焊接工艺参数ppt课件.ppt
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1、,焊接裂纹及防治措施小结,孙化强重庆大学,第一节裂纹分布与种类,裂纹是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一种,可以成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因,它不仅可以使产品报废,而且还可能因未检测出导致以后灾难性的事故。,图1-1 焊接裂纹的宏观形态及其分布1-焊接中纵向裂纹 2-焊缝中横向裂纹 3-熔合区裂纹 4-焊缝根部裂纹 5-HAZ根部裂纹 6一焊趾纵向裂纹(延迟裂纹) 7-焊趾纵向裂纹(液化裂纹、再热裂纹) 8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9-层状撕裂 10-弧坑裂纹(火口裂纹)a)纵向裂纹 b)横内裂纹 c)星形裂纹,返回,焊接裂纹的分类,裂纹的分类按裂纹分布的走向分:横
2、向裂纹;纵向裂纹;星形(弧形裂纹) 按裂纹发生部位分焊缝金属中裂纹;热影响区中裂纹;焊缝热影响区贯穿裂纹。按产生本质分类热裂纹;冷裂纹;再热裂纹;层状撕裂;应力腐蚀裂纹,一、结晶裂纹的形成机理 有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂,也有沿焊缝中的树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹,有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间,这说明在结晶过程中晶界是最薄弱的部位。,第二节 焊接热裂纹,由于先结晶的固相金属较纯,后结晶的金属含杂质多,并富集在晶界。这些杂质容易形成低的熔点的共晶,最后被推向晶界,在晶粒之间形成一个液态薄膜。如果此时有拉伸应力存在就会产生裂纹(图5-16)。,结晶裂纹的形成机理(1),产生
3、热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。,在整个结晶过程中,从液到固可分为三个阶段:(1)液固阶段(液多于固) 液态金属可在固态金属中自由流动,此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。,结晶裂纹的形成机理(2),(2)固液阶段(固多于液) 随着固态金属量增加,剩余的液态金属多为低熔点共晶,流动也发生困难,这时若有拉伸应力产生的小裂纹无法靠液态金属填充,成为一个“裂纹源”。此阶段也叫“脆性温度区”。,结晶裂纹的形成机理(3),(3)完全凝固阶段 完全凝固后金属有较好的强度和塑性,既使有拉伸应力也难以产生裂纹。,1 冶金因素对结晶裂纹的影响 影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。
4、,二、 结晶裂纹的影响因素,产生热裂纹必须具备冶金因素(成分、偏析)和力的因素(金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等)。,相图的结晶温度区间越大(即液态存在的时间越长),产生热裂纹的可能性越大(图519)。 影响相图结晶温度区间大小与合金的含量有关。,(1) 相图类型和结晶温度区的大小(1),由于焊接是在非平衡条件下结晶,结晶温度区间要偏离平衡条件下的结晶温度区间,因此最大结晶裂纹可能发生在低合金含量区(图519虚线)。,各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律(图520)。,相图类型和结晶温度区的大小(2),对凝固温度范围的影响; 对形成低熔点相的影响(尤其是S、P)。 对产生结晶裂纹的影响比较
5、大的合金是一些能形成低熔点共晶的合金元素,熔点越低、数量越大,裂纹倾向越大。,(2)合金因素对产生结晶裂纹的影响(1),1) 硫、磷:S、P可扩大Fe的结晶区间(图521),并能与Fe形成多种低熔点共晶。,合金因素对产生结晶裂纹的影响(2),2)碳:碳在相中的溶解度大于相(表54), 所以含碳0.10(无包晶反应)的钢不易发生热裂。,合金因素对产生结晶裂纹的影响(4),碳是易偏析元素,并能加剧其它元素的有害作用(如S、P等)。,3)锰:Mn有脱硫作用,生成高熔点MnS(1600),生产的MnS为球状。,合金因素对产生结晶裂纹的影响(5),随着钢中含碳量增加,Mn/S也应提高。否则影响Mn的脱硫
6、效果。含碳量越高,S的危害越大(图523 )。,4)硅:Si是 脱氧元素,但焊缝中Si0.4时,容易形成硅酸盐夹杂,造成裂纹源,从而增加裂纹倾向。,合金因素对产生结晶裂纹的影响(6),5)钛、锆、稀土:Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多,有良好的消除结晶裂纹作用,但它们也是强脱氧元素。 氧化稀土也有脱硫作用。,6)镍:Ni和S形成低熔点共晶(NiS2 645),易于引起结晶裂纹。,(7)铜:铜易引起热裂纹,如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。,合金因素对产生结晶裂纹的影响(7),焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响。晶粒越粗大、柱状晶方向越明显,产生结晶裂纹的倾向就越大。所以细化晶粒有利于打
7、破液膜的连续性,是减小结晶裂纹的有效措施。,(3)结晶组织对结晶裂纹的影响(1),1 冶金因素(1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊金属,一般低碳钢、低合金钢S、P0.05,高合金钢0.04,不锈钢0.02或更低。对重要焊接构件应采用碱性焊条或焊剂,以进一步减小有害杂质含量。,三、 防止结晶裂纹的措施,从冶金因素和工艺因素(减少应力)两方面着手。,加入细化晶粒元素(Ti、Mo、V、Nb)细化晶粒。,(2)改善焊缝组织,对A体不锈钢焊接可采用A+双相组织焊缝(5),以减少结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀能力。,选用合理的焊接工艺,如焊接工艺参数、
8、预热、接头型式、焊接顺序等,目的是尽量减少焊缝的拉伸应力。,2 抗热裂的工艺措施,(1)焊接工艺参数 焊接热循环产生的拉伸应力引起应变为,则单位温度变化引起的应变是:式中:t温度;膨胀系数;c冷速。,对于厚板对于薄板 式中Tc某瞬间温度;T0初始温度;E焊接线能量;导热系数;C比热容;e密度。,(1) 焊接工艺参数(1),则对厚板 对薄板 由这二式可见,适当增加线能量E和提高预热温度,可降低冷却速度,减少焊缝金属的应变,从而降低结晶裂纹倾向。,焊接工艺参数(2),焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分布影响很大,因而结晶裂纹倾向也不同(图526)。 多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小,因为
9、1)每层焊接线能量小;2)前几道焊缝冷凝后起到拘束作用 接头处应尽量避免应力集中(错边、咬肉、未焊透)*,(2) 接头形式,一般顺序原则:对称焊,分散应力,最后一道才是拘束封闭(图527,28)。,(3)焊接次序,一、冷裂纹的危害及特征1 危害性 主要发生在中高碳钢、合金钢等的热影响区和厚板多层焊的焊缝中,并发生在拘束度较大的T形接头和十字形接头应力集中较大的接头上(表8-1)。一般是在焊后出现,不易发现。,第三节 焊接冷裂纹,(1) 发生在中高碳钢、合金钢的热影响区(图539)。(高强),2 冷裂纹的一般特征(1),(3) 多发生在具有应力集中的焊接热影响区。(高应力),(2) 在焊后冷至M
10、s点附近或更低的温度下逐渐生成。(低温),常见低合金高强钢的延迟裂纹有:焊趾裂纹 起源于母材与焊缝交界处有明显应力集中的部位,裂纹走向与焊道平行,由焊趾表面开始向母材的深处扩展。,二、 冷裂纹的种类(1),焊道下裂纹 发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的热影响区,裂纹走向与熔合线平行。,冷裂纹的种类(2),3 根部裂纹 起源于焊缝根部应力集中最大的部位。,冷裂纹的种类(3),三、 焊接冷裂纹的机理,钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及其分布、焊接接头拘束力是产生焊接冷裂纹的三大因素,而且这三个因素是相互关联的。,1 钢的淬硬倾向,淬硬倾向越大越易产生裂纹,原因在于:(1)形成脆硬的马氏体组织 尤其是热影响区
11、的过热区,冷速快时易形成粗大M体,硬而脆,裂纹一旦形成,极易扩展。 各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为:F或PBL(下贝氏体)ML(低碳M体)BH(上贝氏体)Bg(粒贝氏体)Mr(高碳挛晶M体)。,随着热应变量增加,位错密度也随之增加,在应力作用下位错发生移动和聚集,当它们的浓度达到一定临界值后,就会形成裂纹源,在应力作用下,扩展形成宏观裂纹。,(2)晶格缺陷,热影响区的最高硬度Hmax是评定高强钢裂纹倾向的重要指标。,焊缝中含氢量与焊接区域的清理、焊条类型、烘干温度和焊后的冷却速度等有关。,(1)氢的来源及焊缝中的含氢量,氢主要来自焊接材料中的水份、焊缝周边的铁锈、油污等。,氢在A体
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