第9章 成型缺陷的产生机理和防止措施概要
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影响因素： 材料热物理性能：膨胀系数、导热性 工艺因素：焊接热输入、焊接顺序
防止方法： 结构设计； 工艺：反变形、刚性固定、预留收缩量、等
2018/9/15 17
焊接变形的矫正（straightening）
机械矫正
火焰矫正
2018/9/15
18
3-3 裂纹
裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的 突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险 而又常见的缺陷。 种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热 （reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion） 裂纹和层状撕裂（lamellar tearing）
2018/9/15
30
2018/9/15
31
b. 延迟特征机理: 应力诱导扩散模型(stress-induce diffusion model) 试样在受力过程中,会在裂纹敏感的部位形成有应力 集中的三向应力区,氢就极力向这个区域扩散,应力 也随之提高,当些部位氢的浓度达到临界值时,就会 发生启裂和相应扩展。其后，氢又不断向新的三向 应力区扩散。 “延迟”性： 因氢的扩散聚集是time-dependent phnomenon
2018/9/15 19
3.3.1 焊接热裂纹（hot cracking） 主要指凝固裂纹(solidification cracking)
焊接热裂纹的形成原因： 焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。 焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此 时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免 的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应 变的能力时，即产生焊接热裂纹。 焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力 的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性 温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
2018/9/15 36
b.限制扩散氢： 采用低氢或超低氢焊接材料； 焊接材料必须按规定进行烘干；在使用四个小时以后，必 须再进行烘干； 工件表面必须防止有水分； 预热可以减少扩散氢； “紧急”后热，焊后尽快加热，一般加热到250。C,保温 12～24个小时，扩散氢大部分逸出； 采用奥氏体焊条，可以固溶较多的氢，限制氢扩散运动， 有利于减少冷裂倾向，一般可以不预热，要注意焊缝热裂 纹倾向。 c.控制拘束应力： 制定施焊工艺时，应力求减少拘束度，调整焊接循序，使 焊缝有收缩的余地。预热或后热；低强度匹配
2018/9/15 20
（1）特征
1）仅发生于WM或铸件中 2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂 纹 3）断口形貌（fracture appearance） a. 高温特征：液膜（liquid film）表面，液态 分离时自由凝固表面特征，有时有氧化 b. 偏析特征 微区元素分析表明有S、P等富 2018/9/15 集
2018/9/15
4
板 中 心 堆 焊 焊 接 残 余 应 力 形 成
2018/9/15 5
铸件的内应力
冷却过程中各部分冷却速度不一致 造成的.
2018/9/15
6
相变应力（transformation stress）
固态相变金属因各区域发生相变的类 型不同、时间不同或程度不同，由于不同 相组织的比容不同而导致的内应力。 低碳钢 合金钢
2018/9/15 42
2018/9/15 27
1）马氏体淬硬组织：
焊后冷却形成的M越多，M中含碳量越高，淬 硬倾向越大，冷裂倾向越强。 a. M淬硬组织的脆性，尤其是其对氢脆的敏感 性。 b. M组织高内应力条件：M硬度高，相变温度 低，组织应力高 c. M淬硬组织缺陷多：晶格缺陷、位错……
2018/9/15 28
2）氢的作用
与板厚成正比,与拘束长度成反比,与材料的杨 氏模量有关.与其它焊接条件无关.
2018/9/15 34
焊接冷裂纹的控制
a.控制组织硬化,降低HAZ组织淬硬程度： 选择钢种后，根据化学成分决定Pcm或者CE， 评定其冷裂倾向
。
Mn Mo+Cr+v Ni+Cu C E =C+ + + 6 5 15
2018/9/15 35
氢是导致冷裂纹特别是其延迟特征的主要因素。氢脆 （hydrogen embrittlement） a. 氢的扩散及HAZ聚积 氢在金属中的溶解 在不同组织中的溶解 在不同组织中的扩散 在致裂过程中的动态行为:
2018/9/15
29
在致裂过程中的动态行为: 焊缝与母材成分的不同,组织转变先后时间不 同—熔合线附近氢的富聚
调整焊接条件，以获得适宜的焊接热循环曲线，常 用T8/5作为判据，当选定焊接方法及焊接线能量 之后，不能随意变化，以防止过热脆化。 为了获得需要的T8/5，而又不能改变焊接方法 和焊接线能量时，可以采用预热或后热的方法。 低合金高强钢对接接头的预热： σbw－焊缝金属抗拉强度（kgf/mm2)； δw－焊层厚度； HD－焊缝金属扩散氢的含量。 不同的焊接材料不同焊接方式有不同的预热公 式
2018/9/15 24
（1）冷裂纹的基本特征
1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有
淬硬M相变材料。
其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有。 2）产生部位：多数在HAZ粗晶区；也有少量在多层焊焊缝的中上部；易在焊 趾（toe ~）和焊根(root ~)；焊道下（under-bead ~） 3）发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现（危险性大！！！）； 4）发生温度： T<Ms；
残余应力的存在必然导致原工件形状的少 量改变，也称为残余变形（工件冷却下来后遗 留一下来的变形）。 整体变形 局部变形
2018/9/15 12
纵向横向收缩变形
2018/9/15
13
挠 曲 变 形
2018/9/15
14
角变形
2018/9/15
15
Fra Baidu bibliotek
波浪变形（失稳变形）
2018/9/15
16
影响因素及防止措施
2018/9/15 39
2018/9/15
40
焊接再热裂纹的影响因素 a.化学成分的影响； b.杂质的影响； c.拘束应力的影响； d.焊接工艺的影响； e.焊接热处理工艺的影响；
2018/9/15
41
焊接再热裂纹的控制措施 a.正确选择对再热裂纹不敏感的材料； b.控制焊接工艺； 采用低强焊缝、控制适宜的线能量、采 用回火焊道、调整施焊方式减少焊接应力； c.焊缝热处理工艺； 采用低温后热处理、分段后热处理、提 高加热速度、完全正火处理； d.改进焊接接头、减少拘束应力和防止应 力集中；
2018/9/15
32
3）拘束应力 restraint stresses
冷裂纹与任何断裂过程的产生一样，总是受到 外力或内应力的作用才得以产生的。 a. 热应力 b. 相变组织应力 c. 结构拘束应力
2018/9/15 33
拘束度的概念
R=Eh/L
单位长度焊缝上,对接接头根部收缩单位长度间 隙所受的力. 单位:N/mm.mm
2018/9/15 37
2018/9/15
38
焊接再热裂纹（Reheat Cracking）
再热裂纹是指焊后对焊接接头再次加热（焊后热 处理或高温服役）时所产生的开裂现象。 1.3.1焊接再热裂纹的形成条件 再热裂纹的特征是沿晶开裂； 形成条件： a.存在残余应力； b.存在粗大的晶粒组织； c.化学成分中有沉淀强化的元素，易导致晶界弱 化； 在焊后热处理时，应力松弛引起的松弛应变超过 材料的蠕变塑性，在有晶界弱化的条件下，即出现 沿晶的再热裂纹。
杆中心加热，产生内应力（瞬时应力） 当加热变形在弹性范围内，冷却后，残 余应力=0 当加热变形超过弹性范围外（塑性）， 冷却后，残余应变，残余应力
2018/9/15
加热时
3
焊件内应力
在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的 金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限 时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆， 此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属 会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力， 而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在 物体内部，固称为残余应力。 残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。
加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力 （instantaneous stress)。亦即动态应力。 另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变 因此也能造成内应力。
2018/9/15 2
3-1 内应力
1、内应力的形成
（1）热应力（thermal stress） 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热 应力。 （因材料的弹-塑性）
2018/9/15 7
2.焊接残余应力的分布
纵向残余应力分布
2018/9/15
8
板边堆焊焊接残余应力形成
2018/9/15
9
3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计
2018/9/15
10
3.2残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载
机械拉伸法
2018/9/15 11
3-2.焊接变形
第九章 成型缺陷的产生机理和防止措施
2018/9/15
1
形成
材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀 冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、 冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产 生应力。称为内应力（internal stress)。
工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力 （residual stress）。
21
(2)形成机理
2018/9/15
22
(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输 入量） d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
2018/9/15
23
3.3.2 焊接冷裂纹 cold cracking
材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它 是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。 主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹 （delayed cracking）或称之为氢致裂纹 （hydrogen-induced cracking, HIC）
5）裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；裂纹呈沿晶 （intergranular）和穿晶(transgranular)混合扩展；
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25
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26
（2）形成机理
冷裂纹形成的三大因素：淬硬（M）组织 氢 拘束应力
前两项是冶金条件（内因），后一项是力学条件（外 因）。
防止方法： 结构设计； 工艺：反变形、刚性固定、预留收缩量、等
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焊接变形的矫正（straightening）
机械矫正
火焰矫正
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3-3 裂纹
裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的 突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险 而又常见的缺陷。 种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热 （reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion） 裂纹和层状撕裂（lamellar tearing）
2018/9/15
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b. 延迟特征机理: 应力诱导扩散模型(stress-induce diffusion model) 试样在受力过程中,会在裂纹敏感的部位形成有应力 集中的三向应力区,氢就极力向这个区域扩散,应力 也随之提高,当些部位氢的浓度达到临界值时,就会 发生启裂和相应扩展。其后，氢又不断向新的三向 应力区扩散。 “延迟”性： 因氢的扩散聚集是time-dependent phnomenon
2018/9/15 19
3.3.1 焊接热裂纹（hot cracking） 主要指凝固裂纹(solidification cracking)
焊接热裂纹的形成原因： 焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。 焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此 时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免 的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应 变的能力时，即产生焊接热裂纹。 焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力 的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性 温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
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b.限制扩散氢： 采用低氢或超低氢焊接材料； 焊接材料必须按规定进行烘干；在使用四个小时以后，必 须再进行烘干； 工件表面必须防止有水分； 预热可以减少扩散氢； “紧急”后热，焊后尽快加热，一般加热到250。C,保温 12～24个小时，扩散氢大部分逸出； 采用奥氏体焊条，可以固溶较多的氢，限制氢扩散运动， 有利于减少冷裂倾向，一般可以不预热，要注意焊缝热裂 纹倾向。 c.控制拘束应力： 制定施焊工艺时，应力求减少拘束度，调整焊接循序，使 焊缝有收缩的余地。预热或后热；低强度匹配
2018/9/15 20
（1）特征
1）仅发生于WM或铸件中 2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂 纹 3）断口形貌（fracture appearance） a. 高温特征：液膜（liquid film）表面，液态 分离时自由凝固表面特征，有时有氧化 b. 偏析特征 微区元素分析表明有S、P等富 2018/9/15 集
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板 中 心 堆 焊 焊 接 残 余 应 力 形 成
2018/9/15 5
铸件的内应力
冷却过程中各部分冷却速度不一致 造成的.
2018/9/15
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相变应力（transformation stress）
固态相变金属因各区域发生相变的类 型不同、时间不同或程度不同，由于不同 相组织的比容不同而导致的内应力。 低碳钢 合金钢
2018/9/15 42
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1）马氏体淬硬组织：
焊后冷却形成的M越多，M中含碳量越高，淬 硬倾向越大，冷裂倾向越强。 a. M淬硬组织的脆性，尤其是其对氢脆的敏感 性。 b. M组织高内应力条件：M硬度高，相变温度 低，组织应力高 c. M淬硬组织缺陷多：晶格缺陷、位错……
2018/9/15 28
2）氢的作用
与板厚成正比,与拘束长度成反比,与材料的杨 氏模量有关.与其它焊接条件无关.
2018/9/15 34
焊接冷裂纹的控制
a.控制组织硬化,降低HAZ组织淬硬程度： 选择钢种后，根据化学成分决定Pcm或者CE， 评定其冷裂倾向
。
Mn Mo+Cr+v Ni+Cu C E =C+ + + 6 5 15
2018/9/15 35
氢是导致冷裂纹特别是其延迟特征的主要因素。氢脆 （hydrogen embrittlement） a. 氢的扩散及HAZ聚积 氢在金属中的溶解 在不同组织中的溶解 在不同组织中的扩散 在致裂过程中的动态行为:
2018/9/15
29
在致裂过程中的动态行为: 焊缝与母材成分的不同,组织转变先后时间不 同—熔合线附近氢的富聚
调整焊接条件，以获得适宜的焊接热循环曲线，常 用T8/5作为判据，当选定焊接方法及焊接线能量 之后，不能随意变化，以防止过热脆化。 为了获得需要的T8/5，而又不能改变焊接方法 和焊接线能量时，可以采用预热或后热的方法。 低合金高强钢对接接头的预热： σbw－焊缝金属抗拉强度（kgf/mm2)； δw－焊层厚度； HD－焊缝金属扩散氢的含量。 不同的焊接材料不同焊接方式有不同的预热公 式
2018/9/15 24
（1）冷裂纹的基本特征
1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有
淬硬M相变材料。
其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有。 2）产生部位：多数在HAZ粗晶区；也有少量在多层焊焊缝的中上部；易在焊 趾（toe ~）和焊根(root ~)；焊道下（under-bead ~） 3）发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现（危险性大！！！）； 4）发生温度： T<Ms；
残余应力的存在必然导致原工件形状的少 量改变，也称为残余变形（工件冷却下来后遗 留一下来的变形）。 整体变形 局部变形
2018/9/15 12
纵向横向收缩变形
2018/9/15
13
挠 曲 变 形
2018/9/15
14
角变形
2018/9/15
15
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波浪变形（失稳变形）
2018/9/15
16
影响因素及防止措施
2018/9/15 39
2018/9/15
40
焊接再热裂纹的影响因素 a.化学成分的影响； b.杂质的影响； c.拘束应力的影响； d.焊接工艺的影响； e.焊接热处理工艺的影响；
2018/9/15
41
焊接再热裂纹的控制措施 a.正确选择对再热裂纹不敏感的材料； b.控制焊接工艺； 采用低强焊缝、控制适宜的线能量、采 用回火焊道、调整施焊方式减少焊接应力； c.焊缝热处理工艺； 采用低温后热处理、分段后热处理、提 高加热速度、完全正火处理； d.改进焊接接头、减少拘束应力和防止应 力集中；
2018/9/15
32
3）拘束应力 restraint stresses
冷裂纹与任何断裂过程的产生一样，总是受到 外力或内应力的作用才得以产生的。 a. 热应力 b. 相变组织应力 c. 结构拘束应力
2018/9/15 33
拘束度的概念
R=Eh/L
单位长度焊缝上,对接接头根部收缩单位长度间 隙所受的力. 单位:N/mm.mm
2018/9/15 37
2018/9/15
38
焊接再热裂纹（Reheat Cracking）
再热裂纹是指焊后对焊接接头再次加热（焊后热 处理或高温服役）时所产生的开裂现象。 1.3.1焊接再热裂纹的形成条件 再热裂纹的特征是沿晶开裂； 形成条件： a.存在残余应力； b.存在粗大的晶粒组织； c.化学成分中有沉淀强化的元素，易导致晶界弱 化； 在焊后热处理时，应力松弛引起的松弛应变超过 材料的蠕变塑性，在有晶界弱化的条件下，即出现 沿晶的再热裂纹。
杆中心加热，产生内应力（瞬时应力） 当加热变形在弹性范围内，冷却后，残 余应力=0 当加热变形超过弹性范围外（塑性）， 冷却后，残余应变，残余应力
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加热时
3
焊件内应力
在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的 金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限 时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆， 此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属 会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力， 而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在 物体内部，固称为残余应力。 残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。
加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力 （instantaneous stress)。亦即动态应力。 另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变 因此也能造成内应力。
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3-1 内应力
1、内应力的形成
（1）热应力（thermal stress） 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热 应力。 （因材料的弹-塑性）
2018/9/15 7
2.焊接残余应力的分布
纵向残余应力分布
2018/9/15
8
板边堆焊焊接残余应力形成
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9
3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计
2018/9/15
10
3.2残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载
机械拉伸法
2018/9/15 11
3-2.焊接变形
第九章 成型缺陷的产生机理和防止措施
2018/9/15
1
形成
材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀 冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、 冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产 生应力。称为内应力（internal stress)。
工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力 （residual stress）。
21
(2)形成机理
2018/9/15
22
(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输 入量） d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
2018/9/15
23
3.3.2 焊接冷裂纹 cold cracking
材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它 是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。 主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹 （delayed cracking）或称之为氢致裂纹 （hydrogen-induced cracking, HIC）
5）裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；裂纹呈沿晶 （intergranular）和穿晶(transgranular)混合扩展；
2018/9/15
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（2）形成机理
冷裂纹形成的三大因素：淬硬（M）组织 氢 拘束应力
前两项是冶金条件（内因），后一项是力学条件（外 因）。