焊工中级班培训材料之(热冷裂纹)
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焊工中级班培训材料之(热冷裂纹)
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§4 焊接结构和零件断裂失效分析
本章主要讲解焊接构件的缺陷、裂纹及其分类;重点介绍热裂纹和冷裂纹的形貌特征、形成机制、影响因素和预防措施。
§4-1 裂纹是对焊接构件安全运行威胁最大的缺陷
本节首先介绍,常见焊接缺陷的定义和分类;接着说明裂纹――对安全运行威胁最大的缺陷的形态和分类;重点指出热裂纹和冷裂纹我们学习的重点。
一、基本概念
1、焊接缺陷
在焊接过程中或焊后,在接头中产生的不符合标准要求的缺欠。当缺欠不影响设备的运行,即是可以容许的时,称为缺欠。当缺欠直接影响安全使用时,称为缺陷。有缺陷的接头必须进行翻修或判废。
2、分类按其性质和特征,将其分为两类:
(1)不连续缺欠——裂纹、夹渣、气孔和未熔合;
(2)几何偏差
按照所在焊缝中的位置,将其分为外部和内部两类。
外部缺欠,亦称宏观缺欠——位于焊缝金属表面。用肉眼或低倍放大镜(检测尺可测量)可见的缺欠。它包括焊缝余高过高或过低、焊缝宽度差过大、接头过高或脱节、外部气孔、裂纹、未熔合、咬边、未焊透、烧穿、焊瘤、电弧擦伤或成形不良(见图1)。
图1 常见几种焊接缺陷
内部缺欠,亦称微观缺欠。——位于焊缝金属内部。它包括裂纹、气孔、夹渣、未熔合等。其中裂纹危险性最大,是失效分析研究的重点。它包括热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层
状撕裂等。内部缺欠要用探伤或破坏试验来检验。
二、裂纹是最危险的焊接缺陷,是失效分析研究的重点
裂纹会降低结构的承载面积,产生应力集中,诱发三向应力状态,导致裂纹失稳扩展。当裂纹位于结构的拉应力高值区时,易引发低应力脆断;因此,裂纹是焊接结构失效分析研究的重点。
三、裂纹的分类
按照不同的分类方法,焊接裂纹可分为许多种类(见图2)。
1、按照裂纹的所在区域分为三类
焊缝裂纹;热影响区裂纹和母材裂纹。
2、按照裂纹在焊缝中的部位分为两类
表面裂纹和内部裂纹。再细分可分为:焊趾裂纹、焊道下裂纹、终端裂纹等。
3、按照裂纹形态分为五类
纵向、横向、星形、八字和网状。
4、按照裂纹尺寸大小分为两类
宏观和微观裂纹。工程上通常以0.5mm为界。
5、裂纹的形成机制和性质分为六类
热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。前四种为结构的焊接裂纹,其中以热、冷裂纹最为常见,危害最大使我们学习的重点;后两种为结构的运行裂纹。
图2裂纹分类示意图
1-弧形裂纹;2-纵向裂纹;3-横向裂纹;4-焊道下裂纹;5-焊趾裂纹;6-根部裂纹;7-踵部裂纹;8-显微裂纹;9-层状撕裂;10-热裂纹;11-再热裂纹;12-内部裂纹。
§4-2 焊接热裂纹失效分析
本节首先介绍热裂纹的定义和分类,接着说明热裂纹的形成机制和影响因素,重点说明热裂纹的分析方法和预防措施,最后通过典型案例说明热裂纹的失效分析过程。
一、热裂纹的定义和分类
热裂纹是在焊接时高温下产生的,其特征是沿奥氏体晶界开裂。下表是热裂纹的分类和特征。
表1 热裂纹的分类和特征
分类位置走向敏感温度区母材备注
热裂纹
结晶裂
纹
焊缝上多,少
量在热影响
区
沿奥氏体晶
界开裂
固相线以上
稍高的温度
(固液状态)
碳钢、低中合
金钢、奥氏体
钢、镍基合金多边化
裂纹
焊缝、热影响
区
同上固相线以下
再结晶温度
纯金属及单
相奥氏体合
金
液化裂
纹
热影响区及
多层焊的层
间
沿晶开裂固相线以下
稍低温度
含S、P、C较
多的镍铬高
强度钢、奥氏
体钢和镍基
合金
再热裂纹热影响区粗
晶区同上600~700℃含沉淀强化
元素的高强
钢、珠光体
钢、奥氏体
钢、镍基合金
二、裂纹的形成机制
热裂纹的断口上有氧化色;有的焊缝热裂纹中充满熔渣,表明裂纹形成时熔渣和具有流动性(熔渣的凝固温度比金属低200℃)。近缝区产生的热裂纹,其微观特征都是沿晶界开裂。
热裂纹又可细分为两类、4种——结晶裂纹、多边化裂纹、液化裂纹(第一类)和再热裂纹(第二类)。
1、结晶裂纹
结晶裂纹是在焊缝结晶过程的后期形成的。它只在焊缝中出现,多呈纵向分布在焊缝中。也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧,并且与焊缝表面波纹垂直;通常这种裂纹较长、较深,而弧形裂纹较短、较浅。弧形裂纹也属于结晶裂纹,它产生于焊缝收尾处。
结晶裂纹都沿着一次结晶的晶界分布,特别是沿着柱状晶的晶界分布;焊缝中心线两侧的弧
形裂纹,是在平行生长的柱状晶界上形成的。而焊缝中心线上的纵向裂纹恰好处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。多数结晶裂纹的断面上有氧化色,这是高温形成的特点。在扫描电子显微镜下,结晶裂纹的断口是典型沿晶开裂,晶粒表面光滑。
结晶裂纹的断口上,杂质元素S、P、Si比较多,并多见沿着先共析铁素体扩展;裂纹边界弯曲,端部圆钝,这是高温形成裂纹的特点。
2、液化裂纹
在母材近缝区,或多层焊的前一焊道处,因受热而液化的晶界上形成的裂纹。其位置见图
近缝区的液化裂纹多发生在母材,向焊缝凸进去的部位。那里因为熔合区向焊缝侧凹进去而过热严重。这种裂纹多为微裂纹,尺寸较小,一般在0.5mm以下,个别可达到1mm;主要出现在含合金元素较多的合金钢、不锈钢和耐热合金的焊件中。
3、多边化裂纹
亦称高温低塑性裂纹。它多发生在纯金属和单相奥氏体焊缝中;个别出现在热影响区。其特点是:
裂纹方向任意贯穿于树枝晶体;位置多在热影响区和多层焊的层间;裂纹附近多伴随再结晶晶粒;断口无明显塑性变形特征。
3、再结晶裂纹
厚板结构件,在焊后消除退火时,或在一定温度下服役过程中,在热影响区的粗晶处的裂纹。称为再热裂纹。亦称消除应力处理裂纹。它多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶处。
这种裂纹具有沿晶特征,在本质上与再结晶裂纹不同。
三、焊接热裂纹的分析方法
常用的方法有裂纹宏观分析、微观分析。
1、宏观分析
常用放大镜、低倍金相显微镜进行。这是工程上常用的方法。
(1)肉眼观察在焊道上,可见纵向或横向开裂。对于靠近熔合区的开裂,或焊趾、焊根、焊接接头等部位,要仔细观察。并详细记录裂纹的数量、位置和长度。当肉眼观察有困难时,可用放大镜。接着要确定裂纹的取样位置,并切去焊接裂纹金相试样。要求试样必须保留裂纹的源区、扩展区。即保留裂纹的完整性。
(2)在焊接接头的某个断面上,用抛光法,检查裂纹的走向。将焊接接头的某个断面抛光,可见裂纹的本身形态、是否分支、是否断续、裂纹是弯曲还是平直、裂纹扩展方向与应力的关系、裂纹源的位置等。这种观察可以避免因为腐蚀形成的纹线而影响观察的准确性。
2、微观分析
当宏观分析不能得出肯定结论时,需要进行微观分析。
微观分析通常采用关学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针。目的在于研究例文的起源、扩展及其特征;有时配合硬度、夹杂分布检测,就能判断出裂纹的性质。常见的微观分析方法有:低倍金相分析、裂纹特征分析。
(1)裂纹的低倍分析