIT 与类别号：II组别号：II-1相焊及标准号：GB6654, GB5681与标准号：GB6654, GB5681钢 号：16MnR厚度范围：母材：角焊缝20mm22mm管子直径、壁厚范围：角焊缝20mm22mm焊缝金属厚度范围：角焊缝22mm23mm其 他：/焊接材料：焊材类别焊条焊丝焊剂焊材标准GB/T511895GB / T529395GB / T52

7、9395填充金属尺寸 5nmi 4nmi/焊材型号E5015/焊材牌号J507IIH10Mn2SJ101其 他0 4mm或O 5mm,烘干温 度450470C,保温2h/耐蚀堆焊金属化学成分觥）CSiMnPSCrNiMoVTiNbW0. 12W0. 771.50-1.90W0. 0350. 035W0. 200. 15/其他：/焊接位置：对接焊缝位置：/焊接方向：（向上、向下）/角焊缝的位置：平焊、仰焊焊接方向：（向上、向下）向下预热：预热（）（允许最低值）：66层间温度（）（允许最高值）：300 保持预热时间：/加热方式：氧乙快焰加热焊后热处理：消氢处理温度范围（） ： 300-400保温时

8、间（h） ： 2h保护气体：气体种类：/混合比：/流量（L/min） ： /尾部保护气体：/背部保护气体：/电特性： 手弧焊（陡降地外特性）埋弧焊（平地外特性）电流种类与极性：手弧焊（直流反接）埋弧焊（直流反接）焊接电流范围：手弧焊（160A180A）埋弧焊（620A650A）电弧电压范围：手弧焊（21V22V）埋弧焊（33V34V）（按所焊位置和厚度,分别列出电流电压范围，记入下表）焊层焊接方 法填充材料焊接电源电弧电压 （V）送丝速度 （m/ h）焊接速度 （m/h）牌号直径极性电流（A）1 （定位 焊）手弧焊J507H04mm反接1702122/2 （外）手弧焊J5071I 5nmi反接

9、1702122/3 （内）手弧焊J507H 5nmi反接2102122/4埋弧焊H10Mn204mm反接65033345829.5鸨极类型及直径：/喷嘴直径：/焊丝送进速度（m/h） ： 58熔滴过渡形式：短路过渡注：对每一种母材与焊接材料的组合均需分别填表技术措施：（摆动或不摆动）：不摆动摆动参数：/焊前清理和层间清理：坡口两侧50mm范围内应严格祛除水、油、锈及赃物等；每焊完一层都要用手动砂轮 仔细清理熔渣反面清跟方法：电弧气刨单道焊或多道焊（每面）：/单丝焊或多丝焊：单丝导电嘴至工件距离（mm）： /锤击：/其他：选用技术熟练的焊工，严格按工艺规定操作编 制口期审核日期批准日期五焊接工艺

10、评定5.1焊接工艺评定说明依据JB47082008截取焊件试样。方法：试件两端各舍去25mm,然后沿试件横向等分切取5个试样。1）外观检查试件接头外表不得有裂纹，未熔合2）金相检验（宏观） 每块试样取一个面进行金相检验，任意两检验面不得为 同一切口的两侧面。将检验结果记录下来。3）无损探伤 按GB 3323规定进行射线探伤，记录结果。4）冲击试验 按GB 2106规定进行试验，记录结果。合格指标 五个试样的冲击吸收功平均值应不低于母材标准规定值，并且 至多允许有一个试样的冲击吸收功低于规定值，但不得低于规定值的70% 5）拉力试验 按GB 228规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度合格指标 试

11、样母材为同种钢号时，每个试样的抗拉强度应不低于母材钢 号标准规定值的下限。记录试验结果。6）弯曲试验 按GB 232和表10规定的试验方法测定焊接接头的塑性。合格指标 试样弯曲到规定角度后，其拉伸面上出现长度大于L5mm的任 一横向（沿试样宽度方向）裂纹或缺陷，或长度大于3mm的任一纵向（沿试样 长度方向）裂纹或缺陷，为不合格。试样的棱角开裂一般不计。但由夹渣或其他 焊接缺陷引起的棱角开裂长度应计入。记录试验结果。5. 2焊接工艺评定报告焊接工艺评定报告单位名称：河南机电高等专科学校材料系焊接工艺指导书编号：BYLW-01 日期：2008. 4. 27焊接工艺评定报告编号：BYLW-02焊接方

12、法：手工电弧焊+自动埋弧焊机械化程度：手工+自动焊接接头：角接头坡口形式：带钝边的单边双V形坡口其 他：装备间隙5mm母材类别号：II组别号HT与类别号：II组别号:II-1相焊及标准号：GB6654, GB5681钢 号：16MnR与标准号：GB6654, GB5681钢 号：16MnR厚度范围：母材：角焊缝 20mm22nlm管子直径、壁厚范围：角焊缝20nlm22mm焊缝金属厚度范围：角焊缝22mm23mm其 他：/接头简图：1/ / / / /焊接材料：焊材类别焊条焊丝焊剂焊材标准GB/T511895GB / T529395GB / T529395填充金属尺寸0 5mm04mm/焊材型

13、号E5015/焊材牌号J507HH10Mn2SJ101其 他4nlm或5mm,烘干温度 450470,保温 2h/耐蚀堆焊金属化学成分觥）CSiMnPSCrNiMoVTiNb0.120.771. 501.90W0. 0350. 0350. 200. 15/其他：/焊接位置：对接焊缝位置：/焊接方向：（向上、向下）/角焊缝的位置：平焊、仰焊焊接方向：（向上、向下）向下预热：预热（）（允许最低值）：66层间温度（ （允许最高值）:300 保持预热时间：/加热方式：氧乙快焰加热焊后热处理：消氢处理温度范围（） ： 300-400保温时间（h） ： 2h保护气体：气体种类：/混合比：/流量（L/min

14、） ： /尾部保护气体：/背部保护气体：/电特性：手弧焊(陡降地外特性)埋弧焊(平地外特性)电流种类与极性：手弧焊(直流反接)埋弧焊(直流反接)焊接电流范围：手弧焊(160A180A)埋弧焊(620A650A)电弧电压范围：手弧焊(21V-22V)埋弧焊(33V-34V)鸨极类型及直径：/喷嘴直径：/焊丝送进速度(m/h) ： 58熔滴过渡形式：短路过渡技术措施：(摆动或不摆动)：不摆动摆动参数：/焊前清理和层间清理：坡口两侧50nlm范围内应严格祛除水、油、锈及赃物等；每焊完一层都要用手动砂轮仔细清 理熔渣反面清跟方法：电弧气刨单道焊或多道焊(每面)：/单丝焊或多丝焊：单丝导电嘴至工件距离(

15、mm)： /锤击：/其他：选用技术熟练的焊工，严格按工艺规定操作拉伸试验：试样编号横截面积(mm2)断裂载荷(kN)抗拉强度(Mpa)断裂部位试验结果LS00122X22266550焊缝区合格LS00222X22276570焊缝区合格LS00322X22264550焊缝区合格LS00422X22270566熔合区合格LS00522X22270560焊缝区合格试验报告编号：LS-01弯曲试验：试样编号试样类型试样厚度(mm)弯曲直径(nun)弯曲角度( )试验结果WQ001侧弯224018024%WQ002侧弯224018022%WQ003侧弯224018025%WQ004侧弯224018027

16、%WQ005侧弯224018025%试验报告编号：WQ-02冲击试验：试样编 号试样尺寸缺口类型缺口位置试验温度()冲击吸收功(J)试验结果CJ00122V形焊缝区-1923合格CJ00222V形焊缝区2028合格CJ00322V形焊缝区2026合格CJ00422V形熔合区-1922合格CJ00522V形熔合区2028合格CJ00622V形熔合区2027合格试验报告编号：CJ-03金相检验（角焊缝）：根部：（焊透、未焊透）焊透焊缝：（熔合、未熔合）熔合焊缝、热影响：（有裂纹、无裂纹）：无裂纹检验截面IIIIIIIVV焊脚差（mm）/无损检验：RT： 100%UT： /MT： /PT： 100%

17、其他：/耐蚀堆焊金属化学成分（重量/%）CMnSiPSCrNiMoVTiNb/分析外表或取样开始外表至熔合线的距离（mm） ： /附加说明：/结论：本评定按JB47082000规定焊接试件、检验试样、测定性能，确认试验记录正确评定结果：合格焊工姓名焊工代号施焊日期刍 帝日期审核日期批准日期第三方检验结论a）裂纹产生的主要原因与高峰值应力及液化石油气中的H2S、H2O有关。b）对于液化石油气罐的焊接工艺，其关键是针对具体情况保证焊接接头的焊后质量。 即通过焊前预热到达减少焊接区应力和改善金属组织的目的；通过焊后低温处理 到达减少焊接区氢的含量。对于大面积的焊接，要同时保证焊接层间、焊道间的 温度

18、。c）罐在运行中应加强温度控制，以降低应力腐蚀及其速度。致谢时光如梭，岁月如云，三年的大学生活即将结束，而我也即将离开敬爱的老 师和熟悉的同学，准备踏入那陌生而复杂的社会中去。在这毕业之际，作为一名 工科院校的学生，应该努力把毕业设计做的尽量完善，从而提高自己的动脑和动 手能力。毕业设计是一项非常繁杂的工作，它涉及的知识非常广泛，很多都是教科书 上没有的现成东西，要靠自己去图书馆查找所需要的资料，还有很多设计计算, 这些都要靠自己运用自己的思维能力去解决，需要整理、审查、对照才能够整整 应用。可以说，没有一定的毅力和耐心是很难完成这样复杂的工作。在学校中，我主要学的是理论性的知识，而实践很欠缺

19、，毕业设计就相当于 实战前的一次总演练。它不但把我以前学的专业知识系统的连贯起来，也使我在 温习旧知识的同时学习到很多新的知识，这不但提高了我们解决问题的能力，开 阔了我们的视野，在一定程度上弥补我们实践经验的缺乏，为以后的工作打下坚 实的基础。由于本人能力有限，很多知识掌握的不是很牢固，因此在设计中难免要遇到 很多难题，在有课程设计的基础及老师的及时指导和同学的热心帮助下，克服了 一个又一个的困难，使我的毕业设计日趋完善。这个过程虽然很辛苦，但是在设 计中使我不断思考问题，研究问题，咨询问题，一步步提高了自己，一步步完善 了自己。同时也汲取了更完整的专业知识，锻炼了自己独立设计的能力，使我受

20、 益匪浅，我相信这些经验对我以后的工作一定有很大的帮助，而旦也锻炼我的吃 苦耐劳的精神，让我在这个竞争的社会里有立足之地。最后，感谢本人的导师吴金杰老师，他仔细审阅了本文的全部内容并对我的 毕业设计内容提出了许多建设性建议。吴老师渊博的知识，诚恳的为人，使我受 益匪浅，在毕业设计的过程中，特别是遇到困难时，他给了我鼓励和帮助，在这 里我向他表示真诚的感谢！感谢母校河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩!感谢材料工程系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技能。感谢和我在一起进行课题研究的同窗同学，和他们在一起讨论、研究使我有了提高。最后，我非常庆幸在三年的的学习、生

21、活中认识了很多可敬的老师和可亲的同学，并感激师友的教诲和帮助!设计者：赵逊2008年5月23日参考文献1李亚江，王娟，刘鹏编著.低合金钢的焊接及工程应用M.北京：化学工 业出版杜，工业装备与信息工程出版中心，20032吉林工业大学周振丰主编.金属熔焊原理及工艺M.北京：机械工业出 版杜，19813徐初雄编著.焊接工艺500问M.北京:机械工业出版杜，19994王宽福编著.压力容器焊接结构工程分析M.北京：化学工业出版 杜，19985章燕谋主编.锅炉与压力容器用钢（修订本）M.西安：西安交通大学出 版社，1997.6张连生主编.金属材料焊接.M北京:机械工业出版杜,20047雷世明主编.焊接方法

22、与设备M .北京：机械工业出版杜，20078戴建树主编.焊接生产管理与检测M .北京:机械工业出版杜,20079国家机械工业委员会.焊接接头试验方法M.北京：机械工业出版 社，198510章守华等编.钢铁材料学M.冶金工业出版社，199211王永达，谢仕柜合编.低合金钢焊接基本数据M.北京：冶金工业出版社，199812方昆仑，黄英合编.机械材料工业使用手册M.沈阳：东北大学出版社.199513英假设采主编.熔焊原理及金属材料的焊接M.北京：机械工业出版 杜，200614 JB47082000,钢制压力容器焊接工艺评定标准释义S焊接结构的缺乏，集中表现在以下儿个方面：1）很多材料由于焊接工艺性差

23、，不适宜制造焊接结构。2）焊接结构具有较大的性能不均匀性。3）焊接结构具有较大的焊接变形和应力集中。4）焊接结构的整体刚度大。据统计，焊接结构所发生的各种事故中，除少数是由设计不当和产品运行不 规范而造成的之外，绝大多数是由焊接裂纹而引起的断裂。可见，裂纹是焊接结 构发生破坏的主要原因。焊接裂纹是指在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区 的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和 大的长宽比的特征。焊接裂纹是焊接生产中比拟常见而且危害性十分严重的焊接 缺陷，它不仅会造成废品，而且可能酿成灾难性事故。尤其压力容器的破坏事故常常会造成巨大的损失。如194

24、4年10月美国俄亥 俄州的煤气公司液化天然气贮罐发生连锁式爆炸，造成大火，死亡达133人，经 济损失680万美元。1971年西班牙马德里一台5000立方米的煤气罐发生爆炸而 死伤15人。我国近年来也发生过一些压力容器焊接结构的断裂事故，如1979 年10月吉林液化石油气厂发生的球罐爆炸事故造成很大的损失。由此可见，裂纹是危害最严重的焊接缺陷。这主要是因为裂纹两端的缺口效 应造成了严重的应力集中，很容易扩展而形成宏观开裂或整体断裂。因此，在焊 接生产中，裂纹一般是不允许存在的。对焊接裂纹的研究，也就成为国内外焊接 工作者关注的课题。1.4缺陷实例本次研究的课题是液化石油气贮罐壳体与接管焊缝裂纹分

25、析。：1、筒体材料为16MnR2、筒体内径3000mm,筒体壁厚20mm,封头壁厚22mm3、设计压力L8MPa,工作温度一19504、介质为液化石油气筒体及封头接管形式图1-1所示：二液化石油气贮罐壳体与接管焊缝裂纹分析2. 1 16MnR 简介16MnR是压力容器用低合金钢，应用较广。其化学成分表2-1中介绍表2-1 16MnR的化学成分钢号CSiMnPS16MnR0.200.20-0. 60（0.0350.035这种钢在供货不同厚度的材料时，力学性能是不同的，对于2022mm厚度 的力学性能在表2-2表22 2022mm厚度的力学性能钢号板厚/mm状态拉伸性能弯曲180冲击性能8s/ %

26、温度/冲击功Akv / J16MnR1725热轧或正火2325490635220d=3a室温227 （横向）这类钢一般属于热轧钢或正火钢，含碳量较低，并含有一定的钵，Mn/S比 值一般可以到达防止结晶裂纹的要求。只要C、S、P的含量不超标和不产生局 部区域偏析，同时，对焊缝金属中的C、S、P进行严格控制，一般不存在热裂 纹问题。但是，由于钢中加入了一定量合金元素，钢的淬硬性增加，存在冷裂纹 问题。同时一，由于此焊件的焊接接头是角接接头，所以在焊接热影响区或远离热影 响区的母材上易产生层状撕裂，而有些那么是在焊趾或焊根处由冷裂纹引发而形 成O1.2 该构件产生冷裂纹的原因冷裂纹是指焊接接头冷却到

27、较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时 产生的裂纹。在由于焊接裂纹所引发的事故中，由冷裂纹造成的事故约占90%。 大量研究结果发现，冷裂纹多产生于有淬硬倾向的低合金高强度钢和中、高碳钢 的焊接接头。裂纹大多在热影响区，通常发源于熔合区，有时也出现在高强度钢 和钛合金的焊缝中。冷裂纹形成的温度大体在100一ioo之间，具体温度随 母材与焊接条件不同而异。宏观上冷裂纹的断口具有脆性断裂的特征，外表有金属光泽，呈人字形态 开展。从微观上看，裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的晶界交错处。与热裂纹单一 的晶界断裂不同，冷裂纹可以沿晶界扩展，也可以穿晶扩展，常常是晶间与晶内断裂的混合。冷裂纹有些出现在焊接过程

28、中，但较多的是在焊后延续一段时间才产生的。延迟的时间可能是几小时，几天或十几天。一般把有延迟现象的裂纹叫做延迟裂纹。现将冷裂纹的基本特征及产生范围列于表2-3。表2-3冷裂纹的基本特征及产生范裂纹名称产生的位置敏感的温度范围裂纹走向产生范围冷延迟裂纹热影响区，少量在焊在Ms点以下，发生在沿晶中、高碳钢，裂后焊后放置一段时间后或低、中合金钢纹淬硬脆化裂纹热影响区，少量在焊 缝Ms点附近穿晶马氏体不锈 钢低塑性脆化 裂纹热影响区及焊缝在400以下铸铁、堆焊硬质合金另外，根据其分布特点，冷裂纹可归纳为四种类型，即焊道下裂纹、焊趾 裂纹、焊根裂纹和横向裂纹。16MnR在焊接时产生冷裂纹的原因主要是由于

29、扩散氢、钢种本身的淬硬倾 向及焊接接头所承受的拘束应力三者共同作用的结果。（1）扩散氢的影响 实验证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹 率提高。例如，用含有较多有机物的焊条（如氧化钛纤维素型）进行焊接，出现 了大量的焊道下裂纹；而用低氢型焊条进行焊接时，那么未出现或很少出现焊道下 裂纹。在电弧气氛中加入不同量的氢试焊的结果说明，焊道下裂纹率随着加氢量 的增加而上升。近年来，一些学者在显微镜下观察弯曲试件的断裂情况是时，还观察到在 裂纹尖端附近有氢气泡析出。扩散氢的含量还影响延迟裂纹延迟时间的长短，扩 散氢含量越高，延时越短。氢是呈原子状态溶解在液体金属中的，在连续冷却金属凝固和发生固态相

30、变时溶解度将发生突变（如图21A所示）。氢在丫相中的溶解度大大高于在a 相中的溶解度。在快冷时，就来不及在Y-a转变时析出，而以过饱和溶解的形 式存在于a相中。由于氢的扩散能力很强，随着时间的延长过饱和的氢将不断扩散，其中一部 分扩散到金属外部，另一局部那么在金属内部迁移。氢在不同的晶格结构中扩散能 力不同，在a相中的扩散能力比在丫相中高（图2TB）。因此，在发生丫一 a 转变时氢的溶解度突降，而扩散能力突升，过多的氢必然通过熔合线向尚未转变 的热影响区扩散。氢扩散到母材后，由于丫相中溶解大而扩散速度低，在快冷时 就不可能继续向母材内部扩散，而聚集在熔合线附近形成高氢带。在母材也发生 了相变后

31、，氢就以过饱和的形式残留于马氏体（或贝氏体）中，并扩散到应力集 中或晶格缺陷处结合成分子，形成了较高的局部应力。加上热应力、组织应力的 共同作用，就可能造成开裂。当热影响区氢的浓度足够高时，还将使马氏体进一 步脆化，而产生焊道下裂纹。(2)拘束应力的影响 焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因加 热不均匀所承受的热应力、相变应力、结构自身几何因素所决定的内应力。一般 它与氢的共同作用会使焊缝的冷裂纹产生延时现象。事实证实，冷裂纹的延时现象与充氢钢定载拉伸时所表现出的延迟开裂特 征一致，因而推断二者有共同的内在规律。充氢钢定载拉伸时，当充氢量一定时, 在一定的应力作用下经过潜伏期裂纹开始发生，

32、在经过一定的扩展时间后最终断 裂。应力不同潜伏期与扩散期相应变化，应力越大，延时越短。假设应力到达一定 (5 1c)时立即断裂，没有延时现象；当应力低于一定值时，延时无限延长，不 发生开裂。氢致延时裂纹的特征与上述规律相同，其中潜伏期是裂纹形成的孕育阶段, 实际上是逐渐向开裂部位扩展、集中、结合成分子并形成一定压力的过程。开始 时氢的分布相比照拟均匀，在热应力和相变应力作用下金属中出现一些微观缺陷 氢开始向缺陷前沿高应力部位迁移。焊缝中氢的平均浓度越高，那么迁移的氢数量 越多，迁移的速度也越高。当氢聚集到发生裂纹所需要的临界浓度时，便开始产 生微裂。由于裂纹尖端的应力集中，促使氢进一步向尖端高

33、应力区扩散，裂纹扩 展。氢的扩散、聚集并到达临界浓度都需要时间，这就形成了裂纹的延时特性。(3)钢材淬硬倾向的作用 在快冷时，16MnR钢在铁素体析出后，余下 的奥氏体就有可能转变成高碳马氏体或贝氏体。马氏体是典型的淬硬组织，这是 由于间隙原子碳的过饱和，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生畸变所致。特别是 在焊接条件下，近缝区的加热温度高达13501400C,使奥氏体晶粒严重长 大；当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变成粗大的马氏体。脆硬的马氏体在断裂 时所需的能量较低。因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成与扩展。 钢材的淬硬倾向越大，热影响区或焊缝冷却后得到的脆硬组织马氏体越多，对冷 裂纹就

34、越敏感。马氏体对冷裂纹的影响除了其本身的脆性外，还与不平衡结晶所造成的较 多晶格缺陷有关。这些缺陷在应力作用下会迁移、集中，而形成裂源。裂源数量 增多，扩展所需能量又低，必然使冷裂纹敏感性明显增大。上述三个要素的作用是相互联系，相互制约的，不同条件下起主要作用的 因素不同。如当扩散氢含量较高时，即使马氏体的数量或拘束应力比拟小，也有 可能开裂(如焊道下裂纹)。而当材料的碳当量较高而在接头中形成较多的针状 马氏体时，即使扩散氢很少甚至没有，也会产生裂纹。1.3 该构件产生层状撕裂的原因层状撕裂是指焊接时，在焊件构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂 纹。层状撕裂多发生在轧制厚板的角接头、T形接头

35、或十字接头的热影响区，以 及其附近的母材中，有时亦见于厚板对接接头。开裂沿母材轧制方向平行于钢板 外表扩展为裂纹平台，平台之间由与板面垂直的剪切壁链接而成阶梯型。层状撕裂产生的位置在焊接热影响区或远离热影响区的母材，有些在焊趾 或焊根处由冷裂纹诱发而形成。其中工程中最常见的是热影响区的层状撕裂。层 状撕裂一般出现在钢板内部不容易发现，而且即使发现了修复也十分困难，因而 一旦产生就会造成严重的损失。层状撕裂属于低温开裂，但与冷裂纹有实质上的不同。它的产生与钢材的 强度级别并无直接关系。无论是在哪个位置产生的层状撕裂，在裂纹平台部位常 发现不同种类的夹杂物（硫化物、氧化物和硅酸盐等），说明层状撕裂

36、的根本原 因是钢中存在夹杂物。16MnR是热轧钢，钢在轧制过程中夹杂物被轧成片状，平 行于钢板外表沿轧制方向分布。这种片状夹杂物的存在，大大削弱了钢板在厚度 方向（Z向）的力学性能，特别是断面收缩率（,z）大大降低。液化石油气贮罐壳体与接管之间的焊接接头是角接头，在焊接是接头的拘 束条件以及沿板厚方向存在温差，使焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉 伸应力和应变，同时还有工作载荷形成的应力与之相加，它们就形成了层状撕裂 形成的力学条件。当应变超过了金属在Z向的变形能力时，夹杂物与金属之间就 会别离而形成微裂，应力继续作用，裂纹尖端沿夹杂物所在平面扩展，形成所谓 的平台。当平台多出产生时，相邻

37、平台之间由于不再一个平面上而因工作载荷发 生切应力，形成所谓的“剪切壁”。“剪切壁”将不同平面上的平台连接起来， 构成了层状撕裂特有的阶梯型外观。可以认为层状撕裂是由片状夹杂物、Z向拘 束应力及母材Z向力学性能下降等因素综合作用的结果。由此可知角接接头易形成层状撕裂。2. 4介质和结构对裂纹产生的影响高应力和介质中含有大量的H2S、H2O其中高应力包括：罐体运行中的工 作应力和罐体焊接结构的剩余应力。裂纹的产生，首先具有了由于H2S、H20所创造的【H】源，在罐体内外表 产生腐蚀坑与氢致脆化层，而后，随着蚀坑的加深及脆化层厚度的增加，在应力 的共同的作用下，蚀坑底部和边缘将首先形成微裂纹，在裂

38、纹前端将形成应力集 中，在应力诱导下，氢将向裂纹前端的应力集中区扩散浓集，当此部位氢的浓度 到达临界值时，在应力的作用下，就会发生启裂和微裂的相应扩展。其后，氢又 不断向新的高应力集中区扩散，这种过程可周而复始断续进行，直至形成不连续 的平行于焊缝的纵向宏观裂纹。同时，在纵向应力的作用下，产生“剪切壁”裂 纹，使不连续的裂纹相连接，从而形成外表层状撕裂状态。另外，在裂纹向纵向扩展的同时，伸向母材厚度方向的裂纹尖端在应力集 中、电化学腐蚀的共同作用下，不断向母材厚度方向扩展延伸。这一开裂过程可 以认为是以应力腐蚀特征开裂。三对16MnR的焊接性分析总体来说，16MnR钢的焊接性是很好的，但是由于

39、它是高强度的，其强度越 高，越易产生淬硬相，从而影响其焊接性。在焊接时，主要会出现以下几方面问 题：2.1 粗晶区脆化1）产生部位热影响区中被加热到1100 C以上直至熔点以下的区域，即焊接热影响区的 过热区。2）产生原因16MnR在焊接时，采用了过大的焊接线能量焊接，粗晶区将因晶粒长大或出 现魏氏组织等而降低韧性；线能量过小时焊接，会因为粗晶区组织中马氏体比例 的增大，降低了韧性。3）防止措施在焊接时，选用适当的线能量。3. 2热应变脆化1）产生部位焊接接头熔合区及最高加热温度低于Acl的亚临界热影响区。2）产生原因16MnR属于C-Mn系的低合金钢，这类钢自由氮含量较高，一般认为热应变 脆

40、化现象是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用引起的。一般 易于在200-400最高加热温度范围的亚临界热影响区产生。3）防止措施加入能形成N化物的元素，退火处理，16MnR经600Xlh退火处理后，脆 性转变温度大幅提高。3.3裂纹1）冷裂纹正火钢由于含有少量的合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当 量较低的正火钢，冷裂倾向还不大，但随正火钢碳当量及板厚的增加I,其淬硬倾 向也随之增大。采取控制线能量，降低含氢量、预热和及时后热等措施可以防止 冷裂纹的产生。2）热裂纹正火钢焊接时热裂倾向一般比拟小，但有时会在焊缝中出现热裂纹，这与正 火钢C、S、P等有害元素含量偏多有关。减

41、小母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝 形状系数（即焊缝宽度与厚度之比），有利于防止焊缝金属的热裂纹。3）层状撕裂具有角接头或丁字接头的厚板焊接结构，在钢材厚度方向承受较大的拉伸应 力时，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状撕裂,合理选择层状撕裂敏感性小的钢材, 改善接头形式以减轻钢板Z向所承受的应力应变，在满足客户使用要求的前提 下，选用强度较低焊接材料或预堆焊低强焊缝；采用预热及降氢的措施，都有利 于防止层状撕裂。四焊接工艺的拟定说明对于6 o.2245kgf / mm? (440N/iW)的低合金高强钢,其热影响区容易出现 硬而脆的马氏体组织，硬度明显增加，塑性、韧性降低，抗应力腐蚀性能恶化, 冷裂纹

42、倾向较大。因此，对每种钢必须制定具体的焊接工艺，这里就施工注意 要点作介绍如下：4.1选用焊材时应按照等强度原那么一般选用强度相当的焊材，但为了防止冷裂纹和热影响区脆化，从提高接头 塑性和韧性的目的出发，有时也选择强度略低于母材的焊材，称为低匹配。尽量采用低氢型焊条，只有在强度较低或耐大气腐蚀之类的抗拉强度在 60kgf/nW (590/mm?)以下的薄板焊接时，才可选用其他类型焊条。4. 2焊丝、焊剂的选择焊丝和焊剂的正确选用及二者之间的合理配合，是获得优质焊缝的关键，也 是埋弧焊工艺过程的重要环节。所以必须按焊件的成分、性能和要求，正确、合 理地选配焊剂和焊丝。在焊接低碳钢和强度等级较低的

43、合金钢时，选配焊剂和焊丝通常以满足力学 性能要求为主，使焊缝强度到达与母材等强度，同时要满足其他力学性能指标要 求。在此前提下，即可选用下面两种配合方式中的任何一种：用高硅高铺焊剂配 合低碳钢焊丝或含钵焊丝；用无锦高硅或低铺中硅焊剂配合低合金高强度钢时, 除要使焊缝与母材等强度外，还要特别注意提高焊缝的塑性和韧性，一般选用中 镒中硅或低锦中硅焊剂配合相应钢种焊丝。焊接低温钢、耐热钢时，选用的焊剂 和焊丝首先要保证焊缝具有与母材相同或相近的耐低温或耐热、耐腐蚀性能，为 此可选用中硅或低硅焊剂与相应的合金钢焊丝配合。焊接奥氏体不锈钢等高合金 钢时，主要是保证焊缝与母材有相近的化学成分，同时满足力学

44、性能和抗裂性能 等方面的要求。由于在焊接过程中，铭、钥等主要合金元素会烧损，应选用合金 元素含量比母材高的的焊丝；焊剂要选用碱度高的中硅或低硅焊剂，防止焊缝增 硅而使性能下降。如果只有合金成分较低的焊丝，也可以配用专门的烧结焊剂或 粘接剂焊接，依靠焊剂过渡必要的合金元素，同样可以获得满意的焊缝成分和性 能。在进行埋弧焊焊剂与焊丝的选配时，还应考虑埋弧焊的工艺特点和冶金特 性。首先是稀释率高的影响。在开I形坡口对接缝单道焊或双面焊以及开坡口对 接缝的根部焊道焊接时，由于埋弧焊焊缝熔透深度大，母材大量熔化，稀释率可 达70%。在这种情况下，焊缝金属的成分在很大程度上取决于母材的成分，而 焊丝的成分不起主要作用。因此选用合金元素含量低于母材的焊丝进行焊接，并 不降低接头的强度。例如Q345 (16Mn)钢开I形坡口对接接头，可选用精含量 比母材比母材低的H08MnA焊丝和HJ431焊剂。其次是热输入高的影响。埋弧 焊是一种高效焊接方法，为获得高的熔敷率，通常选用大电流焊接，因此，焊接 过程中就产生了高的输入热量，结果降低了焊缝金属和热影响区的冷却速度，也 就降低了接头的强度和韧性。因此在厚板开坡口焊缝填充焊道焊接时，应选用合 金成分略高于母材的焊丝并配用中性焊剂。第三还