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第四章 焊接缺陷及控制


第四章 焊接缺陷及控制

第五章 焊接裂纹

焊接缺陷的分类:裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、 其他缺陷
飞溅、波纹不均

未焊透

第五章 焊接裂纹

第四章 焊接缺陷及其控制
第一节 焊缝中的偏析与夹杂 第二节 焊缝中的气孔 第三节 焊接裂纹

第五章 焊接裂纹

重点内容
1、焊缝中的气孔和夹杂问题

2、结晶裂纹的形成机理 3、焊接冷裂纹的形成机理,特征、影响 因素,及其防冶措施 4、焊接裂纹综合分析及判断 5、各种断口形貌特征

第五章 焊接裂纹

§4-1 焊缝中的偏析与夹杂
由冶金反应产生的,焊后残留在焊缝金属中的微粒、非金属杂质( 如氧化物、硫化物)等,统称为夹杂物,简称夹杂。

一、夹杂的形成及控制
1夹渣:熔渣在焊缝中的残留;焊接操作失误或者设计的接头形
式不合理 危害:由于渣的几何形状不规则,存在尖角或棱角,易造成应力集中 ,成为裂纹源。

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2 反应形成新相
主要有三类夹杂物: 1、氧化物夹杂:如SiO2、MnO、FeO、TiO2等,一般多以硅酸盐的 形式存在,呈圆球形或点粒状。热裂,层状撕裂 2、氮化物夹杂:主要是Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边 界。脆硬相,硬度↑韧性↓ 3、硫化物夹杂:主要是FeS、MnS,在焊缝中多呈球状。MnS呈 灰色,当MnS内溶解FeS时颜色会变淡。FeS与Fe、FeO形成低熔点共 晶,引起热裂纹。

第五章 焊接裂纹

氮化物夹杂

氧 化 物 夹 杂
第五章 焊接裂纹

3、异种金属进入焊缝形成的夹杂(如钨、铜)
TIG焊时的夹钨; 铜垫板时,焊缝背面夹铜; 危害:大尺寸的金属夹杂物对接头性能有害。

二 夹杂的危害
1、使力学性能下降 2、塑韧性下降,尤其是低温韧性 3、形成裂纹的重要原因

第五章 焊接裂纹

三 防止措施
1)合理选择焊接材料,充分脱氧、脱硫; 2)选用合理规范,以利于熔渣的浮出; 3)多层焊时,清渣; 4)焊条摆动; 5)保护溶池,防止空气侵入。

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§4-2 焊缝中的气孔
一 焊缝中的气孔
(一) 气孔的类型及分布特征
气孔有的产生在焊缝表面,也有的产生在内部,有的以单个存在, 有的成堆出现。

一类:析出性气孔
高温时溶解的气体H2、N2

二类:反应型气孔
冶金反应产生的气体CO和 H2O

第五章 焊接裂纹

1 氢气孔
特征:多出现在焊缝表面,断面形状多为螺钉状,从焊缝表面看 呈圆喇叭口形,气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部,以小圆 球状存在。 产生原因:焊接过程中,熔池金 属吸收大量的氢气,在冷却和结 晶过程中,氢的溶解度发生了急 剧下降,熔池冷却速度快,来不 及逸出,残存在内部,发生了氢 的过饱和,使焊缝中形成具有喇 叭口形的表面气孔。 结晶过程中形成

第五章 焊接裂纹

2 CO气孔
特征:焊缝内部,条虫状,表面光滑。 产生原因:高温冶金反应。CO不溶于液态金属,在高温时,CO以气
泡的形式猛烈地逸出,但熔池结晶时,η↑,CO不易逸出,此反应为 吸热反应,促使结晶速度加快,CO形成气泡不能逸出,沿结晶方向形 成条虫形的气孔。

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二 气孔形成机理
气孔的形成:生核---长大----逸出:
1)浮出:无气孔; 2)浮不出:气孔

1、 气泡的生核
具备条件:① 液态金属中有过饱和的气体; ② 要消耗一定的能量。 单位时间形成气泡核的数目 n ? Ce
4?r 2? 3 kT

正常条件下纯金属中的生核数目 n ? 10

?16.2?10

22

焊接熔池内形成气泡核所需能量为 A E p ? ? ( p h ? p l )V ? ? A[1 ? 0 (1 ? cos ? )] A
Ph--气泡内气体压力;PL--液体压力;V--气泡核的体积;σ--相间张力;A--气泡 核的表面积;Aa--吸附力的作用面积;θ--气泡核与现成表面的浸润角

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2 长大
气泡长大应满足的条件: Ph>P0 Ph=PH2+PN2+PCO+……. P0=Pa+Pm+Ps+ Pc
(大气压、气泡上部金属的压力、气泡上部熔渣的压力、表 面张力所构成的附加压力)

Ph>P0

Ph ? Pa ? Pc ? 1 ? 2?

r

气泡形成初期,r很小,附加压Pc则很大,气泡很难形成。焊接 时,由于熔池内存在着很多现成表面,如柱状晶粒和液态金属相接 触的地方形成,这些地方由于界面张力的作用,气泡不成圆形,可 以得到较大的曲率半径r使Pc减小。 第五章 焊接裂纹

3 上浮
1)气泡长大到一定大小,脱离表面的能力主要与气泡---液体金属--现成表面界面张力及接触角有关

平衡时:

? 气现 ? ? 液现 ? ? 气液 cos ?
cos ? ?
? 气现 ?? 液现 ? 气液

当θ<90,有利于气泡上浮,气泡 形成的快,完全脱离现成表面。 当θ>90, 由于形成细颈过程需要 时间,若结晶速度>气泡脱离现 成表面的速度,就会形成气孔。

2)结晶速度 : v较小时,气泡有充分时间逸出,无气孔,气泡易上浮;v大时,气 泡上浮时间短,可能残余在焊缝内部。

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2 3)气泡上浮速度 : v ? 2 ? ? L ? ? h ? gr 9 ?

①当r↑,v↑易浮出 ②液体金属密度越大,v↑不易形成气孔 ③η影响最大,T↑,η↓易上浮v↑。 T↓η↑,V↓易形成气孔

三 影响生成气孔的因素及防止措施
冶金因素、工艺因素二个方面讨论。

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1 冶金因素的影响 1)熔渣与弧柱气氛的氧化性
无论酸性熔渣或碱性熔渣,随熔渣的氧化性的增加出现CO气孔, 随氧化性的减小,出现H2气孔; 氧化性↑,CO气孔 ↑;还原性↑,H2 气孔↑ [C]×[O] 表示出现气孔的倾向

2)焊条药皮和焊剂的影响
氟化钙脱氢机理;氧化物脱氢机理;酸性焊条脱氢是靠较强氧 化物;碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强氧化性;氟化物脱 氢

3)铁锈及水份的影响
3Fe2O3 ? 2 Fe3O4 ? O
3Fe3O4 ? H 2O ? 2 Fe2O3 ? H 2

Fe ? H 2O ? FeO ? H 2

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2、工艺因素影响
1)焊接规范的影响 ? 电流↑, 熔池存在时间↑,气体外逸;熔滴尺寸↓,比表面积↑,易 产生气孔;熔深↑,不易使气体逸出;焊条电阻热↑,药皮提前脱落, 易产生气孔。 ? 电压↑,N气孔↑; ? 焊速↑,气孔增加。

2)电流种类及极性
直流反接,气孔少(溶滴为正) 直流正接,气孔多(溶滴为阴极) 交流焊接,气孔更多

H ? [ H ? ] ? e0

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3.工艺操作
① 焊件去油、锈; ② 烘干焊条; ③ 短弧焊。

防止气孔产生的措施:
(1)控制气体的来源: ① 加强焊接区保护;② 焊材防潮烘干;③
表面清理方法得当、彻底

(2)正确选用焊接材料:① 熔渣的氧化性;② 保护气体的成分组
成;③ CO2焊脱氧;④ 有色金属焊接脱氧

(3)控制焊接工艺条件: ①焊接规范保持稳定; ② 短弧焊,直
流反接; ③ 铝合金的焊接

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§4-3 焊接裂纹
一、危害性
焊接结构产生裂纹轻者需要返修,浪费人力、物力、 时间,重者造成焊接结构报废,无法修补。更严重者造 成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输 船在太平洋上航行时,断裂成两段而沉没;在压力容器 破坏事故中,有很多都是由于焊接裂纹造成。因此,解 决研究焊接裂纹已成为当前桥梁、轮船、压力容器等领 域内的主要课题。

第五章 焊接裂纹

第五章 焊接裂纹

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二、种类
各种不同类型的裂纹 ① 焊缝中纵向裂纹 ② 焊缝上横向裂纹

③ 热影响区纵向裂纹 ④ 热影响区横向裂纹 ⑤火口(弧坑)裂纹 ⑥ 焊道下裂纹 ⑦ 焊缝内部晶间裂纹 ⑧ 焊趾裂纹 ⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹

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分类:
1 按裂纹分布的走向分
①横向裂纹 ②纵向裂纹 ③星形(弧形裂纹)

2 按裂纹发生部位分
①焊缝金属中裂纹 ②热影响区中裂纹 ③焊缝热影响区贯穿裂纹

纵向裂纹

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3 按产生本质分类
1)热裂纹(高温裂纹) 产生:热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位:焊缝为主,热影响区 特征:宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布(连续或继续)也可
看到缝横向裂纹,裂口均有较明显的氧化色彩,表面无光泽,微 观看,沿晶粒边界(包括亚晶界)分布,属于沿晶断裂性质。

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晶 间 裂 纹 HAZ液化裂纹

多边化裂纹
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①结晶裂纹:在固相线附近,由于固
态金属的收缩,残余液态金属不 足,在 拉应力的作用下发生沿晶 开裂。杂质含量较高的碳钢、低合金
钢,单相奥氏体钢、镍基合金和铝合金等

②高温液化裂纹:在熔合线附近的热影响区和多层焊部位,如果焊缝
中含有较多的低熔点共晶被重新熔化,在拉应力作用下沿奥氏体晶 界 发生开裂。含Cr和Ni的高强度钢、奥氏体钢及镍基合金等

③多边化裂纹:当焊缝或熔合区温度处在固相线稍下的高温区刚结晶的
金属中的晶格缺陷,在温度和应力作用下,发生迁移和聚集,形成 了二次边界,即多边化边界。多边化边界上堆积了很多晶格缺陷, 高温时 的强度、塑性都很差,只要轻微的拉应力,就会产生多边化 边界开裂。纯金属或单相奥氏体焊缝或热影响区 第五章 焊接裂纹

2)冷裂纹 产生温度:温度区间在+100℃~-75℃之间。
低合金高强钢,出现在相变温度,拘束应力、淬硬组 织和氢的共同作用

材 料:中碳钢、高碳钢以及合金结构钢; 存在部位: 多在热影响区,但也有发生在焊缝。 特征(断口):宏观断口具有发亮的金属光泽, 脆性断裂特征。 微 观:晶间断裂,但也可穿晶(晶内)断裂,也可晶间和穿晶
混合断裂。

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冷裂纹分类: 延迟裂纹:特点不在焊后立即出现,有一段孕育期产生迟滞现象
称延迟裂纹。决定于钢材的淬硬倾向、接头应力状态和熔敷金 属中的扩散氢含量。

淬硬脆化裂纹(淬火裂纹):淬硬倾向大的组织易产生这种裂
纹(与氢含量关系不大)。 焊后立即出现。 含碳较高的镍铬钼钢、马氏体不锈钢、工具钢、异种钢

低塑性脆化裂纹:在比较低的温度下,由于收缩应力引起的应变
超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹,没 有延迟现象。 如:铸铁的补焊、堆焊硬质合金、焊接高铬合金等

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延迟裂纹

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3)再热裂纹(消除应力处理裂纹)
由于重新加热(热处理)过程中产生称再热裂纹—消除应力 处理裂纹。 对含有沉淀强化元素的材料最为敏感。产生部位在熔合区附 近的粗晶区,晶间断裂性质,须有残余应力和应变为先决条件, 在大拘束度的厚件中和应力集中部位易产生。 和加热温度和加热时间有关: 低合金高强钢和耐热钢,500-700℃; 高温合金: 700-900℃。

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4)层状撕裂
由于轧制母材内部存在有分层 的夹杂物(特别是硫化物夹杂物) 和焊接时产生的垂直轧制方向的应 力 , 使 热 影 响 区附 近 地方 产生 呈 “台阶”状的层状断裂并有穿晶发 展。 大型厚壁高强度钢结构件,在 钢板厚度方向承受拉应力,沿轧制 方向出现。

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5)应力腐蚀裂纹
金属材料在某些特定的 腐蚀介质和拉应力共同作用 下所产生的延迟破裂现象, 称应力腐蚀裂纹。 焊缝和热影响区都可以 产生。大多属于晶间断裂性 质。从断口来看为典型的脆 性断口。化工设备的焊接结 构中易出现,呈龟裂形式。
低碳钢、低合金高强钢、铝合金、镍基 合金、a黄铜等,晶间断裂; 镁合金、β黄铜、氯化物介质中的奥氏 体不锈钢,穿晶断裂; 奥氏体不锈钢,腐蚀介质不同,开裂机 理不同。

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热裂纹与冷裂纹的基本点 裂纹
产生温度 产生部位

热裂纹
高温下产生 焊缝、热影响区 沿焊缝的轴向成纵向分 布,也有横向分布,裂口 均有氧化色彩表面无光 泽 沿晶粒边界分布,属于 沿晶断裂性质

冷裂纹
低温下产生 热影响区、焊缝

宏观特征

断口具有发亮的金属光泽

微观特征

晶间断裂,也有穿晶内断 裂,也有晶间和穿晶混合 断裂

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三 结晶裂纹的形成与控制
1 产生机理 1)产生部位:结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处
发生和发展的,常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹,有时焊 缝内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、 结晶裂纹主要发生在焊缝上;某些高强钢,含杂质较多的钢种,除 发生在焊缝之处,还出现在近缝区。

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结 晶 裂 纹

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2)熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向
在焊缝金属凝固结晶的后期,低熔点共晶物被排挤在晶界,形 成一种所谓的“液态薄膜”,在焊接拉应力作用下,就可能在这薄弱 地带开裂,产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因:①液态薄膜 ②拉伸应力

液态薄膜—根本原因 拉伸应力—必要条件

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以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段 ① 液固阶段:(1区) ② 固液阶段:这一区也称
为“脆性温度区”即图上a 、b之间的温度范围。

③固相阶段:也叫完全
凝固阶段

TB—称为脆性温度区,在此区间易产生结晶裂纹,杂质较少的金属, TB小产生裂纹的可能性也小,杂质多的金属TB大,产生裂纹的倾向也大 第五章 焊接裂纹

3)产生结晶裂纹的条件
如图脆性温度区的范围用TB 表示,上限是固液温度,下限固 相线附近,或低于固相线一段温 度。 在脆性温度区内焊缝的塑性用 P表示,是温度的函数,P ? ? (T ) ,当在某一瞬时温度时有一个最小 的塑性值(Pmin)(出现液态薄膜时) 受拉伸应力所产生的变形用e表 示,也是温度的函数。

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①如果拉伸应力所产生的变形随温度T按曲线(1)变化,e随T按曲 线(1)变化。产生了△e变形量,但焊缝仍有△es的塑性储备量即 △es>0,不产生热裂纹。

Pmin ? ?e ? ?e ? 0
②当按曲线2变化时,此时由拉伸应力所产生的应变,恰好等于焊 缝的最低塑性值,即处于临界状态。 ③按曲线(3)变化时,△e超过了焊缝塑性的最低值,产生裂纹。

?e ? 0

Pmin ? ?e ? ? ?es ? 0

产生裂纹的条件 在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形 大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹。
第五章 焊接裂纹

结论:
① 脆性温度区间大小, TB大,拉应力作用时间长,产生裂纹可能 性大,决定于焊缝化学成分,杂质性质与分布,晶粒大小。 ② 脆性温度区(TB)内金属的塑性,TB内金属的塑性越小,越易产生 结晶裂纹。 ③ TB内随温度降低变形的增长率(拉伸应力的增长率),临应变率 CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。

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2 焊接结晶裂纹的影响因素
1)冶金因素 合金成分直接影响到晶界温度区间的大小、低熔共晶的形态 及一次结晶的组织 ①结晶温度区间:合金状态图脆性温 度区的大小随着该合金的整个结晶温 度区间的增加而增加。 如图 S 点,结晶区间最大、 裂纹倾向最大; 共晶点、裂纹倾向最小。 实线为平衡条件,虚线不平衡 结晶。 第五章 焊接裂纹

② 合金元素 a) S、P增加结晶裂纹倾向
i) S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB↑裂纹↑ ii) S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成液态薄膜,因而显著 增大裂纹倾向。 iii) P、S引起成分偏析。实验可知P、S偏析系数K越大,偏析的程度 越严重,偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。

b) C
i) C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑ ii) C ↑, Mn/S ↑, C>0.16% ,Mn/S无效, 加剧P有害作用 裂纹↑ iii) C>0.51% 初生相由δ转变为γ,S、P在γ相中溶解度低,析出 S、P集富在晶界 上,裂纹↑ 第五章 焊接裂纹

c) Mn
Mn具有脱S作用,抗裂↑

d) Si
硅是

?

相形成元素,利于消除结晶裂纹,

?

相中S、P溶解度

大缘故,Si>0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂↑

e) 钛Ti 锆Zr和稀土元素
对硫的亲合力大,形成高熔点的硫化物,可消除结晶裂纹。

f) O
O↑降低S的有害作用,氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶, 使FeS由薄膜变成球状,裂纹倾向↓

第五章 焊接裂纹

日本JWS临界应变增长率CST
CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4 当 CST ? 6.5?10?4 时,可以防止裂纹

热裂敏感系数HCS公式
C ? ?S ? P ? ( Si / 25 ? Ni / 100)? HCS ? ?103 3Mn ? Cr ? Mo ? V
当HCS<4时,可以防止裂纹

第五章 焊接裂纹

③ 凝固时界面张力
杂质的低熔点共晶所造成的液态薄膜是产生结晶裂纹的重要 因素,若将晶界的液态薄膜改变为球状的形态,抗裂性↑ 固相晶粒之间和固液之间表面 张力的平衡关系为

? SS ? 2? SL cos

? 2

? ?

=0 残液在固体晶粒以薄 膜存在裂↑ =180°残液以球状形态分 布裂↓

第五章 焊接裂纹

④一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响
晶粒越粗大,柱状晶方向越明显,越容易在晶界形成连续的液 态薄膜,产生结晶裂纹的倾向增大。

2) 力的因素
在焊接时脆性温度区内金属的强度要小于脆性温度区内金属 所承受的拉伸应力。 产生结晶裂纹的充分条件:

?m ??

? m —在脆性温度区内金属的强度

?

—在脆性温度内金属所承受的拉伸应力

金属的强度决定于晶界强度和晶内强度,在高于等强温度的温度范 围,金属受到的拉应力超过晶界强度作用下,产生晶界裂纹。 产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作用,二者缺一不可 第五章 焊接裂纹

3 防止结晶裂纹的措施
1)冶金方面
① 控制焊缝中有害杂质的含量,限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04 焊丝C<0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢,焊丝超低碳焊丝 ② 改善焊缝的一次结晶 细化晶粒,加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al

2)调整焊接工艺
① 选择合理的接头形式,确定合理的焊接顺序。 ② 控制焊缝成形系数,限制熔合比。 ③ 降低接头的刚度和拘束度 ④ 采用合适的焊丝:愈合作用 ⑤ 调整冷却速度:冷却速度越大,变形速度越大,越易促进结晶裂纹。 第五章 焊接裂纹

愈合作用:
增加晶间低熔共晶数量来使得结晶裂纹倾向降低的现象。 实质:是使合金成分超过最大结晶温度区间所对应的成分,从而 减小结晶温度区间,降低结晶裂纹产生的倾向。 如:硬铝合金,常采用Al-Si合金焊丝,在焊缝中形成大量的低熔 共晶,产生较好的流动性来降低结晶裂纹的倾向。

第五章 焊接裂纹

四、近缝区液化裂纹
1 产生部位及材料
通常产生在母材的热影响区的粗晶区或者熔合线,也可产生在多层 焊缝的焊层之间。尺寸较小通常在0.5mm以下。 液化裂纹属于晶间开裂性质,裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。

2 产生原因
1)近缝区晶界处存在低熔点杂质 2)近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体) 低熔共晶在热作用下重新熔化,或是金属间化合物分解和元素 扩散造成局部区域共晶成分偏高而发生局部晶间液化,在拉伸应 力作用下产生裂纹。

第五章 焊接裂纹

液化裂纹

第五章 焊接裂纹

3 影响因素
1)化学成分:B、Ni、Cr 2)工艺因素 :线能量、溶池的形状

4 防止措施
1)控制S、P 等杂质含量,如采用电渣精炼的方法,去除合金中的杂质。 2)焊接工艺上,采用小线能量,避免近缝区晶粒粗化

第五章 焊接裂纹

五 多边化裂纹 1、形成条件(形成机理)
多边化现象,焊缝金属中存在很多高密度的位错在高温和应 力的共同作用下,位错极易运动,在不同平面上运动的刃型位错 遇到障碍时可能发生攀移和聚集,形成二次边界“多边化边界”, 即形成“位错壁”就是多边化现象。

2 特点
1)发生部位与材料 发生在焊缝中,常见于单相奥氏钢或纯金属的焊缝金属; 裂纹走向:以任意方向贯穿树枝状结晶; 2)常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近,多边化裂纹总是迟于再 结晶; 3)裂纹多发生在重复受热金属中(多层焊)及热影响区; 4)断口呈现出高温低塑性断裂。 第五章 焊接裂纹

3 影响因素
1)合金成分的影响 加入提高多边化过程激活能的元素(如W、Ti、Ta、Mo), 可有效阻止多边化过程 2)应力状态的影响 有应力存在,使多边化过程加速 3)温度的影响 在形成多边化过程的温度越高时间越短

第五章 焊接裂纹

六 冷裂纹

1 冷裂纹的一般特征
(1) 产生温度: Ms点附近或200~300℃以下温度区间 (2) 产生的钢种和部位: 发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高 强钢,热影响区 合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝 (3) 裂纹的走向:沿晶、穿晶 (4) 产生时间:可焊后立即出现,也有的几小时,几天或更长时间

第五章 焊接裂纹

2 冷裂纹种类 延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态,它具有延迟效应,因
此危害性更大。

延迟裂纹常见的三种形态 :
1)焊趾裂纹—缝边裂纹 2)焊道下裂纹 3)根部裂纹

淬硬脆化裂纹、 低塑性脆化裂纹
根部裂纹,起源于热影响区

第五章 焊接裂纹

3 冷裂纹的机理
高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是: 钢种的淬硬 倾向;焊接接头的含氢量及其分布,焊接接头的拘束应力。 延迟裂纹的开裂过程存在两个过程:即裂纹的起源和裂 纹的扩展,扩展到一定情况下,发生断裂,我们只从宏观的 角度阐述一下产生冷裂纹的三要素。

1) 钢种的淬硬倾向
焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分,其次是焊接工 艺,结构板厚及冷却条件。钢种淬硬倾向越大,越容易产生裂纹,其 原因为: (1)形成脆硬的马氏体 (2)淬硬产生晶格的缺陷:空位和位错

第五章 焊接裂纹

2)氢的作用
氢是引起高强钢焊接时产生延迟裂纹的重要因素之一,氢具 有延迟作用,由氢引起的延迟裂纹称为氢致裂纹也称氢诱发裂纹. 氢致裂纹Hydrogoundacpd Crack

(1)氢在焊缝金属中的溶解与扩散 (2)金属组织对氢的扩散影响
氢在奥氏体中的溶解度高于铁素体;但在铁素体中的扩散速度 要远大于奥氏体

(3)热影响区氢致裂纹产生 氢在致裂过程中动态行为 (4)氢致裂纹开裂机理

第五章 焊接裂纹

F+P A A

M

第五章 焊接裂纹

第五章 焊接裂纹

H
H
H

三向应力区
H

裂缝顶端

氢致裂纹扩展过程
H
H
H

H

H

氢致裂纹目前有几种说法 ② 空穴氢压脆化说 ③ 氢吸附脆化说
第五章 焊接裂纹
H

① 氢的应力扩散理论

H

H

扩散氢

新的三向应力区
H

裂纹扩展 H2
H

3) 焊接接头的拘束应力
(1) 焊接接头的拘束应力 a、热应力与母材焊条金属的热物理性质及刚度有关 b、组织应力—相变、组织比容不同而产生 c、附加应力—结构自身拘束条件所造成的应力包括结构的形式、 焊缝位置、施焊的顺序 (2)拘束度:表示母材对反作用力的刚度 定义:相当于为使焊接接头根部间隙弹性位移单位长度时,单位 长度焊缝所受的力的大小。即定义为拘束度。符号:R

第五章 焊接裂纹

F F ?L 1? E? R? ? ?? ? l? b l? L ? b ? L L

公式:
E—母材金属的弹性模量

?

—板厚 l—焊缝长度 L—拘束距离
Tm--力学熔点(失去弹性的温度) T0--环境温度 a—线涨系数 H—热焓 2β—坡口角度 c—比热容

? ? mR m ? ? ?Tm ? To ?Htg?
c

m为拘束应力转换系数

第五章 焊接裂纹

(3)产生裂纹的临界拘束应力
临界拘束应力:开始产生裂纹时的拘束应力 日本IL委员会插销式裂纹试验所确定的

? cr =(86.3-211Pcm-28.21log[[H]+1]+2.73+800-500+9.7× 10 ?3 t )×9.8 100
Pcm —称为合金元素的裂纹敏感系数(%) [H] —扩散氢含量100mol/g t800~500—在接条件下,熔合区附近1350℃冷却到800~500℃的冷却时(S) t100—从熔合区附近1350℃~100℃实际冷却时间
PCM ? C ? Si Mo ? Cu ? Cr Ni Mo V ? ? ? ? ? 5B 20 20 60 15 10

第五章 焊接裂纹

4 影响因素及防止措施
影响因素 (1) 钢种化学成分的影响
的钢种 N 冷裂纹判据 应用于 ? b ? 500 ? 1000 mm 2 Pc、Pw—裂纹敏感指数

PC ? PCM

[H ] ? ? ? 60 600

PW ? PCM ?

[H ] R ? 60 40000

Pcm—合金元素的碳当量(反映了淬硬倾向)

PCM

Si Mo ? Cu ? Cr Ni Mo V ?C? ? ? ? ? ? 5B 20 20 60 15 10

第五章 焊接裂纹

(2) 拘束应力的影响
对接接头δ<50mm拘束度与板厚的关系 R≦K1 δ R=K1 δ K1板厚拘束系数 长焊缝K1=400; 定位短焊缝K1=700 点固焊的短焊缝和斜Y型坡口裂纹试验 K1=700 R≦700 δ 低合金高强钢冷裂纹敏感性判据条件 当 δ >50 R=71K1[arctg(0.017 δ )-(δ /400)2 Rcr>R不产生裂纹, R> Rcr 产生裂纹 Rcr—不产生裂纹的临界拘束度(通过实验方法测) R可通过计算或实测求得 只适用单向拉伸

第五章 焊接裂纹

(3) 氢的有害影响 (4) 工艺影响
① 线能量: 过大,近缝区晶粒粗大;过小,会使热影响区淬硬, 应严格控制 ②预热温度:过高会恶化劳动条件,局部预热会产生附加应力促 使产生冷裂纹;有一定的经验公式 ③焊后后热:碳当量越高,所需的后热温度就越高;后热温度越 高,所需后热的时间越短。后热可消氢,降低残余应力, 改善组织 ④多层焊:多层焊的预热温度较单层焊要低,应严格控制层间预 热温度或后热温度,以便使扩散氢逸出

第五章 焊接裂纹

综合上述各影响因素,提出了预测高强钢焊接接头延迟裂纹倾向 的判据公式。

产生裂纹 t cr ? t100

tcr

—在一定焊接条件下,第一层焊缝焊后冷却到 100℃刚刚不出现

裂纹的时间—临界冷却时间.

t100 —实际焊接条件下,熔合区附近1350~100℃的冷却时间

t cr ? A( PHM ? 0.28) n
A.n—实验常数

PHM —裂纹敏感系数
若 PHM 越高,则 t cr 越大,越易产生裂纹

第五章 焊接裂纹

防止措施
1)冶金措施
① 钢材本身的强韧性(低碳微量多合金),采用精炼技术降低杂 质的含量 ② [H]↓选用低氢焊接材料,低氢焊接方法如CO2焊 ③ 控制氢的来源,烘干焊条消理焊件焊丝 ④ 加入某些合金元素,提高韧性 ⑤ 采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强 钢,避免冷裂纹

第五章 焊接裂纹

2)工艺措施
①选择合适的焊接线能量q↑、V冷↓、t100↑可以减少裂纹,但有晶粒 粗大现象。 ②预热 冷却速度↓[H]外逸↑ ③后热[H]↓消氢处理350℃保温1—2小时,使氢外逸 对于需要较高预热温度的中碳钢,高碳钢及中碳调质高强 钢,如果由于形状复杂或需要在结构内部施焊等因素要避免 高温预热时,采用后热并配合低温的预热比较有效。

3)拘束应力
①防止焊缝分布密集,消除应力集中部位如缺口,坡口形状对称; ②适当的预热、后热、缓冷。 第五章 焊接裂纹

七 再热裂纹
定义:焊后再加热,消除应力退火,高温工作时500—600℃ 过程中产生裂纹称再热裂纹。 1 再热裂纹的特征
(1)热裂纹产生部位: 近缝区的粗晶区,止裂于细晶区,沿晶间开裂,裂纹大部分晶间 断裂,沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展 (2)敏感的温度范围: 一般在500~700℃,随材料的不同而不同,低于500或高于700℃, 再加热不易出现再热裂纹

第五章 焊接裂纹

再热裂纹

第五章 焊接裂纹

(3) 有大量的内应力存在,及应力集中: 在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹 (4) 易产生在具有沉淀强化作用的钢材中,在碳素钢和固溶强化 的金属材料中一般不出现再热裂纹。

2 产生机理
晶界滑动→微裂→扩展→裂纹 (1)一般条件 e > ec 产生裂纹 e—产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量 ec:产生裂纹的晶界微观局部的最大塑性形变能力 e 实际塑性应变:接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引 起,与接头的拘束度残余应力,应力集中有关。

第五章 焊接裂纹

(2)再热裂纹产生机理
1)晶界杂质析集弱化说 ① 晶界析集P、S、Sb、Sn、As, ② 硼化物沿晶析集 如果产生再热裂纹的塑性变形量为ec,可以下式表示:
? ec ? L(1 ? ?T )?? ? R

/ E ?? c / Ec

? ? ?

2)二次沉淀理论晶内沉淀强化 ① 具有沉淀强化的元素 Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn ② 焊接高温时过热区合金元素全部溶入A中,A长大。 ③ 焊后冷却速度快,合金元素以过饱和形式溶入在F中 ④ 焊后再加热时(500--700℃),沉淀析出

第五章 焊接裂纹

3)高温蠕变理论的“楔形开裂模型”
蠕变定义:金属在长时间的恒温、恒应力作用下,即使应力小于屈 服强度,也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。 特征: ① 材料内的应力小于材料的屈服应力 ② 与温度有关T蠕变速度 ③ 温度升高持久强度下降 ④ 高温下,晶界强度低于晶内强度 应力

?c ?

3E{2r (? s ? ? P ) ? ? b } 2d
2 E{2(? s ? ? ` P ) ? ? b } (1 ? ? 2 )?d
第五章 焊接裂纹

临界应力: ? p ?

3)高温蠕变理论的 1.楔形开裂 “空位开裂模型”
最小能量

256 ? 3 ? W ? 27 A 2

3

试验表明,某些低合金高强钢的再热裂纹属于楔形开裂,而珠 光体耐热钢及耐热合金的再热裂纹属于空位开裂。

低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式
? cr ? (20.7 ? 4.25 CSR ? 4.7 ) ? 9.8
C SR ? 32C ? 0.5Cr ? Mo ? 11V

? cr

产生再热裂纹临界应力(N/mm2)

如结构实际拘束应力为 ? 时,则 ? ? ? 开裂 cr

? ? ? cr不裂
第五章 焊接裂纹

3 影响因素
(1) 冶金因素 ① 化学成分对再热裂纹的影响 ② 晶粒度对再热裂纹的影响 ③ 焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响 (2) 工艺措施 ① 焊接方法:电渣焊使得过热区的晶粒最为粗大;晶粒长大敏感的 钢种,埋弧焊比手工焊的再热裂纹倾向要大;淬硬性的钢种,手 工焊比埋弧焊的再热裂纹倾向大。 ② 预热及后热:预热200~300℃,后热可降低预热温度。 ③ 线能量的作用:E适当增加,减少过热区硬度,裂纹减小。 ④ 低强焊缝应用: 减少近缝区塑变的集中程度,有利于降低再热裂 纹产生倾向。 ⑤ 降低残余应力和避免应力集中。

第五章 焊接裂纹

八 层状撕裂
1 特征及危害性
(1)产生的部位和形状 宏观形状:在外观上具有阶梯状的形式,由基本上平行于轧制方向 表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。 微观形状:扫描电镜观察低倍下:断口表面呈典型的木纹状,是层 层平台在不同高度分布的结果 部位:1)母材或热影响区 材料:低合金高强钢的厚板焊接结构中,多用于海洋采油平台、核 反应堆压力容器、及潜艇的外壳等重要结构

第五章 焊接裂纹

2)产生在厚板结构中
十字接头,丁字接头,角接头,平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物

第五章 焊接裂纹

种类
依产生部位分: 第一类:在焊接热影响区焊趾或焊根,冷裂纹诱发而形成层状撕裂; 第二类:热影响区沿夹杂开裂; 第三类:远离热影响区母材中沿夹杂开裂,MnS片状夹杂较多。

2 形成机理及影响因素 (1) 层状撕裂的形成过程
① 厚板结构中焊接时刚性拘束条件下,产生较大的Z向应力和应

变,当应变达到超过材料的形变能力之后,夹杂物与金属基体之间弱 结合面发生脱离,形成显微裂纹,裂纹尖端的缺口效应造成应力、应 变的集中,迫使裂纹沿自身所处的平面扩展,把同一平面而相邻的一 群夹杂物连成一平面,形成所谓的“平台”。

第五章 焊接裂纹

② 与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处,在应力应变影响 下在剪切应力作用下发生剪切断裂,形成“剪切壁“,这些平台和剪 切壁在一起,构成层状撕裂所持有的阶梯形状。

第五章 焊接裂纹

(2)影响因素
① 非金属夹杂物的种类、形态及其分布 ② 焊接Z向应力 ③ 母材性能: 热影响区产生淬硬组织、塑性下降; 加热150~350℃出现应变时效,塑性、韧性下降。 ④氢的作用 氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂(热影响 区附件).

第五章 焊接裂纹

3 防止措施
(1)选择母材 ①精炼钢;②控制夹杂物 冶炼降低杂质,脱S加Ti、Zr或稀土元素,促使夹杂物破碎、球化(成本 高) (2)设计和工艺措施
①改变接头形式、降低焊接应力 ② 应尽量避免单侧焊缝等; ③ 应尽量避免承载焊缝 ④ 预热及后热 ⑤ 加软焊道

第五章 焊接裂纹

接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂,通过开坡口来减轻钢 板Z向受承受的应力和应变。

第五章 焊接裂纹

九 应力腐蚀撕裂(SCC)
应力腐蚀裂纹:金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用
下所产生的延迟破裂现象称应力腐蚀裂纹。

应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突 出的问题,日本1965~1975十年间化工设备破坏事故统计 有50%属于应力腐蚀开裂,应力腐蚀裂纹造成危害极大。

第五章 焊接裂纹

1 应力腐蚀裂纹特征
1)形貌: 外观:无明显的均匀腐蚀痕迹,呈龟裂形式断断续续。 从横断面来看:犹如枯干的树木的根须,由表面向纵深方向往里发展, 裂口深宽比大,细长而带有分支是其典型的特点。 从断口来看:仍保持金属光泽为典型脆性断口

第五章 焊接裂纹

2)材质与介质的匹配
纯金属不产生应力腐蚀裂纹,凡是合金即使含有微量元素的合 金,在特定的腐蚀环境中都有一定的应力腐蚀开裂倾向。但并不是 说,任何合金在任何介质中都产生应力腐蚀开裂,一定的材料只在 某一定的腐蚀环境中才产生应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀开裂温度:易产生在100~300℃之间

3)应力腐蚀开裂的临界应力
拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的先决条件之一,造成应 力腐蚀开裂的应力主要是残余应力。

? th ? ? s

临界应力 ? th

—引起应力腐蚀裂纹开裂的临界应力,与腐

蚀介质,金属材料的强度级别有关。

第五章 焊接裂纹

2 应力腐蚀裂纹的形成条件、形成机理
形成三要素:
1)材质;2) 腐蚀介质;3) 临界拉应力

(1)电化学应力腐蚀开裂机理
从电化学考虑,把应力腐蚀裂纹分为两大类 一类为应力阳极溶解开裂 简记APC 一类为应力阴极氢脆开裂 简记HEC

第五章 焊接裂纹

HEC和APC应力腐蚀过程 一般奥氏体钢的SCC 属于APC型; 低碳钢、低合金高强 钢、超高强度钢属于 HEC型

第五章 焊接裂纹

(2)机械破裂应力腐蚀开裂机理
1)孕育期 应力作用下将产生不同程度的塑性变形,这种塑性变形 将会产生“滑移台阶”,形成局部性的最初腐蚀裂口,造成拉应力 集中,局部产生滑移阶梯、导致保护膜破坏。

第五章 焊接裂纹

2)发展阶段
腐蚀裂口在拉应力与介质的共同作用下(物理作用及化学作用) 沿着垂直拉应方向纵深发展,呈枯干树枝或根须,且逐步出现分支, 若应力因素占优势,将是某一裂口优先发展,腐蚀因素占优势则可能 同时几条裂口平行地发展。

3)溃裂阶段
发展的最快的裂纹的最终崩溃性的发展,是拉应力局部越来越大的 累积结果,最终破坏是力的因素起主要作用。

第五章 焊接裂纹

高强度的不锈钢和高强钢

裂纹扩展的几种说法
1. 2. 3. 4. 5.

阳极相的沉淀 腐蚀介质的吸附 阴极氢化反应 机械化学效应 隧洞腐蚀
低强度的不锈钢和 氢敏感的高强钢

不锈钢构件

第五章 焊接裂纹

3 应力腐蚀的预防措施
(1)结构设计 ① 合理选材母材 选材必须有足够的实验数据,不能只看材料牌号,不能单纯 考虑强度级别,因同一强度等级,合金系统不同,抗应力腐蚀开 裂的倾向很大。 ② 避免高应力区 (2)施工制造 ① 合理选择焊材 了解产品结构的工作条件,熟悉介质的腐蚀特性,及合金元素 的特性,则确定焊缝成分从而确定焊接材料。因此必须根据具体 腐蚀介质,调整焊缝的合金系统,以便提高耐应力腐蚀开裂的能 力。

第五章 焊接裂纹

②合理制定装焊工艺 ⅰ成形及装配工艺 引起应力腐蚀裂纹的重要原因之一就是残余应力,从部件成形加工 到组装都可引起残余应力,特别是强制组装。例如用千斤组装大错口, 可以形成很大的残余应力,在组装质量不良的条件下(错口)焊接时, 会造成较大的残余应力。组装时所造成伤痕如随意打弧的灼痕等都会成 应力腐蚀裂源。 ⅱ焊接工艺 基本点,不产生硬化组织,不发生晶粒严重粗化现象,接头硬度↑。 粗晶区的应力腐蚀裂纹的扩展敏感性最大,主要是由于晶粒粗大,以 致裂纹尖端集中的位错数量增大,并可形成大的滑移阶梯而利于应力 腐蚀裂纹的形成和扩展。

第五章 焊接裂纹

4 消除应力处理
焊后消除应力处理是防止产生应力腐蚀裂纹的重要环节。 例氢化脱硫装置的硫化物应力腐蚀开裂试验,钢种弯曲成形加工后 的热处理温度

温度 1Cr18Ni8 1Cr18Ni9Ti x
x

350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 550℃ 650℃ 850℃ x x x o x o x o o o o o o o

其中x裂纹,o无裂纹

第五章 焊接裂纹

(1) 整体消除应力处理 消除应力的程度可用下式估算 P=T(lgt+20)*10-3 P—消除应力效果参数 T—热力学温度 (2) 局部消除应力处理 加热宽度 B ? 5 R? (3)生产管理 R--管子半径 t —保温时间

? --板厚

防蚀处理: 介质隔离、涂层、衬里;介质处理、加缓蚀剂等;电 化防蚀、阴极化或阳极化、表面技术处理; 定期检查、及时补修

第五章 焊接裂纹

§4-4 焊接裂纹综合分析和判断
一 宏观分析及判断
1 被焊材质和焊接材料的化学成分 2 根据施工中的焊接工艺 3 产品结构的运行工况条件

二 微观分析及判断
1、热裂纹:低碳钢、低合金钢,主要在焊缝,沿晶特征,带有氧化的彩色 2、冷裂纹:低合金高强钢、中高碳钢,热影响区,穿晶、沿晶; 3、再热裂纹:沿过热粗晶的边界发生和扩展; 4、层状撕裂:呈梯形扩展; 5、应力腐蚀裂纹:枯树枝。

第五章 焊接裂纹

三、断口分析及判断
韧性断裂 穿晶断裂 脆性断裂

韧窝断裂

滑移断裂 解理断裂

等轴韧窝 剪切韧窝 撕裂韧窝 蛇形滑移 波形滑移 平直滑移

断裂形式

准解理断裂 疲劳断裂—疲劳纹 沿晶断裂 塑性断裂 脆性断裂 疲劳断裂—疲劳花纹
第五章 焊接裂纹

1 焊接裂纹的断裂形式及断口形态
(1)韧窝断裂 (2)解理断裂:
穿晶断裂;沿一定严格的晶面(解理 面)发生,主要出现在BCC晶格,呈河 流状、舌状、扇形、平坦台阶等形貌

等轴韧窝 剪切韧窝 撕裂韧窝

(3)准解理断裂
穿晶断裂;具有脆性断口,呈现为 短程的河流状花样。

(4)沿晶断裂
多为脆性断裂;形貌为典型冰糖状

第五章 焊接裂纹

第五章 焊接裂纹

热裂纹的形貌

第五章 焊接裂纹

冷裂纹的形貌

第五章 焊接裂纹

再热裂纹断口形貌

第五章 焊接裂纹

层状撕裂断口形貌

第五章 焊接裂纹

应力腐蚀裂纹断口形貌

第五章 焊接裂纹

本章小结
本章重点介绍了各种焊接裂纹的分类、形成 机理,特征、影响因素,及其防冶措施,对于焊 接裂纹进行综合分析及判断,以及对于各种裂纹 的断口形貌特征进行简单介绍。

第五章 焊接裂纹

思考题
1 简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。 2 分析液态薄膜的成因及其对产生热裂纹的影响。 3 什么是脆性温度区间?在脆性温度区间内为什么金属的 塑性很低? 4 综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长 率之间的影响因素。 5 液化裂纹和多边化裂纹在本质上的有何区别?在防止措 施上的何不同?

第五章 焊接裂纹

6 试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。 7 试述氢在产生冷裂纹过程中的作用,研究残余扩散氢 HR100 和氢扩散因子M有何重要意义? 8 何谓拘束度?临界拘束度?它与拘束力和临界拘束应力 有何关系? 9 拘束度和拘束应力与钢材的板厚、焊接工艺参数有何关 系?它们各自有哪 些影响因素? 10 一般低合金钢,冷裂纹为什么具有延迟现象?为什么 容易在焊接HAZ产生?

第五章 焊接裂纹

11 后热对防止冷裂纹有何作用?它能否全部代替预热? 12 分析近缝区的马氏体转变对产生冷裂纹的影响。 13 为什么说临界冷却时间tcr为依据,是反映产生冷裂纹各种 因素的综合影响? 14 简述再热裂纹的主要特征和产生机理。 15 试述产生层状撕裂纹的原因,如何判断钢材产生层状撕裂 的敏感性? 16 试述产生应力腐蚀的机理,并说明APC和HEC的形成过程。

第五章 焊接裂纹

本章结束

第五章 焊接裂纹


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