焊接裂纹热裂纹
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总括以上，产生结晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在液 态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结 果。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应 力是产生结晶裂纹的必要条件。
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产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受 的拉伸应变大于焊缝金属( jīnshǔ)所具有塑性。
三、防治结晶(jiéjīng)裂纹的措施
（一）冶金因素方面 1．控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 尽可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，一些重要
的焊接(hànjiē)结构应采用碱性焊条或焊剂。 2．改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途
径 广泛采用的办法是向焊缝中加入细化晶粒元素（如 Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、稀土等）。对于不锈钢焊接 (hànjiē)时，为了提高抗裂性、抗腐性，希望得到γ+δ的 双相组织焊缝（δ相控制在5%左右），这也是改善凝固 结晶的重要方面。
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（三）完全凝固阶段 熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉伸应力时，就 会表现出较好的强度和塑性，很难发生(fāshēng)裂纹。但 应指出，对于某些金属在焊缝完全凝固以后，仍有一段温度 内塑性很低，也会产生裂纹，即所谓高温低塑性裂纹（多边 化裂纹）。 由低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。 但在大量实验的基础上，发现焊缝中低熔点共晶的数量超过 一定限界之后，反而具有“愈合”裂纹的作用。也就是说， 低熔点共晶较多时，反而不产生裂纹，它可以自由流动，填 充有裂口的部位，这就是起了所谓“愈合”作用。
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（二）固液阶段 当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大， 冷却到某一阶段时，已凝固的相彼此发生接触， 并不断倾轧到一起，这时液态金属的流动就发生 了困难，即熔池结晶进入了固液阶段。在这种情 况下，由于液态金属少（主要是那些低熔点共 晶），在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无 法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹 (liè wén)的可能。
可把熔池的结晶分为以下三个阶段：
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（一）液固阶段 熔池开始结晶时，仅有少量的晶核，以后逐渐晶核 长大(chánɡ dà)和出现新的晶核，但始终保持有 较多的液相，相邻晶粒之间不发生接触，液态金属 可在晶粒之间自由流动。此时虽有拉伸应力存在， 但被拉开的缝隙能及时地被流动着的液态金属所填 满，因此在液固阶段不会产生裂纹。
况下也出现在热影响区中。 裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现，所以多边化裂纹总
是迟于再结晶。 裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属中及热影响区，
其部位并不都靠近熔合区，说明这种裂纹与晶界液化 无关。 断口呈现出高温低塑性开裂。
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（三）多边化裂纹的影响因素 1．合金成分的影响 在Ni-Cr系的单相合金中，向焊
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（4）硅 硅是δ相形成元素，应利于消除结晶裂纹， 但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而 增加了裂纹倾向。 (5)钛、锆和稀土 最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土 元素能形成高熔点的硫化物，故对消除结晶裂纹有 良好作用。
（6）镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶（Ni 与Ni3S2熔点仅645℃），因此会引起结晶裂纹。但 加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。
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（二）工艺因素方面 工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式和 焊接顺序等，用工艺方法防止结晶裂纹主要是改善 焊接时的应力状态。 1．焊接工艺及工艺参数 适当(shìdàng)增加焊接线能量E和提高预热温度T0， 即可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的 倾向。
谢谢(xiè xie)各位的聆 听
第二十二页，共23页。
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2．合金元素对产生结晶裂纹的影响 （1）硫和磷 硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶，使结
晶过程极易形成液态薄膜，因而显著增大裂纹倾向， 即使是微量存在，也会使结晶区间(qū jiān)大为增加。 （2）碳 碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加 剧其他元素的有害作用（如硫、磷等）。 （3）锰 锰具有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也 能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分 布，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的结 晶裂纹，并随含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之 增加
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（二）力学因素对产生结晶裂纹的影响 焊缝金属在脆性温度区内(qū nèi)塑性低和脆性温度 区的范围宽是产生结晶裂纹的必要原因，而充分条 件是必须要有力的作用。 产生结晶裂纹的影响因素概括起来主要是冶金因素和 力学因素，二者之间既有内在的联系，又有各自独 立规律。
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（7）氧 焊缝中有一定(yīdìng)的含氧量，能降低硫 的有害作用。
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3．凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响 焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出 的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大， 柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的倾向就越 大。对于焊接18-8型不锈钢时，希望得到γ+δ双相 焊缝组织，因焊缝中有少量δ相可以细化晶粒，打 乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，同时(tóngshí)，δ 相还具有比γ相溶解更多S、P的不利作用，因此可 以提高焊缝的抗裂能力。
缝加入提高多边化激活能的元素（如Mo、W、Ti、 Ta等），则可有效地阻止多边化过程。 高温δ相存在时，也能阻碍位错移动，因而也可作 为阻止二次边界形成的组织成分。所以双相金属具 有良好的抗多边化裂纹的能力。 2．应力状态的影响 有应力存在能增加原子的活动 性，所以能加速( jiā sù)多边化的过程。 3．温度的影响 形成多边化过程温度越高所需的时 间就越短，就会增加裂纹倾向这种关系可由式（58）和图5-38看出。
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（二）液化裂纹的影响(yǐngxiǎng)因素 液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此影 响(yǐngxiǎng)因素也大致相同，也是冶金因素 和力学因素共同作用的结果。
（三）液化裂纹的防治 防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本上 是一致的，也是从冶金和工艺两方面入手。特别是 对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、 硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的。
3.焊接次序
尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊
缝的受力较小。
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四、高温(gāowēn)液化裂纹
液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸 很小，一般在0.5mm以下，个别的可达1mm。尽管裂 纹的尺寸很小，但常成为冷裂纹、再热裂纹、脆性破 坏和疲劳断裂(duàn liè)的发源地，所以应当给以足够 的重视 。
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五、多过化裂纹(lièwén)
（一）多边化裂纹的形成机理 这种裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿已 凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷（空位和位 错等），并且在快速的冷却条件下，由于不易扩散， 它们以边饱和的状态保留于焊缝金属中，在一定温 度和应力的条件下，晶格缺陷发生移动和聚集，从 而(cóng ér)形成了二次边界，即所谓“多边化边 界”。
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二、结晶裂纹的影响(yǐngxiǎng)因素
从现象来看，影响结晶裂纹的因素很多，但从本质来 看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力的因素。 （一）冶金因素对产生结晶裂纹的影响 所谓结晶裂纹的冶金因素主要是合金(héjīn)状态图的 类型、化学成分和结晶组织形态等。 1．合金(héjīn)状态图的类型和结晶温度区间 结晶裂纹倾向的大小是随合金(héjīn)状态图结晶温度 区间的增大而增加。当合金(héjīn)元素进一步增加 时，结晶区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹的 倾向也反而降低了。
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另外，母材热影响区在焊接热循环的作用下，由于热应变， 金属中的畸变能增加，同时也会形成(xíngchéng)多边 化边界。这种多边化的边界，一般情况下并不与凝固晶 界重合，在焊接后的冷却过程中，由于热塑性降低，导 致沿多边化的边界产生裂纹，故称多边化裂纹。
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（二）多边化裂纹的主要(zhǔyào)特点 这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，个别情
2．接头形式
表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高。熔深较 大的对接和各种角接（包括搭接、T形接头和外角接 焊缝等）抗裂性较差，因为这些焊缝所承受的应力 正好作用在焊缝的结晶面上(miàn shànɡ)，而这个 面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，故易于 引起裂纹。
对于厚板焊接结构，施工时常采用多层焊，裂纹倾向 比单层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制。 另外，在接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、 未焊透等），也是降低裂纹倾向的有效办法。
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（一）液化裂纹的形成机理 焊接时近缝区金属层间或焊缝层间金属，在高温下使 这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶被重新熔化， 在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化 裂纹。另外，在不平横的加热和冷却条件下，由于 金属间化合物分解和元素的扩散，造成了局部地区 共晶成分偏高而发生局部晶间液化，同样也会产生 液化裂纹。由此可知，液化裂纹也是由冶金因素和 力学因素共同作用的结果。 液化裂纹也同样产生于脆性温度区，脆性温度区的大 小是判定液化裂纹倾向的只要(zhǐyào)指标。
5.2-焊接(hànjiē)裂纹-热裂纹
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一、结晶裂纹的形成(xíngchéng)机理
先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集 在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都有较低的 熔点。
在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状 晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此 时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜 就成了薄弱(bó ruò)地带。在拉伸应力的作用下就有可 能在这个薄弱(bó ruò)地带开裂而形成结晶裂纹。
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产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受 的拉伸应变大于焊缝金属( jīnshǔ)所具有塑性。
三、防治结晶(jiéjīng)裂纹的措施
（一）冶金因素方面 1．控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 尽可能的控制母材及焊材中的硫、磷、碳含量，一些重要
的焊接(hànjiē)结构应采用碱性焊条或焊剂。 2．改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途
径 广泛采用的办法是向焊缝中加入细化晶粒元素（如 Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、稀土等）。对于不锈钢焊接 (hànjiē)时，为了提高抗裂性、抗腐性，希望得到γ+δ的 双相组织焊缝（δ相控制在5%左右），这也是改善凝固 结晶的重要方面。
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（三）完全凝固阶段 熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉伸应力时，就 会表现出较好的强度和塑性，很难发生(fāshēng)裂纹。但 应指出，对于某些金属在焊缝完全凝固以后，仍有一段温度 内塑性很低，也会产生裂纹，即所谓高温低塑性裂纹（多边 化裂纹）。 由低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。 但在大量实验的基础上，发现焊缝中低熔点共晶的数量超过 一定限界之后，反而具有“愈合”裂纹的作用。也就是说， 低熔点共晶较多时，反而不产生裂纹，它可以自由流动，填 充有裂口的部位，这就是起了所谓“愈合”作用。
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（二）固液阶段 当结晶继续进行时，固相不断增多，且不断长大， 冷却到某一阶段时，已凝固的相彼此发生接触， 并不断倾轧到一起，这时液态金属的流动就发生 了困难，即熔池结晶进入了固液阶段。在这种情 况下，由于液态金属少（主要是那些低熔点共 晶），在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无 法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹 (liè wén)的可能。
可把熔池的结晶分为以下三个阶段：
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（一）液固阶段 熔池开始结晶时，仅有少量的晶核，以后逐渐晶核 长大(chánɡ dà)和出现新的晶核，但始终保持有 较多的液相，相邻晶粒之间不发生接触，液态金属 可在晶粒之间自由流动。此时虽有拉伸应力存在， 但被拉开的缝隙能及时地被流动着的液态金属所填 满，因此在液固阶段不会产生裂纹。
况下也出现在热影响区中。 裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现，所以多边化裂纹总
是迟于再结晶。 裂纹多发生在重复受热的多层焊层间金属中及热影响区，
其部位并不都靠近熔合区，说明这种裂纹与晶界液化 无关。 断口呈现出高温低塑性开裂。
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（三）多边化裂纹的影响因素 1．合金成分的影响 在Ni-Cr系的单相合金中，向焊
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（4）硅 硅是δ相形成元素，应利于消除结晶裂纹， 但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而 增加了裂纹倾向。 (5)钛、锆和稀土 最近发现，钛、锆和镧、铈等稀土 元素能形成高熔点的硫化物，故对消除结晶裂纹有 良好作用。
（6）镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶（Ni 与Ni3S2熔点仅645℃），因此会引起结晶裂纹。但 加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。
第十二页，共23页。
（二）工艺因素方面 工艺方面主要是焊接工艺参数、预热、接头型式和 焊接顺序等，用工艺方法防止结晶裂纹主要是改善 焊接时的应力状态。 1．焊接工艺及工艺参数 适当(shìdàng)增加焊接线能量E和提高预热温度T0， 即可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的 倾向。
谢谢(xiè xie)各位的聆 听
第二十二页，共23页。
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2．合金元素对产生结晶裂纹的影响 （1）硫和磷 硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶，使结
晶过程极易形成液态薄膜，因而显著增大裂纹倾向， 即使是微量存在，也会使结晶区间(qū jiān)大为增加。 （2）碳 碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加 剧其他元素的有害作用（如硫、磷等）。 （3）锰 锰具有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也 能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分 布，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的结 晶裂纹，并随含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之 增加
第十页，共23页。
（二）力学因素对产生结晶裂纹的影响 焊缝金属在脆性温度区内(qū nèi)塑性低和脆性温度 区的范围宽是产生结晶裂纹的必要原因，而充分条 件是必须要有力的作用。 产生结晶裂纹的影响因素概括起来主要是冶金因素和 力学因素，二者之间既有内在的联系，又有各自独 立规律。
第十一页，共23页。
（7）氧 焊缝中有一定(yīdìng)的含氧量，能降低硫 的有害作用。
第九页，共23页。
3．凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响 焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出 的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大， 柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的倾向就越 大。对于焊接18-8型不锈钢时，希望得到γ+δ双相 焊缝组织，因焊缝中有少量δ相可以细化晶粒，打 乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，同时(tóngshí)，δ 相还具有比γ相溶解更多S、P的不利作用，因此可 以提高焊缝的抗裂能力。
缝加入提高多边化激活能的元素（如Mo、W、Ti、 Ta等），则可有效地阻止多边化过程。 高温δ相存在时，也能阻碍位错移动，因而也可作 为阻止二次边界形成的组织成分。所以双相金属具 有良好的抗多边化裂纹的能力。 2．应力状态的影响 有应力存在能增加原子的活动 性，所以能加速( jiā sù)多边化的过程。 3．温度的影响 形成多边化过程温度越高所需的时 间就越短，就会增加裂纹倾向这种关系可由式（58）和图5-38看出。
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（二）液化裂纹的影响(yǐngxiǎng)因素 液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此影 响(yǐngxiǎng)因素也大致相同，也是冶金因素 和力学因素共同作用的结果。
（三）液化裂纹的防治 防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本上 是一致的，也是从冶金和工艺两方面入手。特别是 对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、 硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的。
3.焊接次序
尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊
缝的受力较小。
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四、高温(gāowēn)液化裂纹
液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸 很小，一般在0.5mm以下，个别的可达1mm。尽管裂 纹的尺寸很小，但常成为冷裂纹、再热裂纹、脆性破 坏和疲劳断裂(duàn liè)的发源地，所以应当给以足够 的重视 。
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五、多过化裂纹(lièwén)
（一）多边化裂纹的形成机理 这种裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿已 凝固相的晶粒中萌生出大量的晶格缺陷（空位和位 错等），并且在快速的冷却条件下，由于不易扩散， 它们以边饱和的状态保留于焊缝金属中，在一定温 度和应力的条件下，晶格缺陷发生移动和聚集，从 而(cóng ér)形成了二次边界，即所谓“多边化边 界”。
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二、结晶裂纹的影响(yǐngxiǎng)因素
从现象来看，影响结晶裂纹的因素很多，但从本质来 看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力的因素。 （一）冶金因素对产生结晶裂纹的影响 所谓结晶裂纹的冶金因素主要是合金(héjīn)状态图的 类型、化学成分和结晶组织形态等。 1．合金(héjīn)状态图的类型和结晶温度区间 结晶裂纹倾向的大小是随合金(héjīn)状态图结晶温度 区间的增大而增加。当合金(héjīn)元素进一步增加 时，结晶区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹的 倾向也反而降低了。
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另外，母材热影响区在焊接热循环的作用下，由于热应变， 金属中的畸变能增加，同时也会形成(xíngchéng)多边 化边界。这种多边化的边界，一般情况下并不与凝固晶 界重合，在焊接后的冷却过程中，由于热塑性降低，导 致沿多边化的边界产生裂纹，故称多边化裂纹。
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（二）多边化裂纹的主要(zhǔyào)特点 这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，个别情
2．接头形式
表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高。熔深较 大的对接和各种角接（包括搭接、T形接头和外角接 焊缝等）抗裂性较差，因为这些焊缝所承受的应力 正好作用在焊缝的结晶面上(miàn shànɡ)，而这个 面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，故易于 引起裂纹。
对于厚板焊接结构，施工时常采用多层焊，裂纹倾向 比单层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制。 另外，在接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、 未焊透等），也是降低裂纹倾向的有效办法。
第十五页，共23页。
（一）液化裂纹的形成机理 焊接时近缝区金属层间或焊缝层间金属，在高温下使 这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶被重新熔化， 在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化 裂纹。另外，在不平横的加热和冷却条件下，由于 金属间化合物分解和元素的扩散，造成了局部地区 共晶成分偏高而发生局部晶间液化，同样也会产生 液化裂纹。由此可知，液化裂纹也是由冶金因素和 力学因素共同作用的结果。 液化裂纹也同样产生于脆性温度区，脆性温度区的大 小是判定液化裂纹倾向的只要(zhǐyào)指标。
5.2-焊接(hànjiē)裂纹-热裂纹
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一、结晶裂纹的形成(xíngchéng)机理
先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集 在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都有较低的 熔点。
在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状 晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此 时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜 就成了薄弱(bó ruò)地带。在拉伸应力的作用下就有可 能在这个薄弱(bó ruò)地带开裂而形成结晶裂纹。