第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施.

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1 第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施

2 第一节 内应力 第二节 焊接变形 第三节 裂纹 第四节 焊缝中的气孔与夹杂物 第五节 焊缝中化学成分不均匀性

3 第一节 内应力

4 内应力—没有外力的作用条件下，平衡物体内部的应力。
焊接瞬时应力—在焊接加热冷却过程中某一瞬时中存在的应力。 焊接残余应力—焊件完全冷却、温度均匀化后残留于焊件中的应力。 内应力的存在对焊接结构质量有很大的影响。在一定条件下，内应力影响结构的强度、刚度、受压稳定性和加工精度。 残余应力存在对构件的承载能力影响较大。可能会导致构件材料局部或者整体断裂、低应力脆断、应力腐蚀开裂等现象。

5 一 内应力的形成 内应力按其产生的原因可分为：热应力、相变应力和机械阻碍应力。
1 热应力—工件受热及冷却过程中，各部分的温度、冷却速度不同 造成的工件上在同一时刻各部分的收缩或膨胀量不同，导致内部彼此相互制约而产生的应力。该应力的本质是由热胀冷缩引起的，故称为热应力。 2 焊接应力与变形—焊接是热源移动和局部不均匀加热的过程。同一时刻离开热源中心不同点具有不同的温度分布。如将焊件分成无数小的窄板条，便可将微元件的温度当作是均匀场。这些受热元件在不同温度的周围杆件的作用下处于应力状态，加入和冷却时无法自由膨胀和收缩，其本身也将对周围杆件产生制约作用。

6 一 内应力的形成 3 相变应力—金属材料在固态相变过程中各部分因发生相变的先后时刻和相变过程不同，由此而产生的应力。
4 机械阻碍应力—焊件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力。工件在焊接时多采用能阻碍焊件收缩的刚性固定装置、工装夹具及胎具等，这些均可使工件产生拉应力和切应力。 综上，焊件内的应力是热、相变、机械阻碍应力的总和，在冷却过程的某一瞬间当局部应力的总和大于金属在该温度下的抗拉强度时，工件就会产生裂纹。一般经过热处理(一定温度和时间)工件内各部分的应力会重新分配或消失。

7 二 残余应力的分布 纵向应力—沿焊缝方向的应力,σx。 横向应力—垂直于焊缝方向的应力,σy 。 厚度向应力—沿板厚度方向的应力,σz 。
焊接残余应力值的大小可以用试验方法直接测定，亦可以进行理论计算。 纵向和横向残余应力的实例见P185~187图9-4、5、6、7、8和9。

8 三 减少或消除焊接残余应力的途径 根据残余应力产生的原因，可采用以下途径来减少或消除焊接残余应力。
1 合理的结构设计—如避免焊缝的交叉及密集，尽量采用对接而避免搭接，用刚度小的结构代替刚度大的结构等。 2 选择合理的工艺及采取必要的措施—采用小热输入(小直径焊条或低电流)，减小焊件的受热范围。安排合适的焊接顺序，尽可能使焊缝能自由收缩。此外，可以采用预热措施，在焊前进行预热可降低工件中的温度梯度，降低焊接应力。

9 三 减少或消除焊接残余应力的途径 3 减少焊接残余应力的措施
(1)热处理法—一般将工件加热到塑性状态的温度，并保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，消除残余应力。再缓冷，使厚、薄部位的温度均匀。 (2) 机械法—如对压力容器、桥梁等采用加载办法降低残余应力。原理是利用加载所产生的均匀拉伸应力与焊接应力相叠加，使存在于高拉伸应力区的应力值达到屈服强度值，迫使材料发生塑性变形，卸载后该区的残余应力得以完全或部分消除。 (3) 共振法—将焊件在共振条件下振动10～15min，以达到消除焊接残余应力的目的。该法的优点：设备费用低，花费时间少，易于操作，无氧化皮，不受工件大小尺寸的限制。不会因热处理规范不当产生裂纹。

10 第二节 焊接变形

11 一 焊接变形的基本形式 (1)收缩变形(Contraction Deformation)—焊接整体尺寸的减小，包括焊缝的纵向和横向收缩。
(2)角变形(Angular Deformation)—焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向上下收缩不一致，引起的变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。 (3)弯曲变形(Curving Deformation)—焊缝在结构上不对称分布，使得焊缝的纵向收缩不对称，引起焊件向一侧弯曲，形成的变形。 (4)波浪变形(Waviness Deformation)—焊接薄板结构时，焊接压应力使薄板失稳，引起不规则的变形。 (5)扭曲变形(Twist Deformation)—焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀和焊件纵向错边引起的，也是结构中焊缝布置不对称，或者焊接顺序和施焊方向不合理有关。

12 1 焊接应力的成因和分类 钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。焊接应力的成因可用右图所示的高温加热模型说明。

13 由于焊接温度在空间任意方向传递，故产生的焊接应力也属于三维应力状态，分为纵向焊接应力（与焊缝长度方向平行）、横向焊接应力（与焊缝长度方向垂直）及沿焊缝厚度方向的焊接应力。
（1）纵向焊接应力 焊接应力

14 （2）横向焊接应力 产生的原因有两个方面：其一是焊缝的纵向收缩使两块钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，因而在焊缝中部产生横向拉应力，两端则产生压应力。其二是因为施焊时，先焊的焊缝逐步冷却结硬，具有一定的强度，并阻止后续焊缝的横向膨胀，使后续焊缝产生横向的热塑压缩。 焊接应力

15 （3）厚度方向的焊接应力 厚度方向的焊接应力是厚钢板的对接焊缝连接中，施焊时需多层施焊，受到加热和冷却不均匀而产生的。焊缝成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。当钢材厚度t≤20mm时，厚度方向焊接应力较小，可忽略不计；但t≥50mm时，厚度方向焊接应力可达50N／mm2。 由上可见，如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。 焊接应力

16 2 焊接变形 在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、 歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有纵、横向收缩，角变形，弯曲变形，扭曲变形和波浪形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。 角变形

17 1)对静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。 2)对构件刚度的影响：焊接应力将降低构件的刚度
3 焊接应力和焊接变形对结构工作的影响 （1）焊接应力对结构性能的影响 1)对静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。 2)对构件刚度的影响：焊接应力将降低构件的刚度 3)对构件稳定性的影响：焊接应力将降低构件的稳定承载力。 4)对疲劳强度的影响：焊接应力对直接承受动力荷载的焊接结构不利。 5)对低温冷脆的影响：焊接应力导致结构产生低温脆断。

18 不同的施焊工艺、坡口形状(V形坡口比X形坡口收缩量大)、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊的顺序等，都对焊接结构的变形有很大的影响。
（2）焊接变形的影响因素 A 金属材料的热物理性能 一般，材料的线膨胀系数越大，产生的塑性压缩变形越大，冷却后纵向和横向的收缩也越大。导热性好的金属，如铝，线膨胀系数大，高温σs较低，变形较大。 B 工艺因素 不同的施焊工艺、坡口形状(V形坡口比X形坡口收缩量大)、焊缝位置的设置、结构的刚度、装焊的顺序等，都对焊接结构的变形有很大的影响。 总之，焊接变形会导致构件安装困难，改变构件受力方式。如轴心压杆，若焊接时产生弯曲变形就变成压弯构件，其强度和稳定承载力将受影响。

19 4 焊缝的合理构造及减小焊接应力、变形的措施
（1）焊缝的合理构造 1)焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝，不用粗短焊缝。施焊时不得随意加大焊缝的焊脚尺寸。 2)设计时要考虑焊缝是否有施焊空间，并尽量避免仰焊。 3)焊缝布置尽可能对称，以减少焊接变形,图(a)。 4)不宜采用带锐角的板料做肋板，板料的锐角应切掉，图(b)，以免焊接时锐角处板材被烧损，影响材质。 5)焊缝不宜过分集中，避免产生过大的焊接应力甚至产生裂纹，图(c)。 6)当拉力垂直于受力板面时，要考虑钢板的分层破坏，图(d)。 7)尽量避免焊缝相交，可将次要焊缝中断，保证主焊缝连续，图(e)。

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21 （2）减小焊接应力、变形的措施

22 防止或减少焊接变形的方法 1 结构设计方面 设计要考虑强度、刚度、稳定性及制造工艺。如减少不必要的焊缝、尽可能采用小焊缝、注意开坡口的方法；薄板常用点焊代替熔焊；还要合理布置焊缝位置，尽可能减少焊接变形量。 2 工艺方面 (1)反变形法—依构件变形情况预先给出一个方向相反、大小相等的变形，来抵消焊件产生的变形达到要求。 (2)刚性固定法—将焊件牢牢固定在夹具中进行焊接，以限制其变形的发生(图9-15、9-16,P190)。 (3)预留收缩量—备料时预先考虑加放收缩余量。大小依据经验估计，见表9-2、9-3(P190)。 (4)合理的工艺—使用热输入较小的焊接方法，选择合适的焊接参数以及合理的施焊顺序。亦可对大型结构件分部件分别加以装配焊接，再拼焊。使不对称焊缝自由收缩，有效控制焊接变形。

23 防止或减少焊接变形的方法 (5)焊接变形的矫正—变形超出技术要求允许的变形，进行校正。常用方法有：
A机械矫正—利用机械力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，消除原有的焊接变形。 B火焰矫正—用火焰局部加热使物体产生压缩塑性变形，冷却后产生的收缩变形校正原变形。 C综合矫正—采用机械与火焰两种方法同时矫正焊接变形的方法。

24 第三节 裂纹

25 在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是一种断裂形态的缺陷。
裂纹是焊接结构中最为重要的缺陷。各类事故的发生，如压力容器的爆炸、桥梁的断裂等，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏，可以说裂纹是引起脆性破坏的主要原因。

26 一 焊接裂纹的分类 焊接裂纹的形态及其分布见P193，图9-22。 焊接裂纹出现在焊接过程中—如热裂纹和大部分冷裂纹。
出现在放置或运行中—冷裂纹中某些延迟裂纹和应力腐蚀裂纹。 出现在焊后热处理或再次受热过程中—消除应力裂纹等。 按照产生裂纹的本质来分，可分为热裂纹、消除应力裂纹、冷裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹。各类裂纹的形成时期、分布部位及基本特征见P193表9-4。

27 裂纹类型 形成时间 基本特征 被焊材料 分布部位及裂纹走向 热裂纹 结晶裂纹（凝固裂纹） 在固相线温度以上稍高的温度，凝固前固液状态下 沿晶间开裂，晶界有液膜，开口裂纹断口有氧化色彩 杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金及铝 在焊缝中，沿纵向轴向分布，沿界晶方向呈人字形，在弧坑中沿各方向或呈星形，裂纹走向沿奥氏体晶界开裂。 液化裂纹 固相线以下稍低温度，也可为结晶裂纹的延续 沿晶间开裂，晶间有液化，断口有共晶凝固现象 含S、P、C较多的镍铬高强钢、奥氏体钢、镍基合金 热影响区粗大奥氏体晶粒的晶界，在熔合区中发展，多层焊的前一层焊缝中，沿晶界开裂 失延裂纹及多边化裂纹 再结晶温度TR附近 表面较平整，有塑性变形痕迹，沿奥氏体晶界形成和扩展，无液膜 纯金属及单相奥氏体合金 纯金属或单相合金焊缝中少量在热影响区，多层焊前一层焊缝中，沿奥氏体晶界开裂 再热裂纹 600～700℃回火处理温度区间，不同钢种再热开裂敏感温度区间不大相同 沿晶间开裂 含有沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等 热影响区的粗晶区，大体沿熔合线发展至细晶区即可停止扩展 冷裂纹 延迟裂纹（氢致裂纹） 在Ms点以下，200℃至室温 有延迟特征，焊后几分钟至几天出现，往往沿晶启裂，穿晶扩展，断口呈氢致准解理形态 中、高碳钢，低、中合金属，钛合金等 大多在热影响区的焊趾（缺口效应、焊根（缺口效应），焊道下（沿熔合区），少量在焊缝（大厚度多层焊焊缝偏上部），沿晶或穿晶开裂 淬硬脆化裂纹 Ms至室温 无延迟特征（也可见到少许延迟情况），沿晶启裂与扩展，断口非常光滑，极少塑性变形痕迹 含碳的NiCrMo钢、马氏体锈钢、工具钢 热影响区，少量在焊缝，沿晶或穿晶开裂 低塑性脆化裂纹（热应力低延开裂） 400℃以下室温附近 母材延性很低，无法承受应变，边焊边开裂，可听到脆性响声，脆性断口 铸铁、堆焊硬质合金 熔合区及焊缝，沿晶及穿晶开裂 层状撕裂 沿轧层，呈阶梯状开裂，断口有明显的木纹特征，断口平台分布有夹杂物 含有杂质（板厚方向聚性低）的低合金高强钢厚板结构 热影响区沿轧层，热影区以外的母材轧层中，穿晶或沿晶开裂 应力腐蚀裂纹（SCC） 任何工作温度 有裂源，由表面引发向内部发展，二次裂纹多，撕裂棱少，呈根须状，多分支，裂纹细长而尖锐，断口有腐蚀产物及氧化现象且有腐蚀坑，断口周围有裂纹分枝，有解现状，河流花样等 碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等 焊缝和热影响区，沿晶或穿晶开裂

28 二 热裂纹 在焊接高温阶段发生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称为热裂纹。
热裂纹有凝固裂纹(结晶裂纹)、液化裂纹，高温延迟裂纹等形式，常见的是凝固裂纹。 (一) 热裂纹的形成条件及其特征 1 热裂纹的形成条件 热裂纹具有高温沿晶断裂的性质。沿晶断裂的条件是：ε≥δmin ε –凝固过程或高温冷却过程中积累的应变量。 δmin—高温阶段晶间的延性或塑性变形能力 如图9-23，与液膜有关的裂纹出现在凝固末期；与液膜无关的裂纹出现在温度位于A再结晶温度Tr附近。

29 二 热裂纹 2 热裂纹的特征 (1)与液膜有关的热裂纹(液化裂纹)
凝固末期在固相线Ts附近，因晶间残存液膜造成、出现在焊缝中心的热裂纹为凝固(结晶)裂纹。在焊接时由于近缝区过热，晶间出现液化使晶间液膜分离而导致开裂的现象。 微观上，裂纹具有沿晶液膜分离的断口特征，晶界面很光滑，是液膜分离的结果，断口呈氧化色彩。 (2)与液膜无关的热裂纹 与再结晶相联系导致晶间延性陡降，造成沿晶裂纹，称“高温失延裂纹”。也可能由于位错运动而形成多边化边界(亚晶界)以致开裂，称为“多边化裂纹”。

30 二 热裂纹 焊接中热裂纹可以出现在焊缝或近缝区以及多层焊焊道间的热影响区。凝固裂纹只存在于焊缝中，特别是易出现在弧坑中，特称“弧坑裂纹”。
宏观可见的热裂纹其断口均具有较明显的氧化色彩，可作为初步判断是否为热裂纹的判据。 焊接时近缝区产生的热裂纹一般是微裂纹，在外观上很难发现。

31 二 热裂纹 (二) 热裂纹的形成机理 1 凝固裂纹的形成机理 主要取决于三个方面： (1)脆化温度区间Tb的大小 Tb越大，越易产生裂纹
1 凝固裂纹的形成机理 主要取决于三个方面： (1)脆化温度区间Tb的大小 Tb越大，越易产生裂纹 (2)金属在Tb区间所具有的最小延性的大小 δmin越小，越容易产生裂纹。 (3)在Tb区间的应变增长率 的大小 越大，越易产生裂纹。 以上三个方面是互相联系和互相影响的。Tb和Tb的延性取决于化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素。应变增长率取决于金属的热膨胀系数、焊件的刚度、收缩阻力及温度场的温度分布等力学因素。

32 二 热裂纹 2 液化裂纹的形成机理 液化裂纹只发生在焊接热影响区的近缝区，或多层焊焊缝中相邻焊道的热影响区。液化裂纹的液膜是焊接过程中沿晶界重新熔化的产物。 液化裂纹的形成与偏析所造成的共晶反应有关。材料中存在偏析元素，产生强烈的偏析，使近缝区粗晶粒的边界出现共晶反应，在焊接热循环的作用下发生熔化而形成液态薄膜。 液化裂纹本身的尺寸并不很大，但能诱发凝固裂纹、冷裂纹的形成。

33 二 热裂纹 3 高温失延裂纹的形成机理 若温度低于实际固相线时不存在液膜所产生的晶间断裂为“高温失延裂纹”。
3 高温失延裂纹的形成机理 若温度低于实际固相线时不存在液膜所产生的晶间断裂为“高温失延裂纹”。 常温时，晶界沿着其本身发生滑移的变形量小；高温时，位错或空穴的密度增加，晶界的滑动越来越明显，进一步促使晶界扩散变形。晶界扩散变形的集中会导致晶界裂纹的形成。如P198图9-28。

34 二 热裂纹 (三) 影响热裂纹的因素 1 冶金因素 主要指合金的化学成分及凝固组织形态。 (1)化学成分对热裂纹的影响
1 冶金因素 主要指合金的化学成分及凝固组织形态。 (1)化学成分对热裂纹的影响 A 合金元素对凝固温度区的影响—合金元素既能影响凝固温度区间，也能影响合金在脆性温度区中的塑性。而且，凝固裂纹倾向的大小是随着凝固温度区的增大而增大，随此增大脆性温度区的范围也增大，因此凝固裂纹的倾向也增大。为了防止热裂纹，有时采用超合金化的方法，产生更多的易熔共晶，发生“愈合”现象。 B 杂质元素的偏析以及偏析产物形态对热裂纹的影响—杂质元素P和S在钢中能形成低熔点共晶，在合金凝固过程中极易形成液态薄膜，显著增大裂纹倾向。而且P和S在钢中能引起偏析，偏析程度可用下式表示：

35 二 热裂纹 K—元素的偏析度;[χ]B—开始凝固时晶轴上某元素的质量分数;[χ]A—最终凝固时晶界处的质量分数;[χ]0—某元素在液相时的原始平均质量分数。 偏析度K越大，元素的偏析程度越严重。 为了防止热裂纹，提高焊缝中Mn/S比。当wc>0.1%时，Mn/S值应大于22。 总结各种合金元素对低合金钢焊缝凝固裂纹的影响，提出热裂纹敏感系数HCS的计算公式： 式中元素符号代表其质量分数。若HCS<4时，则可以防止热裂纹的产生。

36 二 热裂纹 在A焊缝金属中，各种元素对凝固裂纹的影响的热裂纹敏感系数HCI的计算公式为：
由此可见，P、S、Si、Ni能促进A不锈钢焊缝热裂纹的形成。为防止A不锈钢焊缝产生凝固裂纹，要求HCI<15。

37 二 热裂纹 (2)凝固组织形态对热裂纹的影响—对A钢，晶粒的大小、形态和方向以及析出初生相等对抗烈性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向会越大。细化晶粒的合金元素Ti、Mo、V、Nb、Al、RE等即可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱柱状晶的方向。 综上，影响低合金钢热裂纹的因素是杂质元素的偏析。通过提高Mn/S比，降低裂纹倾向。对Cr-Ni A钢，控制焊缝中S、P含量，细化组织，打乱A钢粗大柱状晶的生长方向。 2 工艺因素 减少有害元素的偏析及降低应变增长率。 (1) 熔合比对热裂纹的影响—对于易向焊缝金属中转移有害杂质的母材，尽量减少熔合比或开大坡口，减少熔深，或采用隔离层堆焊法。

38 二 热裂纹 (2) 成形系数的影响—成形系数Φ定义为(焊缝宽度B/焊缝计算厚度H)
不同形式的接头对裂纹倾向的影响见P201图9-34。其中表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗烈性较高。熔深较大的对接和各种角接焊缝抗烈性较差。对接焊缝一般要求Φ>1。 (3) 拘束度的影响—为防止热裂纹，减少应变量及应变增长率，以降低接头的拘束度。如合理布置焊缝，合理安排施焊顺序，对于厚板结构采用多层代替单道焊缝等，均可降低裂纹倾向。 总之，产生热裂纹的影响因素很复杂，冶金和工艺因素之间相互联系而各具特点。裂纹的产生是几种因素共同作用的结果。

39 二 热裂纹 (四) 防止热裂纹的措施 总原则，主要控制焊缝金属成分和调整焊接参数。 1 焊缝成分的控制
(1)选择合适的焊接材料—对一定的母材选用不同的焊接材料，可以得到不同成分的焊缝，在抗裂性上出现不同的差异。如加入细化晶粒元素Mo、V、Ti、Nb等可以提高抗烈性的常用办法。 (2)限制有害的杂质—对于不同材料的焊缝，有害元素的杂质也不同。各种材料中，均必须严格控制P、S的含量。合金元素越高的材料，对P和S的限制要求越严格。

40 二 热裂纹 2 调整焊接工艺—焊接工艺的影响主要有以下几个方面：
(1) 适宜的焊接参数—适当增加焊接电流、电压提高焊接热输入和预热温度，可以减少焊缝金属的应变速率，从而减低热裂纹的倾向。 (2) 控制焊缝金属成形系数—在不同的焊接方法和接头形式的条件下，选用合适的成形系数。 (3) 减少熔合比—减少熔合比，即减少母材对焊缝的稀释作用，包括焊缝中合金元素的稀释，及母材中有害元素对焊缝的影响。 (4) 减少拘束度—选择合理的焊接顺序，尽可能让大多数焊缝在较小的刚度下进行焊接，使焊缝的拘束应变减小。

41 三 冷裂纹 冷裂纹—焊件在室温附近出现的裂纹。通常在M转变开始温度Ms以下易出现开裂现象，故称“冷裂纹”，以区别“热裂纹”。冷裂纹最易出现在有一定淬硬倾向的金属中，如碳钢和高强度钢。 淬火裂纹—与淬硬组织有关的冷裂纹 氢致裂纹—与氢脆有关的冷裂纹 低塑性脆化裂纹—与材料本身低塑性有关，不需要其他致脆因素作用而产生的冷裂纹 (一) 冷裂纹的形成条件及其特征 冷裂纹的形成条件—同热裂纹，要满足δmin≦ε。即局部区域的延性δ不足以承受当时应力所产生的应变量ε。ε与工件的拘束应力有关；δ取决于冷却转变过程的致脆因素。主要是淬硬组织的出现和氢的脆化作用。

42 三 冷裂纹 冷裂纹的分布形态与特征—最易出现在焊道下、焊根、焊趾部位。冷裂纹具有以下特征：
分布形态—典型的冷裂纹分布形态常见的有三种如P203图9-36。 A 焊趾裂纹—裂纹起源于焊缝与母材交界的焊趾处，并有明显应力集中的部位（如咬肉处）。裂纹从表面出发，向厚度的纵深方向发展，止于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿纵向发展。 B 焊道下裂纹—裂纹产生于焊道之下的热影响区内，距熔合线约0.1～0.2mm， 该部位常有粗大的马氏体组织。 C 焊根裂纹—裂纹起源于应力集中的焊接坡口根部，有的沿热影响区发展，有的则转入焊缝内部。

43 三 冷裂纹 (2) 冷裂纹的特征 A 有延迟特征的冷裂纹(氢致裂纹)—在焊后(或加工后)一段潜伏期出现的，以焊道下裂纹最为典型。长分为潜伏期、缓慢扩展和突然断裂三个互相联系的阶段。裂纹的扩展呈断断续续的过程。常可听到清晰的开裂声音。是由氢的作用造成的。 B 无延迟特征的冷裂纹(淬火、应力、低塑性脆化裂纹)—塑性较低的合金焊接时，只要冷却到较低温度就会出现冷裂纹，但与氢无关，主要与淬硬组织有关。 (3) 断口特征—宏观上冷裂纹具有发亮的金属光泽，呈脆性断裂特征。微观上，呈晶间(沿晶)断裂或穿晶断裂。常看到是沿晶与穿晶共存的断口。当裂纹由氢的作用所致时，即氢致裂纹时，会有明显的氢致准解理断口出现，随着淬硬倾向的增大，沿晶断裂特征越明显。多数情况下，启裂点是沿晶断裂，在扩展过程中是沿晶断裂或穿晶断裂。

44 三 冷裂纹 (二) 冷裂纹的形成及其延迟机理 1 冷裂纹的形成机理及临界条件
冷裂纹的产生与钢的淬硬倾向、氢含量及其分布，以及约束应力的状态三大因素有关。 (1)氢的作用—氢在氢致裂纹的形成中起主要作用。它决定了裂纹形成过程中的延迟特点和其断面上的氢脆开裂特征。 焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀，使金属内部的各部分存在应力与相变的不同步，以及内应力的不均匀。在“相变诱导扩散”、“应力诱导扩散”和“浓度扩散”等驱动力作用下，将导致在工件中出现氢致裂纹。

45 三 冷裂纹 (2) 钢材的淬硬倾向—焊接时，钢种的淬硬倾向越大、越易产生裂纹。主要是因为，钢淬硬后形成的马氏体组织是碳在铁中的过饱和固溶体，晶格发生较大的畸变，使组织处于硬脆状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高达1350～1400℃，使奥氏体晶粒严重长大，快速冷却时转变为粗大马氏体，性能更为淬硬，且对氢脆非常敏感。 目前以钢中的碳当量CE来衡量钢种淬硬倾向及由此引起的冷裂倾向。碳当量与冷裂纹临界含氢量之间的关系如图9-39所示。与图相应的碳当量CE计算公式为：

46 三 冷裂纹 由上式可知，碳含量越高，或含合金元素越多，则钢材的淬硬倾向越大。钢材的淬硬倾向越大，即越容易形成马氏体组织；马氏体数量越多，则氢脆的敏感性越强。当形成高碳马氏体(孪晶马氏体)时，由于其硬度很高，性能很脆，裂纹的敏感性最强，即使没有氢的作用也可以能产生裂纹。 (3) 拘束应力—焊接中，由于不均匀的加热、冷却过程会产生应力，并将热应力和相变应力称为内拘束应力，而将结构的刚度、受载等条件产生的应力称为外拘束应力。

47 三 冷裂纹 冷裂纹的三大因素中可能是其中一种或者两种因素起主要作用，其余的起辅助作用。一般来说，焊道下裂纹主要与焊缝金属中存在高的扩散氢含量有关；缺口裂纹则主要与应力集中有关；而凝固过渡层裂纹主要与马氏体淬硬组织有关。铸件中的冷裂纹主要是由拘束应力造成的，当局部应力值超过材料的抗拉强度时，便会产生裂纹。 (4) 产生冷裂纹的临界条件—根据冷裂纹的形成条件：δmin≦ε 即局部区域的延性δmin不足以承受当时应力所产生的应变ε。影响ε的根本因素是拘束度R，而影响δmin的因素是致脆因素，主要是氢脆和组织的硬化。

48 三 冷裂纹 总结以上三种因素，对于低合金高强钢的焊接，可归纳成关于冷裂纹敏感性的重要关系式。其中最常用的关系是为： 或
式中，Pw、Pc为冷裂纹敏感指数；Pcm为冷裂纹敏感组分；HD为扩散氢含量；R为拘束度；h为工件厚度。

49 三 冷裂纹 2 氢致裂纹的机理—可用氢的应力诱导扩散理论进行解释。
2 氢致裂纹的机理—可用氢的应力诱导扩散理论进行解释。 该理论认为：金属内部的晶格缺陷等缺陷提供了裂纹源，在缺陷前沿(即缺口处)会形成应力集中的三向应力区。于是应力的诱导下，使氢向高应力区扩散，并发生聚集。当氢的浓度达到一定值时，将促使位错移动或增殖。此时缺口尖端微区的塑性变形量随氢的浓度增加而增大。当氢的浓度达到临界值时，便发生局部开裂现象，导致裂纹向前扩展；并在裂纹尖端形成新的三向应力区，促使氢向新的三向应力区内扩散聚集。此时裂纹暂停向前扩展，只有当裂纹尖端局部的氢浓度达到临界值时，裂纹才能进一步扩展。由此可见氢致裂纹的启裂需要一段时间(即潜伏期)，而且裂纹的扩展是一个断续的过程。裂纹停顿的时间正是氢再次进行扩散和聚集，并达到临界浓度所需的时间。

50 三 冷裂纹 (三) 、冷裂纹的控制 对于结构钢冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹的三大要素，即降低扩散氢的含量、改善接头组织和减小拘束应力。焊接中常用的措施是控制母材的化学成分、合理选用焊接材料以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊后热处理。 1．控制组织硬化 （1） 焊前预热预热；（2）适当控制焊接热(小热输入焊接) 碳钢的预热温度t0可参考下式进行选择： 式中，h为焊件的厚度；C为含碳量(wt.%)。 对于低合金高强钢，根据插销试验，建立如下预热温度的经验公式： HD为焊缝金属中扩散氢含量(mL/100g);σb被焊金属的抗拉强度(MPa);h为工件厚度。

51 三 冷裂纹 2． 限制扩散氢的含量 严格限制氢的来源，采用低氢焊接材料或焊接方法（ 如CO2 焊）， 进行消氢处理等。（1）采用低氢或超低氢焊接材料，并防止再吸潮，有利于防止冷裂。对于重要的低合金高强钢的焊接，原则上都应选用碱性焊条。（2） 适当预热和紧急后热所谓紧急后热，即冷裂纹尚处在潜伏期，在末启裂前实施的焊后热处理。（3）选用奥氏体焊条采用奥氏体焊条焊接冷裂倾向较大的低、中合金高强钢，能较好地避免冷裂纹。 3．控制拘束应力

52 第四节 焊缝中的气孔和夹杂物

53 一 焊缝中的气孔 气孔带来的坏处—削弱焊缝的有效工作面积、带来应力集中、降低焊缝的强度和韧性、对动载和疲劳强度不利、还会引起裂纹。
1 焊缝中的气孔分类 (1)析出型气孔—因气体在液、固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出形成的气孔。 A 氢气孔—对低碳钢和低合金钢焊接，氢气孔出现在焊缝的表面上，形状如同螺钉状，在焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。有时也出现在焊缝内部，多由结晶水所致。 B氮气孔—多出现在焊缝表面，多数是成堆出现，与蜂窝相似。氮来源于保护气体不好由空气侵入焊接区所致。 (2)反应型气孔—熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的CO、H2O而生成的气孔。

54 一 焊缝中的气孔 A CO气孔—液态金属含碳量较高而且脱氧不充分时，会发生以下冶金反应生成不溶于金属的CO： [C]+[O]=CO
一 焊缝中的气孔 A CO气孔—液态金属含碳量较高而且脱氧不充分时，会发生以下冶金反应生成不溶于金属的CO： [C]+[O]=CO [FeO]+[C]=CO+[Fe] 高温时CO会以气泡的形式逸出，形成飞溅，不会形成气孔。熔池开始凝固时，部分气泡来不及逸出形成沿结晶方向呈条虫状的内气孔。 B H2O气孔—如焊接Cu和Ni时，产生的H2O不溶于此类金属，冷却后会产生H2O气孔。

55 一 焊缝中的气孔 2 焊缝中气孔的形成机理—焊缝中气孔取决于气泡核的形成、长大和逸出三个过程。其原理与液态金属中形成气孔的机理相同。
3 影响焊缝形成气孔的因素 (1) 冶金因素的影响 A 熔渣氧化性的影响—对焊缝的气孔敏感性具有较大的影响。见表9-8。一般用焊缝金属中C与O含量的乘积ωc*φo2表示CO气孔的敏感性。 B 焊条药皮和焊剂成分的影响—如Ca2F和SiF2同时存在生成HF,氢被HF占据，会明显降氢，进而降低氢气孔倾向。 C 铁锈及水分的影响—焊件或者焊材中的不洁如铁锈加热分解放出H2和O2，一方面对熔池增加氧化作用，结晶时生成CO气孔；另一方面增加了生产氢气孔的可能性。

56 一 焊缝中的气孔 (2)工艺因素的影响 A 焊接参数的影响—包括焊接电流、电弧电压和焊接速度等。电流增大会使熔滴变细，比表面积增大，吸收气体增多，增加气孔的倾向。电压增大，空气中的氮侵入熔池形成氮气孔。焊速增大，增加了结晶速度，气泡残留出现气孔。 B 电流种类和极性的影响—一般情况下交变焊时较直流焊时气孔倾向较大，而直流反接较正接时气孔倾向小。

57 一 焊缝中的气孔 C 工艺操作方面的影响 a 焊前未按要求清除焊件、焊丝上的污绣或油脂。
b 未按规定严格烘干焊条(酸性焊条烘干温度过低、碱性温度过高)、焊剂，或烘干后放置时间过长。 C 焊接时参数不稳定，使用低氢型焊条时未采用短弧焊等。 4 防止焊缝中形成气孔的措施 (1)消除气体来源—进行表面清理、焊接材料的防潮和烘干、加强保护，防止空气侵入熔池引起氮气孔。 (2)正确选用焊接材料—必须与母材相匹配。焊接有色金属时为了克制氢的有害作用，在Ar中加入适量的CO2或O2。 (3) 控制焊接工艺条件—使熔池的气体容易逸出，同时限制电弧外围气体向液态金属中的溶入。对反应性气体，创造有利的排气条件，适当增大熔池在液态的时间，增大热输入和适当预热。对氢和氮而言，探究最佳焊接参数值，改善气体溶入条件，减少气孔的可能性。

58 二 焊缝中的夹杂物 焊接生产中必须限制夹杂物的数量、大小和形状。
(1) 氧化物夹杂—主要是SiO2、MnO、TiO2、CaO、Al2O3等，一般以复合硅酸盐存在。降低焊缝的塑性。 (2) 氮化物夹杂—如保护条件不好焊接碳钢和低合金钢时生成Fe4N夹杂物，以针状分布在晶粒上或穿过晶界残留于焊缝中，使焊缝金属塑性、韧性急剧下降。 (3) 硫化物夹杂—硫从饱和固溶体中以MnS、FeS硫化物夹杂形式存在于焊缝中。与Fe或FeO形成低熔点共晶，增加热裂纹生成的敏感性。 研究表明，细小、均匀分布的TiO、SiO2、MnO、MnS、CuS及其复合物在焊缝中可作为固态相变时针状F的核心，诱导焊缝金属中针状F的形成，细化焊缝金属组织，提高焊缝金属的强度和韧性。

59 减少焊缝中有害夹杂物的措施 正确选择焊条、药芯焊丝、焊剂的渣系，在焊接过程中脱氧、脱硫；
选用较大的焊接热输入，仔细清理层间焊渣，摆动焊条，以便熔渣浮出。 降低电弧电压，防止空气中氮的侵入，避免生成氮化物Fe4N夹杂物。 夹杂物的形成机理详细分析见“铸件凝固组织的形成与控制”第三节“气孔与夹杂物的形成机理及控制”

60 第五节 焊缝中的化学成分不均匀性

61 焊缝金属非平衡凝固导致焊缝金属的化学成分不均匀性，出现偏析现象。常见的偏析有：
1 显微偏析(微观、晶间、晶界偏析)—发生在柱状晶内以及柱状晶界。常见于液相线与固相线温度区间较宽的钢或合金的焊缝中。 S、P、C以及合金元素的交互作用最容易产生偏析，焊接过程中要严加控制。 2 层状偏析(结晶层偏析)—焊缝金属横剖面的化学成分不均匀性。 改偏析是由于结晶过程放出的结晶潜热和熔滴过渡时热输入周期性变化，使树枝晶生长速度周期变化，从而使结晶面上溶质原子浓聚程度周期变化的结果。

62 3 区域偏析(宏观偏析)—焊缝柱状晶晶体在从熔合线向焊缝中心外延生长过程中，会将溶质或杂质赶向中心，导致焊缝中心结晶面的溶质或杂质含量增高，形成偏析。
改善偏析的方法很多，其中，控制凝固结晶过程，细化凝固组织均能有效减少或消除偏析。具体对偏析的形成机理的详细分析，可参考“逐渐凝固组织的形成与控制”中的第五节“化学成分的偏析”。

63 谢谢大家