常見(jiàn)焊接裂紋成因及防治策略研究

【摘要】焊接中最危險(xiǎn)的缺陷就是裂紋，裂紋末端尖銳，裂紋使應(yīng)力顯著提高。通常焊接裂紋不是有焊工違規(guī)操作造成，多數(shù)焊接裂紋是由不合適的焊接工藝規(guī)程所引起。在實(shí)際的焊接操作過(guò)程中，焊接工程質(zhì)量始終與焊接缺陷有聯(lián)系。焊接裂紋的出現(xiàn)往往會(huì)給焊接工程造成嚴(yán)重后果。本文主要分析常見(jiàn)焊接裂紋的成因，提出防治措施。

【關(guān)鍵詞】焊接缺陷；焊接裂紋；防治策略

1、常見(jiàn)焊接裂紋的原因分析

1.1結(jié)晶裂紋。通常焊接裂紋的出現(xiàn)多是由于焊接材質(zhì)的金屬純度不同，純金屬和雜質(zhì)的結(jié)晶熔點(diǎn)溫度不同，在焊接時(shí)，低熔點(diǎn)的雜質(zhì)很易形成結(jié)晶外“液態(tài)薄膜”，進(jìn)而導(dǎo)致晶體之間的結(jié)合力出現(xiàn)差別，便形成了晶粒間的薄弱地帶。并且在焊縫金屬的結(jié)晶同時(shí)，體積減小，周?chē)饘俚募s束引起它的收縮而引起焊縫金屬收到拉伸力的作用下產(chǎn)生拉伸變形，此時(shí)，若此變形的拉伸力超出了晶粒邊界的承受范圍，就會(huì)出現(xiàn)裂紋。所以說(shuō)，形成結(jié)晶裂紋的原因一是液態(tài)薄膜的存在，二是焊接凝固過(guò)程中受到的拉伸力的共同作用。

1.2液化裂紋。本質(zhì)上來(lái)將，液化裂紋的形成因素也是合金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果。在合金進(jìn)行焊接時(shí)，近縫區(qū)金屬或焊縫層間金屬，奧氏體晶界上低熔共晶組成物在焊接高溫的影響下重新融化，經(jīng)拉伸力作用而開(kāi)裂，從而形成液化裂紋。另外，由于合金的熔點(diǎn)不同，在不均衡的溫度下，金屬間化合物分解和元素?cái)U(kuò)散，造成局部共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，也會(huì)形成液化裂紋。

1.3多邊化裂紋。這種焊縫多出現(xiàn)在多層焊接的近縫區(qū)金屬中，其形成的最主要因素就是反復(fù)的加熱和冷卻，并且多邊化裂紋多呈現(xiàn)超微觀裂紋的形式。多邊化裂紋的形成原因一方面從力學(xué)角度分析，因合金經(jīng)反復(fù)加熱和冷卻，金屬受到反復(fù)和復(fù)雜的拉伸力，其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，且變化頻率大，使結(jié)晶過(guò)程中存在足夠高的應(yīng)變速率。另一方面從冶金的因素分析，焊接金屬在結(jié)晶前沿下的固態(tài)金屬中的大量點(diǎn)陣缺陷，在經(jīng)受快速的溫度變化時(shí)，被保留在焊縫金屬內(nèi)。在快速的高溫和冷卻過(guò)程中，這些缺陷由高能部位向低能部位轉(zhuǎn)移和聚變，進(jìn)而形成穩(wěn)定的亞結(jié)構(gòu)，這就形成了多變化裂紋。

1.4冷裂紋。相對(duì)于其他焊接裂紋缺陷，在實(shí)踐工作中，延遲裂紋是最經(jīng)常遇見(jiàn)的。通常高強(qiáng)鋼焊接產(chǎn)生延遲的原因主要有：（一）鋼種的淬硬傾向，焊接接頭的化學(xué)成分是最主要的影響因素，其次比如結(jié)構(gòu)板的厚度、焊接工藝、冷卻條件等都是影響淬硬傾向的因素；（二）焊接接頭的含氫量以及分布，經(jīng)研究和實(shí)踐證明，焊接件產(chǎn)生延遲裂紋的最主要因素就是氫，并且隨著含氫量的增加，其產(chǎn)生延遲裂紋的傾向也越大，當(dāng)含氫量達(dá)到某一臨界值時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。因此延遲裂紋的大小和數(shù)量是和含氫量成正比的。（三）焊接結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力狀態(tài)，熱應(yīng)力、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力是焊接時(shí)焊接區(qū)存在的主要應(yīng)力，另外在焊接完成之后，還存在一定程度的殘余應(yīng)力。由于焊接接頭存在氫，氫會(huì)在應(yīng)力的作用下，在高溫條件下聚集產(chǎn)生氫致裂紋。

1.5再熱裂紋。就目前而言，無(wú)論從研究角度還是從時(shí)間角度來(lái)講，形成再熱裂紋的機(jī)理并不明確。從晶內(nèi)二次硬化、晶界雜質(zhì)和析集和蠕變脆化的觀點(diǎn)只能解釋再熱裂紋的某些特征，并不能完全解釋其具體機(jī)理和完全原因。

2、焊接裂縫的防治措施

2.1防止結(jié)晶裂紋的措施

冶金和焊接工藝是結(jié)晶焊縫出現(xiàn)的兩個(gè)主要因素，因此需要從這兩個(gè)方面來(lái)著手防治結(jié)晶裂紋的出現(xiàn)，其中冶金措施更為重要。從冶金控制角度分析，主要措施有：（一）嚴(yán)格控制焊縫中硫、磷、碳等有害元素的含量，從來(lái)源上直接切斷，比如選擇強(qiáng)度級(jí)別較高的鋼構(gòu)、謹(jǐn)慎選擇焊絲用鋼、焊劑等；（二）對(duì)熔池進(jìn)行變質(zhì)處理，此方式主要從力學(xué)角度防治，手段是變質(zhì)處理細(xì)化晶粒；（三）調(diào)質(zhì)熔渣的堿度，其本質(zhì)是通過(guò)提升堿度，減低雜質(zhì)，進(jìn)而減低低熔點(diǎn)化合物的形成量。從焊接工藝角度來(lái)分析，其主要措施有：調(diào)整焊接參數(shù)、調(diào)整冷卻速度、調(diào)整焊接順序等。

2.2防止液化裂紋的措施

在選用焊接母材時(shí)，盡量選用液化裂紋敏感性較低的母材，比如材質(zhì)中碳、硫、磷、鎳等含量較低，并且Mn/S值較高的母材。對(duì)焊鎳的合金鋼，如14Cr2Ni4MoV鋼，可選擇電爐煉，這樣使合金純度較高，基本上可以杜絕液化裂紋。

在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，減小焊縫的凹度可以有效的防止液化裂紋的產(chǎn)生，具體操作是，通過(guò)調(diào)整焊接的方法和焊接參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如采用焊條電弧蓋面或焊絲傾斜等方法。

減小母材的過(guò)熱可以一定程度降低液化裂紋的發(fā)生，所以在選擇母材時(shí)，采用較小的線能量。減小線能力知識(shí)輔助措施，要從根本上防止液化裂紋，需減小焊縫凹度和提高母材純度相輔助結(jié)合的方式。

2.3多邊化裂紋的防止措施

從力學(xué)、冶金和溫度因素采取一定措施，可以有效防止多邊化裂紋。鑒于多邊化是一個(gè)擴(kuò)散的過(guò)程，擴(kuò)散過(guò)程需要時(shí)間，對(duì)于多邊化裂紋形成，是晶格缺陷移動(dòng)和聚集的原因，因此，減緩晶格缺陷移動(dòng)可以防止多邊化，比如像焊縫金屬中加入Mo、W、Ta等。另外選擇雙向金屬作為焊接金屬亦可防止多邊化。另外，減少應(yīng)力作用和降低焊接金屬焊區(qū)的溫度同樣可以起到降低多邊化裂紋的產(chǎn)生。

2.4冷裂紋的防止措施

防止焊接冷裂紋的措施需從產(chǎn)生的影響因素角度考慮，因此，選用優(yōu)質(zhì)的低氫焊接材料和低氫的焊接工藝是采取措施的出發(fā)點(diǎn)，也是最有效的措施之一。另外降低氫含量并不能杜絕冷裂紋，還需從焊條的烘干、環(huán)境的溫濕度、油污等細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。在焊接金屬中加入提高其韌性的合金元素也可防止冷裂紋。

2.5再熱裂紋的控制措施

最根本的措施是選用再熱裂紋敏感性小的母材，另外應(yīng)力較為集中的結(jié)構(gòu)需避免使用，避免夾渣、未焊透等情況的出現(xiàn)。再設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，選擇高溫度低于母材的焊縫，提高預(yù)熱溫度，焊后采用緩冷方法，采用低強(qiáng)度高速型焊縫蓋面等措施都可有效防止再熱裂紋的出現(xiàn)。