16Mn钢产生焊接裂纹的原因与预防毕业论文.doc

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1、毕业论文1 绪论目前，焊接技术广泛应用在工业生产中的各行各业，这种技术在生产领域无论是从产品质量，还是从工业效益的角度来讲，都是其他任何技术无法取代的。虽然焊接技术是通过加热或加压，或者两者并用并且用或不用填充材料使工件达到结合的一种方式，但是这种技术伴随着工件的加热、熔化、融合、冷却的过程，那么必然会在环境和应力作用下产生缺陷。1.1概述在焊接过程中，焊接接头中产生的金属不连续，不致密或连接不良的现象叫做焊接缺陷。焊接缺陷种类很多，有些是因施焊过程中的操作不当或焊接参数不正确造成的，如：咬边、烧穿、焊缝尺寸不足、未焊透等；有些是由于化学冶金，凝固或固态相变过程的产物而造成的，如：气孔、夹杂、

2、裂纹等，这些缺陷与母材和焊接材料的化学成分有着密切的关系。16Mn钢属于合金结构钢，是在碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素冶炼而成。加入合金元素的目的，是在保证足够的塑性和韧性的基础上获得较高的强度或满足结构工作条件提出的某些特殊要求。在16Mn钢的焊接中产生缺陷主要侧重在焊接裂纹方面，同时焊接裂纹也是这种钢产生焊接缺陷中最严重的一种。目前，在焊接结构制造中，16Mn钢主要用于制造压力容器、桥梁、船舶、大型金属结构及矿山冶金设备上的大型零部件。1.2 焊接缺陷的分类由常见金属材料的焊接可知，缺陷主要分为两大类：焊件使用时发生的缺陷，焊接过程缺陷。1焊件使用时发生的缺陷，这种缺陷通常指焊接热循

3、环损伤到焊道或邻近的热影响区而造成焊件性质劣于母材。当焊件使用时，破裂起始于这些缺陷存在原位置。比较常见的缺陷有碳钢或低合金钢的热影响区晶粒受热而长大造成韧性显著下降，析出硬化型材料的热影响区。因过度时效而使强度降低。冷作硬化型材料的热影响区，因冷作作用消失而使强度降低。2焊接过程缺陷，这类缺陷发生于焊接进行中或焊接完成后，常见的缺陷有裂纹、气孔、夹渣、凹陷、熔焊不足、渗透不足等。这类缺陷的存在可能造成焊件无法使用。这其中又以裂纹最为严重。裂纹因发生的温度不同有如下几种：冷裂纹（氢裂纹）、焊后热处理裂纹（再热裂纹）、延性不足裂纹、热裂纹和层状撕裂等。1）冷裂纹常出现在碳钢和合金钢的焊接中，但在

4、焊接双相不锈钢有是也出现冷裂纹。虽然产生冷裂纹的原因还没有完全了解，这种裂纹已大部分可以控制。最有效的方法是减少氢含量、预热，控制热输入及利用焊后热处理。只要材料和接头方式确定，目前已有简单的方法可以在预热温度、热输入范围、焊后热处理的温度和时间等方面来防止产生冷裂纹。2）焊后热处理裂纹出现在焊后应力消除热处理的加热过程中，这种裂纹发生于镍基合金、不锈钢和少数合金钢。机械化焊接方法同精密焊接设备结合的方法可以防止坡口发生位移，避免焊接区在能量集中的作用下产生明显的扩张应力。扩大射束能源利用范围和制订合理的焊接后热处理规范，可以满足焊缝金属的力学性能，从而满足材料的可焊性。设计制造高效的焊接装置

5、可以提高焊接效率，需要对焊接构件通电流加热焊接区，为此要制订适当工艺。除此外，要对材料分析之后掌握其焊接性能可能会出现的裂纹，采取相应的必要措施进行焊后热处理等消除焊缝在冷却过程中产生应力而造成的各种裂纹。3）层状撕裂是一种出现在钢的轧制方面的一种特殊裂纹，对于这种裂纹除要在焊接工艺方面采取措施外，主要还是在选材方面，主要是改变因焊接过程中结晶组织产生的应力方向上下功夫。本论文用金属材料的焊接性及熔焊原理的基础知识，首先根据常见焊接应力与变形、热裂纹、层装状撕裂、冷裂纹等，分析其影响因素，然后根据焊接缺陷产生原因，在焊接材的选择、焊接结构的设计和焊接工艺的编制采取相应的对策。2 焊接裂纹的分类

6、在焊接生产中，由于母材和接构形似不同可能出现各种各样的裂纹。然而其分类方法很多，可按裂纹走向产生区域及产生的条件划分常按其产生的条件可分为：焊接热裂纹、焊接冷裂纹、消除应力裂纹、层状撕列等。2.1 焊接热烈纹焊接热裂纹在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。焊接热烈纹又可分为：结晶裂纹、液化裂纹、高温失塑性裂纹。2.1.1 结晶裂纹结晶裂纹又叫凝固裂纹，主要产生于焊缝凝固过程中，当冷却到固相线温度附近时，由于凝固金属的收缩残余金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生晶间开裂，如下图21所示：图2-1 结晶裂纹结晶裂纹主要产生在含杂质（S、P、C、Si）偏高的碳钢、低合

7、金钢以及单相奥氏体钢镍基合金与某些铝合金的焊接中。一般沿焊缝树枝晶状的交界处发生和扩展常见于焊缝中心沿焊缝长度扩展的纵向裂纹有时也分布在两个树枝晶粒之间。2.1.2 高温液化裂纹高温液化裂纹在高温下产生，钢材和多层焊的间金属含有低熔点化合物经重新熔化在收缩应力作用下沿奥氏体晶间开裂的一种裂纹。如下图22所示： 图22 高温液化裂纹这种裂纹一般出现在含S、P、C较多的高镍低锰的高强钢、奥氏体钢、镍铬合金钢的焊接中。2.1.3 多边液化裂纹多变液化裂纹产生于温度低于固相线温度，存在晶格缺陷（位错和空隙）物理化学性不均匀，在应力作用下缺陷聚集形成多边化边界，使强度塑性下降，沿多边化边界开裂而形成一种

8、裂纹。如下图23所示：图23 多边液化裂纹这种裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊接中。2.2 焊接冷裂纹焊接冷裂纹是在焊接接头冷却到较底温度（即在Ms温度以下）时产生的裂纹。宏观上冷裂纹的断口具有脆性断裂特征，表面有金属光泽，呈人字形态发展；从微观上看，裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的交界处。然而冷却到裂纹按其钢的结构不同又可分为以下三类：延迟裂纹、淬硬化裂纹（或淬火裂纹）、低塑性脆化裂纹。2.2.1 延迟裂纹延迟裂纹是在焊后经过数小时或更长时间才出现的冷裂纹，延迟裂纹主要是发生在热影响区和焊后的固相线温度以下，焊后不会立即出现而是有一段孕育期产生延迟现象才出现的沿晶或穿晶裂纹。如下图24所示

9、：图24 延迟裂纹这种裂纹主要出现在中、高碳钢，低、中合金钢及钛合金的焊接中。2.2.2 淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹是在固相线温度附近在热影响区或少量焊缝中含有较大淬硬倾向的组织物而产生一种沿晶或穿晶裂纹。这种裂纹出现在含碳的NiCrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢的焊接中。低塑性液化裂纹温度在400以下，由于收缩应变超过了金属材料本身的塑性而在热影响区以及焊缝中产生的沿晶或穿晶的一种裂纹。这种裂纹一般出现在铸铁、堆焊硬质合金的焊接中。2.2.3 消除应力裂纹消除应力裂纹，厚板结构进行600700的回火消除应力处理在热影响区的粗晶区粗存在不同程度的应力集中时，由于应力松弛所产生的附加变形大于该部位的

10、蠕变塑性而沿晶界开裂形成的一种裂纹。如下图25所示：图25 消除应力裂纹这种裂纹一般出现在含有沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金的焊接中。2.3 层状撕裂层状撕裂是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，在400的温度下，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而形成的在焊接结构中沿钢板轧曾形成的成阶梯状的一种穿晶或沿晶开裂的裂纹。如下图26所示： 图26 层状撕裂这种裂纹易出现在含有杂质的低合金高强度钢厚板结构的焊接中。2.4 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹，在某些焊接结构（如容器和管道等）的金属材料在某些特定介质和

11、拉应力共同作用下所产生的延迟破坏现象而在焊缝和热影响区而形成的一种沿晶或穿晶开裂的裂纹。如下图27所示： 图27 应力腐蚀裂纹 这种裂纹主要出现在碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金的焊接中。3 16Mn钢的化学组织与性能3.1 16Mn钢的化学组织与力学性能表31 16Mn钢的化学成分如下表：牌号化 学 成 份 （）CSiMnSP16Mn0.100.180.200.601.201.600.0450.050表32 16Mn钢的力学性能牌号热处理状态 力学性能SMpa(Kgf/mm2）bMpa(Kgf/mm2）AKUJ（Kg/fm）16Mn热轧343（35）490（50）2159（6）屈服强度为294

12、392MPa（3040Kgf/mm2）的低合金钢基本上都属于热轧钢，主要通过合金元素的固溶强化获得的较高的强度，锰是最常用的合金元素，在低碳的情况下Mn含量不大于1.6。Si的含量不大于0.6可以保持较高的塑性和韧性。热轧钢的组织为铁素体和珠光体，然而16Mn刚作为低温容器用钢或厚板结构时可以再正火条件下供货，经正火处理可以使钢的化学成分均匀化使时塑性和韧性提高，但强度又略有下降。3.2 16Mn钢的焊接性钢的焊接性决定着其焊接难易程度也是其产生裂纹的主要原因。16Mn钢的焊接性主要由碳当量、过热区脆化、热应变脆化、冷裂纹敏感性、热裂纹敏感性、层状撕裂倾向等决定其焊接程度及焊接质量。3.2.1

13、 碳当量碳当量的计算根据国际焊接学会推荐的低合金钢的碳当量计算公式如下： 根据表31 16Mn钢的化学成分可计算其碳当量16Mn钢的式中各元素含量取平均值，当钢的碳当量时，通常情况下可焊性好。但16Mn钢的，焊接时就容易产生裂纹。3.2.2 过热区脆化 过热区脆化又称为粗晶区脆化，在过热区的加热温度在1200固相温度范围内，高的加热温度造成奥氏体晶粒严重粗化及难溶质点溶入固溶体引起的过热。过热区脆化的程度与碳有关，过热区韧性随线能量E的增大而下降，线能量的增加使奥氏体晶粒的粗化更严重。冷却后会出现魏氏组织，适当降低线能量有助于提高韧性，因此可以选择小的线能量进行防止过热区脆化。3.2.3 热应

14、变脆化热应变脆化是在焊接过程中在热和应变同时作用下产生一种应变实效。它是由固溶的碳和氮聚集在位错周围对位错造成钉轧作用所引起的，一般在200400，焊接接头区及最高加热温度低于的亚临界热影响区。焊后热处理可以消除应脆化使材料的韧性可以恢复到原有水平，实验数据表明：16Mn钢焊后经6001退火处理韧脆转变温度比焊前提高53，说明有一定的热应变倾向。3.2.4 冷裂纹敏感性冷裂纹敏感性，焊接氢致裂纹（通常称为焊接冷裂纹或延迟裂纹）是16Mn钢焊接时最容易产生的而且危害是最威严重的工艺缺陷。它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。这种钢产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，有时也出现再焊缝金属中。可能在

15、焊后200以下立即发生或焊后一段时间内产生，大量研究表明当焊接热影响区中产生脆硬马氏体或马氏体贝氏体铁素体混合组织时对氢致裂纹比较敏感。然而热影响区最高硬度可被用来粗略的评定焊接氢致裂纹敏感性。3.2.5 热裂纹敏感性16Mn钢中、较低，且较高，其热裂纹倾向小。但有时也会在焊缝中出现热裂纹，如厚壁压力容器焊接中在多层多道埋弧焊缝的根部焊道或靠近坡口边缘的高稀释率焊道中易出现焊缝金属热裂纹。3.2.6 层状撕裂倾向层状撕裂倾向，在大型厚板结构中如海洋工程、核反应堆和船舶等焊接时，若在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。4 16Mn钢焊接裂纹产生的原因及防止的措

16、施根据对焊接裂纹分类的了解及16Mn钢的化学组织与力学性能的熟悉和对其焊接性的研究可知，16Mn在钢焊接时常出现结晶裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。4.1 16Mn钢产生结晶裂纹4.1.1 16Mn钢产生结晶裂纹的原因结晶裂纹属于热裂纹，再结合16Mn钢的力学性能和焊接性可知，其在焊接过程中产生裂纹的原因从大方面来说主要有三方面：冶金因素、工艺因素、力学因素等。1.结晶裂纹的形成机理，焊缝金属在凝固过程中总要经历液-固（液相占主要部分）和固-液（固相占主要部分）两个阶段。在固-液时，焊缝金属可以依赖液相的自由流动而发生变形，少量固相晶体只是移动一些位置本身形状不变。在固-液态时，最后凝固的存在与固相

17、晶体间的低熔点液态金属已成薄膜状。在此过程中形成薄膜强度低而应变集中，但同时其变形能力差，因而在固液区塑性降低容易产生裂纹。具体来讲焊缝是否产生结晶裂纹主要决定于以下三个方面：1）脆性温度区间的大小，越大由于焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长产生的应变也越大，故产生结晶裂纹的倾向也越大。大小主要决定于焊缝的化学成分，低熔点共晶的性质及分布，晶粒的大小及方向等。2）在脆性温度区间金属的塑性，焊缝金属的塑性越小就越容易产生结晶裂纹。这与焊缝的化学成分、偏析程度、晶粒大小及应变速率等有关。3）在塑性温度区间的增长率在内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大应变增长率也将增大，这就容易产生结晶裂纹

18、。应变增长率的大小主要决定与金属的膨胀系数、接头的刚度、焊缝的位置、线能量的大小以及温度场的分布等。如图41中e表示在拉伸应力作用下所产生的应变,它是随温度而变化，所以也可用应变增长率来表示。当刚刚产生裂纹时称为临界应变增长率（CST）,表示在脆性温度区（）内焊缝金属的塑性，它也是随温度变化，当液态薄膜的瞬时，存在一个最小的塑性值（）。 图41 焊接时产生裂纹的条件焊缝金属在结晶后期出现开裂的原因来自两个方面：焊缝金属在结晶后期抗裂能力（以伸长率代表）下降和拉伸应变的形成。焊缝金属在结晶过程中塑性的变化，为焊缝金属的伸长率与温度T的关系曲线。曲线表明，在结晶后期固相温度附近存在了一个塑性很低的

19、温度范围叫做脆性温度区间。脆性温度区间形成的原因可以从焊缝凝固过程可以划分为三个阶段；然而在完全凝固阶段整个熔池完全凝固而形成整体的焊缝。此时受到拉伸应力作用变形有整个焊缝金属承担，而不集中于晶界，有较高的抗裂能力不会开裂。综上所述，脆性温度区间是由于金属凝固后期出现了“液态薄膜”而形成的。此时金属的塑性降到最低值，脆性温度区间的上限低于合金的液相温度下限略低于固相温度，结晶裂纹产生于此温度范围。对于具体合金来说，在脆性温度区间的抗裂能力，还因的宽度和金属在范围内的抗裂能力(以表示)不同而异。产生结晶裂纹的力作用，脆性温度区间的存在是产生的结晶裂纹的主要根源，而力的作用时产生结晶裂纹的必要条件

20、。结晶裂纹产生于焊缝凝固后期。此时的结构并未承受外载荷的作用，而是由寒风冷却过程中的内应力所产生的，因而焊接时的局部加热是产生焊接应力的根本原因。2.形成结晶裂纹的因素，根据上面的分析可知结晶裂纹产生的有原因可归纳为冶金因素、工艺因素和力学因素。1）冶金因素，主要是合金相图的类型和结晶温度区间的影响。结晶裂纹倾向随合金相图（如图42）结晶温度区间的增大而增大，至S点以后，合金元素进一步增大结晶温度区间反而减小，同时脆性温度区的范围（阴影部分）也相应增加。经S点达到最大点后逐渐减小。因此结晶裂纹倾向也随此规律变化，在S点处裂纹倾向也最大。但由于焊缝属于不平衡结晶，故实际固相线要比平衡条件下的固相

21、线向下左方向移动，裂纹倾向的变化曲线也随之左移使原来结晶温度较小的低浓度区烈增加。 因而这就使得合金元素含量不太高的16Mn 钢就极易产生结晶裂纹。 图42 结晶温度区间宽度的变化与裂纹倾向系数 硫和磷在各类钢中都会增加结晶裂纹倾向,这是因为硫和磷会使纯铁的结晶温度区间大为增加。结晶温度区间与溶质元素含量有下列关系： 称为相对效应因子。硫和磷的值很大（表41），在含量很低时就使显著增加。硫和磷还是钢中极易偏析的元素，钢中元素偏析系数 (表42)S和 P很小，偏析系数值也很大，更增加了它们的危害。除此外，硫和磷在钢中能形成多种低熔点共晶物，使结晶过程中极易形成液态薄膜，硫能促使焊缝金属产生结晶裂

22、纹、降低冲击韧度和需腐蚀性，并能促使产生偏析，硫在液态金属中以FeS的形式存在。磷会增加钢的冷脆性，大幅度地降低焊缝金属的冲击韧度，并使脆性转变温度升高。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷在液态金属中以Fe2P、P2O5形式存在也会促使焊缝金属产生结晶裂纹。总之，硫和磷在钢中能形成多种低熔点共晶，使结晶过程中极易形成态薄膜，因而显著增大结晶裂纹倾向。硫和磷在钢中还能引起偏析。元素的偏析程度可用下式来表示： 式中： 元素的偏析系数（%） 开始结晶晶轴上某元素的质量百分浓度（%） 最后结晶晶界处某元素的质量百分比浓度（%） 某元素在液相的原始平均质量百分比浓度（%） 表4-1几种溶质元素在Fe

23、-C元合金中的 值溶质CSPMnCuNiSiAl322295121.126.23.612.931.751.51表42溶质元素的分布系数溶质元素SPCNiMnCr（在-Fe 铁中熔点附近）0.050.070.130.800.840.95碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能增加硫、磷及其他元素的有害作用。因此，国际上采用碳当量作为评价钢种焊接性的尺度，表4-1显示碳的 最大，说明碳将明显增加结晶温度区间，碳的偏移系数不小且含碳量增加，结晶初生相将由相变为相，使硫和磷的偏移系数增大。相和相对硫和磷的偏析的影响与硫和磷的溶解度有关如表4-3所示，说明相只能溶解吸收较少的硫和磷而增加了偏析。当温度低于

24、1200时， -Fe只能溶解（）0.035，超过溶解度的硫将析出而形成-Fe和FeS共晶（共晶温度989）。因而，在基本体已凝固时，冷却到1000以上的晶界还可能存在残余液相。实际结晶温度区间势必增大，导致热烈倾向增大，而相溶解较多的硫和磷，使其偏析减少。因而结晶引领相是时，裂纹倾向小于引领相,这就会造成16Mn钢的结晶裂纹倾向增大。表43 Fe-C合金中S、P的最大溶解度（在1350）元素在相中在相中 S0.180.05 P2.800.25硅是相形成元素，由于16Mn中W（Si）超过0.4，容易形成硅酸盐夹杂物而增加了裂纹倾向。结晶组织形态,焊缝在结晶后晶粒大小、形态以及析出初生相中晶粒越粗

25、大，柱状晶的方向越明显则产生结晶裂纹倾向越大。2）工艺因素，主要是影响有害杂质偏析的情况及应变增长率的大小。熔合比增大，含杂质和碳较多的母材将向焊缝转移的杂质和碳元素增大裂纹倾向。形成系数为焊缝实际厚之比，即 =B/H 它对焊接裂纹的影响很大，如图4-3所示。 值提高，热烈倾向降低；但 7以后，由于焊缝截面过薄抗裂性下降；较小时最后凝固的枝晶会合面因晶粒对向生成而成为杂质严重析集的部分，最易形成结晶裂纹。 图43 焊缝成形系数与结晶裂纹的关系3）力学因素，从上面讨论中可知焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的范围宽是结晶裂纹的主要原因。但是还必须有力的作用。即“焊接时脆性温度区内金属的塑性

26、P要小于脆性温度区内金属所承受的额的拉伸应变e”即Pe.由于金属强度主要决定与金属的境内强度和晶间强度，它们都随温度升高而减低，然而下降较快。当温度达到时, = ，所以称为等强度温度。当温度高于时，此时如果发生断裂必然是晶间断裂，如果寒风此时所承受拉伸应力为，随温度变化始终低于，则不会产生裂纹。若焊缝承受的拉伸应力为，在某以温度超过金属间的强度，即，就会产生结晶裂纹如图44所示：图44金属在高温下强度随温度变化和拉伸应力的关系4.1.2 防止产生结晶裂纹的措施根据16Mn钢产生结晶裂纹的原因分析可知，防止产生这种裂纹也要从焊接冶金、焊接工艺、焊接力学三个方面角度进行。1.从冶金方面1）控制焊缝

27、中硫、磷和碳等有害杂质的含量，有效地控制低熔点共晶物减低偏度，这就大大地增强了抗裂结晶裂纹的敏感性。用含S、P量不大于0.12低合金焊丝，同时也应限制焊丝的含碳量，对于一些焊接结构较为重要的应采用碱性焊条或焊剂。用含有CaO等碱性氧化物的焊条进行脱硫和脱琳可以有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹的产生或降低倾向；硫在液态金属中以因为FeS的形式存在，熔渣中的Mn、MnO、CaO具有一定的脱硫作用，其反应式如下： Mn+FeS =MnS+Fe MnO+FeS=MnS+FeO CaO+FeS =CaS+FeO 生成的MnS、CaS都进入熔渣中，由于MnO、CaO均属碱性氧化物在碱性熔渣中含量较多，所以

28、碱性熔渣的脱硫能力比酸性熔渣强。磷在液态金属中以Fe2P、P2O5形式存在，脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5；第二步使之与渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合物进入熔渣，其反应式为： 2Fe2P+5（FeO=P2O5+11Fe P2O5+3（CaO）=（CaO）3P2O5 P2O5+4（CaO）=（CaO）4P2O5 由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣要好。 2）对熔池进行变质处理，改善焊缝凝固结晶、细化晶粒在焊接时选用含有（Mo、V、Ti稀土）等细化晶粒的焊接材料进行焊接。这种变质处理不仅可以提高焊缝金属的力学性能，还可提高抗结晶裂纹的能力。3）调整熔渣

29、的碱度，由上面可知焊接熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧越完全，其中杂质越少，越不易形成低熔点化合物，就可以显著降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。因此，在焊接中应选用碱性焊条或焊剂。2.从焊接工艺方面在焊接过程中，由于焊接头区域受不均匀加热和冷却作用使金属不能自由进行膨胀和收缩，就会产生焊接应力。钢板厚度越大，刚性越大，焊后产生的应力就越大，具体防止措施如下：1）选择合理的接头形式，主要是防止焊缝受应力方向与晶面垂直。因为接头形式不同将影响接头受力状态和热量分布，从而结晶裂纹的倾向就不同。表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂较高，熔深较大的对接和各种角接（包括搭接、型接头、外角接头）抗裂性能较差，因为这些

30、焊缝所承受的应力方向与结晶面垂直。2）选择合适的坡口形式，焊缝形状系数小窄焊缝时，柱状晶的交界在中心有较多的杂质聚集在中心线附近，形成中心线偏析容易产生结晶裂纹，宽焊缝杂质聚集在焊缝上部，一般可避免结晶裂纹。3）焊前预热，在厚板结构焊接时，可以在正火条件下进行预热处理使钢的化学成分均匀化，从而使其塑性和韧性提高。表44 不同环境温度下焊接16Mn钢焊件的预热温度工件厚度/mm40环境温度/低于10低于5低于0均匀预热预热温度/1001501001501001501001504）选择合理的焊接顺序，降低拘束应力。因为焊接顺序不同可能产生不同的结晶方向，在焊缝的纵向收缩和横向收缩比较自由的情况下，

31、使大多数焊缝能在较小的刚度下焊接，使焊缝受力较小。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。再结合表32 16Mn钢的力学性能可知：在产品尺寸一定时，合理安排焊接顺序对降低接头刚度、减小内变形有明显效果，从而可以有效防止结晶裂纹。5）从焊接工艺参数方面，选择合适的焊接工艺参数，在焊接时，焊缝承受拉伸应力所产生的变量为，瞬时应变量（应变率）为，根据热传理论学应变率可用下式表示：式中：焊缝金属的瞬时应变率； 自由线膨胀系数； 冷却速度然而若在厚大焊件焊缝变形与时间关系可知： （1）然而在焊接薄板时： （2）式中： 导热系数； 预热温度； 线能量； 层见温度； 焊接速度； 区间焊接功率由

32、（1）、（2）可知，在线能量不变的情况下若使产生结晶裂纹减小，即提高预热温度；若不变则减小裂纹倾向，使变小，即变大，又（式中有效系数），增加焊接电流能增加线能量降低产生结晶裂纹倾向。但是线能量过大使熔深增加会使近缝区的金属过热焊缝区晶粒长大，又会增加裂纹倾向，所以必须选择合适的工艺参数。6）调整冷却速度，冷速越高，变形增长率越大，结晶裂纹倾向越大。因此降低冷却速度可以减小结晶裂纹的倾向。降低冷却速度可以通过减小线能量和预热。预热则效果明显，但是结晶裂纹形成于固相线附近的高温，需用较高的预热温度才能降低高温的冷却速度，会恶化劳动条件。必须在适宜的预热温度条件下提高预热温度才能达到理想的效果。7）

33、焊后进行退火，16Mn钢焊接时，可以进行退火处理可以消除应力脆化，减小结晶裂纹倾向，防止产生裂纹。4.2 16Mn钢产生冷裂纹4.2.1 冷裂纹形成的原因钢种的淬硬倾向、焊缝接头含氢量其分布以及接头所承受拘束应力状态是16Mn钢产生冷裂纹的三大因素，但焊接工艺不当也易产生裂纹。1.钢种的淬硬倾向，由于钢的淬硬倾向越大，就容易产生裂纹。而16Mn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的加热温度很高（13501400）使奥氏体晶粒严重长大；快冷时，转变为粗大的马氏体性能更加脆硬且对氢脆比较敏感。除此外，马氏体的形态也对裂纹敏

34、感性有很大的影响。低碳马氏体呈板条状因它在Ms点较高转变后有自回火作用，因此有具有较高的强度和回火韧性，若冷却较快时就出现孪晶马氏体它的硬度很高性能很脆，对氢脆和裂纹敏感性强。马氏体是典型的淬硬组织，这是由于间隙原子的碳的过饱和使铁原子偏离平衡位置，晶格发生明显畸便所致。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高大13501400，使奥氏体晶粒严重长大；当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变成粗大的马氏体，硬脆的马氏体在断裂时所需的能量较低。因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。钢材的脆硬倾向越大，热影响区或焊缝冷却后得到脆性组织马氏体越多对冷裂纹就越敏感。脆硬倾向包括淬透性与淬硬性就是说

35、冷裂纹的倾向既处决于马氏体的数量，更处决于马氏体的本身的韧性。除马氏体的本身的脆性外，还与不平衡结晶所造成的较多的晶格缺陷有关。总之，在应力作用下会迁移、集中而形成裂源。裂源数量增多扩展所需能量越低，必然使冷裂纹敏感性明显增大，使16Mn钢就容易产生冷裂纹。2.氢的作用，在焊接中，氢在金属扩散是延迟裂纹产生的主要原因。16Mn钢在焊接时接头的含氢量越高并且还是通过三相应力集聚实现的，裂纹的敏感性就越大，就越容易产生延迟裂纹。氢含量在达到一定临界值时开始出现开裂，文献3中认为焊接高强度钢时了冷却至100，随附近时氢在某些部位产生聚集而引起开裂。随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率提高。下图（45

36、）为在电弧气氛中加入不同的氢试焊的结果，焊道下裂纹率随加氢量的增加而上升。在显微镜下观察弯曲试件的断裂情况时，还可以观察到在裂纹尖端附近还有气泡析出。扩散氢含量对还影响延迟裂纹延时的长短，扩散氢含量越高延时越短。氢在冷裂纹形成过程中的作用与其溶解和扩散规律有关。氢在金属中的溶解与扩散，溶解在液态的氢原子，在连续冷却凝固和发生固态相变时溶解度将发生突变（如下图46）。 图45 电弧气氛中含量对焊道下裂纹率的影响氢在相中的溶解度大大高于在相中的溶解度，在快冷时，就来不及在转变时析出，而以过饱和溶解的形式存在于相中。然而由于氢的扩散能力很强，随着时间的延长过饱和的氢将不断扩散，其中一部分扩散到金属外

37、部，另一部分则在金属内迁移。氢在不同的晶格结构中扩散能力不同，在相中的扩散能力比在相中高。因此，在发生转变时氢的溶解度突降，而散能力突升。 图46氢的溶解度H扩散系数D与晶体结构的关系焊缝金属结晶过程中氢的溶解与扩散。在焊接时，焊缝与母材的成分并不完全相同，为了防止焊缝中产生焊接缺陷应使焊缝金属的碳当量低于母材。3.拘束应力，焊接时拘束情况决定了焊接接头所处于的应力状态，从而产生延迟裂纹的敏感性。在焊接条件下主要存在不均匀加热和冷却过程引起的热应变，金属相变前后不同组织的物理性质（质量、体积、线膨胀系数、体积膨胀系数）变化引起阻相变应力。同时由自身拘束条件所造成的应力等在内。综合这些应力所产生

38、的力叫焊接拘束应力。焊接拘束应力的大小决定于拘束程度，可用拘束度来表示，它是一种衡量接头刚度的量。如下图47所示： 图47 拘束应力实验 式中： E母材金属的弹性模量（N/mm2） L拘束距离 l焊缝长度 拉伸拘束度N/（mm2）对于16Mn钢来说E为常数，在一定抗裂性试验中L为一定值，则只于板厚有关。增大，就使焊缝不能自由收缩而产生较大的拘束应力。所以增大，冷裂倾向势必增大，增大到一定值时就会产生裂纹。4.焊接工艺，16Mn钢在焊接过程中所采用的工艺如焊接材料、焊接线能量、焊前预热、后热、多层焊以及焊接顺序等对焊接冷裂纹的产生有影响。1）线能量，在一些结构的焊接中要严格地控制线能量，因为线能

39、量过大会引起近缝区晶粒粗大，降低接头抗裂性能；线能量过小又会使热影响区淬硬，也不会利于氢的逸出，故而就会增大了冷裂倾向，因而要选择合理的线能量。2）预热温度，预热可以有效的防止冷裂纹但预热温度过高，在局部加热的情况下，由于产生附加应力反而会促使产生冷裂，因此要选择合理的预热温度。3）后热，后热不及时无法使扩散氢充分逸出，没有消除残余应力，没有改善组织结构，淬硬性增大。4）多层焊，在多层焊焊接中，没有控制层间温度或后热温度没有及时使扩散氢逸出，而含氢量发生层层积累与此同时在多次加热的情况，会产生较大的残余应力，从而导致冷裂倾向反而增大。4.2.2防止冷裂纹的措施从上面对16Mn钢在焊接过程中产生

40、的冷裂纹主要是延迟裂纹等，那么对其防止产生这种裂纹的措施要结合产生原因进行分析应该从焊接工艺、焊接冶金、焊接力学等方面进行。1.从焊接工艺方面，防止冷裂纹就是要减少或控制组织硬化，由于16Mn钢的化学成分是一定的，即或CE一定的。限制组织硬化程度唯一的方法就是调整焊接条件以获得适宜的热循环。在焊接方法一定时，焊接热输入也不能随意变化，控制层见温度并且采取大电流低焊速等使冷却速度减小，防止产生非马氏体组织塑性组织，就能起到防止作用。1）预热温度，预热就是为了要消除应力，以减少焊件各部分温度差，降低焊后冷却速度以减少残余应力造成的冷裂纹倾向，从而减少并防止产生冷裂纹。 2）焊后后热，一般在焊接过程

41、中，焊后要进行紧急后热。可以使扩散氢充分逸出，这在一定程度上降低残余应力的作用，同时使焊缝缓慢冷却有利于改善晶粒大小，起到细化晶粒的作用，也可适当改善组织降低淬硬性。 2.从焊接冶金方面，主要是使焊接头在提高强度的同时保证有足够的韧性，降低硫、磷、氧的含量，增强其有抗裂能力。 1）选用优质的低氢焊接材料和低氢焊接方法，对于16Mn钢要选用强度匹配的焊条、焊丝和焊剂。还可采用奥氏体钢焊条进行焊接，因奥氏体膨胀系数大，热影响区在相变之前承受较大的拘束应力提高点的作用使马氏体自回火从而提高抗裂性。 2）严格控制氢的来源，即仔细烘干焊条、焊剂，注意环境温度：普通低氢焊条应在350，超低氢焊条应在400

42、450烘干2h,并应妥善保存。对焊丝与钢板坡口附近的油污等应仔细清理，对于熔炼焊应经过高温熔炼，故含水量较少，焊前一般在250烘干保温2h即可。3.从焊接力学方面，为改善接头的应力状态，合理的选择焊缝匹配，注意焊缝的分布位置和施焊顺序。采用低匹配焊缝即用抗裂性好的焊条作打底焊；内层采用与母材等强度的焊条或焊丝；而表层26采用稍低于母材焊条或焊丝，增加焊缝金属的塑性储备，降低焊接接头的拘束应力，提高抗裂性。4.3 16Mn钢产生层状撕裂在具有角接头或T字接头的厚板焊接的结构中，若钢才厚度方向承受叫较大拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。4.3.1 影响层状撕裂的因素 1.钢材性能

43、，在16Mn钢中,轧层上的夹杂形成层状撕裂的主要原因，钢中硫量越多，Z向拉伸时的延性就越低，层状撕裂就越大。非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的基本原因是造成钢的各向异性、力学性能差异的内在因素。钢中夹杂物一般常见的主要是硫化物和硅酸盐，而硫化物和硅酸盐都呈不规则的条形分布，对层状撕裂的敏感性稍大。2.Z向拘束应力，在厚壁结构的焊接过程中，承受不同程度Z向拘束应力和焊后的残余应力都是造成层状撕裂的力学条件。但是氢在焊接热影响区附近，由冷裂诱发也可能导致层状撕裂。除此外，热应变会引起母材发生脆化，造成金属塑性和韧性下降，从而也可能导致该部位产生层状撕裂。4.3.2 防止产生层状撕裂

44、的措施1.改善接头设计，减少拘束度或拘束应变的措施有将贯通板端部延长一定长度，有效地防止启裂；改变焊缝布置以改变焊缝收缩应力方向，将垂直通板改为水平贯通板，变更焊缝位置，使焊接接头总受力方向与轧层平行，可大大改善抗层状撕裂性能；改变坡口位置以改变方向，图中易产生层状撕裂的板件以表示，减小焊角尺寸以减小焊缝金属体积可以减少焊缝收缩应变。2.正确选用向钢，结构件可整体或部分选用向钢,无论管接头或板接头正处于角缝强烈作用的部分采用一段优质向钢，也可适应拘束度选用相应的向钢。如下表4-5所示：表中为立板板厚，为水平板厚,根据所选的焊接工艺及工件的要求参照表来选取合适的参数，能够防止层状撕裂的产生。3.改进焊接工艺，在焊接过程中选用低氢的焊接方法能够起到防止作用。如气体保护焊、埋弧焊冷裂纹倾向小有利于改善抗层状撕裂性能；采用低强组配的焊接材料，使焊缝金属具有低屈服点高延性时易使应变集中于焊缝而减轻母材热影响区的应变性能；焊接技术应用方面，采用表面隔离层堆焊，对称施焊使应边分布均衡，减少应变集中，减小的作用。采用适当小的热输入以减少热作用，从而减少收缩应变，但须防止产生冷裂纹。控制焊缝尺寸避免大的焊脚，采用小焊道多道焊。适当预热有利，但须防止因增大收缩应变还可采取中间退火。表45要求的与的关系接头形式（）形接头（不熔透）