焊接冷裂紋產(chǎn)生原因及防止措施

【摘要】本文主要分析了焊接冷裂紋產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，并根據(jù)分析依據(jù)制定出防止產(chǎn)生裂紋的措施。

【關(guān)鍵詞】焊接冷裂紋；產(chǎn)生原因；防止措施

隨著鋼鐵、石油化工、電力等工業(yè)的發(fā)展，在焊接結(jié)構(gòu)方面都取向大型化、大容量和高參數(shù)的方向發(fā)展，有的還在低溫、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下工作，因此，各種低合金、高強(qiáng)鋼、中高合金鋼、超高強(qiáng)鋼，以及各種合金材料的應(yīng)用日益廣泛。但是隨著這些鋼種和合金材料的應(yīng)用，在焊接生產(chǎn)上帶來了許多新問題，其中較為普遍而又十分嚴(yán)重的就是焊接裂紋。焊接裂紋不僅給生產(chǎn)帶來許多困難，造成停產(chǎn)、停工，而且可能帶來災(zāi)難性的事故。世界上好多焊接結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)各種事故中，除少數(shù)是由于設(shè)計不當(dāng)、選材不合理和運行操作上的問題之外，絕大多數(shù)是由裂紋而引起的脆性破壞，因此，裂紋是引起焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞事故的主要原因。為了能有效的減少由于焊接裂紋引起的事故，保障安全生產(chǎn)，保障生命財產(chǎn)，很有必要對焊接裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并制定出防止產(chǎn)生裂紋的措施。

一、焊接裂紋的分類

在焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)的類型不同，可能出現(xiàn)各種裂紋，裂紋的形態(tài)和分布特征都是很復(fù)雜的，有焊縫的表面、內(nèi)部裂紋，有熱影響區(qū)的橫向、縱向裂紋，有焊縫和焊道下的深埋裂紋，也有在弧坑處出現(xiàn)的弧坑裂紋。如果按產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來分，可分為：熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂、應(yīng)力腐蝕裂紋五大類。在這里我們將對冷裂紋進(jìn)行討論、分析。

二、焊接冷裂紋形成機(jī)理與影響因素

（一）焊接冷裂紋的形成機(jī)理

大量實踐和理論研究證明，鋼種的淬硬傾向，焊接接頭含氫量及其分布，以及接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。

高強(qiáng)鋼在淬硬時，特別是在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，當(dāng)快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，從金屬強(qiáng)度理論可以知道，馬氏體是一種脆硬的組織，發(fā)生斷裂時將消耗較低的能量，因此，焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋易于形成和擴(kuò)展。另外，在焊接過程中，由于熱源的高溫作用，焊縫金屬中溶解了很多的氫，當(dāng)焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體等組織時，氫的溶解度突然下降，而氫在鐵素體、珠光體中的擴(kuò)散速度很快，因此氫就很快地從焊縫越過熔合線向未發(fā)生分解的奧氏體熱影響區(qū)擴(kuò)散。由于氫在奧氏體中的擴(kuò)散速度較小，不能很快把氫擴(kuò)散到距熔合線較遠(yuǎn)的母材中去，因而在熔合線附近就形成了富氫地帶。當(dāng)滯后相變的熱影響區(qū)由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時，氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使這個地區(qū)進(jìn)一步脆化。如果這個部位有缺陷，并且氫的濃度足夠高時，就可能產(chǎn)生裂紋。其次，在焊接過程中，由于焊接接頭存在較大的拘束應(yīng)力，如果拘束應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)接頭的臨界應(yīng)力，就會產(chǎn)生裂紋。

（二）冷裂紋的影響因素

焊接生產(chǎn)中影響冷裂紋的因素很多，也很復(fù)雜，但主要有以下幾方面的影響因素。

1、鋼種的化學(xué)成分。鋼種的化學(xué)成分對冷裂紋影響十分，一般來講，我們根據(jù)碳當(dāng)量來判斷鋼種的冷裂敏感性，碳當(dāng)量越大，鋼種的冷裂敏感越強(qiáng)，而越易產(chǎn)生冷裂紋。

2、拘束應(yīng)力的影響。焊接結(jié)構(gòu)的類型很多，如球型罐、橋梁、工藝管線等，而每種結(jié)構(gòu)又有不同的板厚，破口型式和焊縫位置，這些都會在焊接時產(chǎn)生不同的拘束應(yīng)力，因而就直接影響到焊接接頭的裂紋傾向，一般來講，板厚越大，所造成的拘束度也越大，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的傾向也就越大。

3、氫的有害影響。由于在焊接過程中，焊縫中溶解了大量的氫，如果在冷卻過程中，需在根部有塑性應(yīng)變的部位發(fā)生氫的聚集，使這個部位達(dá)到臨界的氫濃度，由于焊根有應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的應(yīng)變，造成位錯密布，使氫聚的濃度也有所增高。特別是采用硬質(zhì)焊縫的高匹配時，焊根氫濃度聚集嚴(yán)重，根據(jù)前面已論述氫的有害性可知，同樣導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

4、焊接工藝對冷裂紋的影響。在施工中所采用的焊接工藝，如焊接線能量，焊前預(yù)熱等對冷裂的敏感性均有不同程度的影響。

焊熱線能量過大，會引起熱影響區(qū)過熱使晶粒粗大，這樣會降低接頭的抗裂性能，線能量過小，由于降低冷卻時間，會使熱影響區(qū)淬硬，也會不利于氫的逸出，故而也增加了冷裂傾向。合理的預(yù)熱可以有效地防止冷裂紋，如果預(yù)熱溫度過高，一方面惡化了勞動條件，另一方面在局部預(yù)熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而會加劇產(chǎn)生冷裂，因此，不是預(yù)熱溫度越高越好。

三、冷裂紋的防止措施

冷裂紋的防止措施也是從冶金方面和工藝兩方面來采取措施。

（一）冶金方面

1、選用優(yōu)質(zhì)的低氫焊接材料和低氫的焊接工藝是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。因為這樣可以大大減少焊縫中氫的含量，從而減少氫致裂紋。此外，采用低匹配的焊條對于防止冷裂紋也是有效的。例如制造一些高強(qiáng)鋼球形容器，內(nèi)層采用與母材等強(qiáng)焊條，而表層2—6mm的厚度采用稍低于母材強(qiáng)度的焊條，增加焊縫金屬的塑性儲備，降低焊接接頭的拘束應(yīng)力，從而提高了抗裂性能，采用CO2氣體保護(hù)焊也可獲得低氫焊縫。

2、嚴(yán)格控制氫的來源是降氫的可靠途徑，因為采用低氫焊接材料或低氫焊接手法還不能保證獲得低氫焊縫，還要仔細(xì)烘干焊條、焊劑，注意環(huán)境溫度，普通低氫焊條應(yīng)在350攝氏度，超低氫焊條應(yīng)在400—450攝氏度保溫2h，并應(yīng)妥善保存，最好在保溫箱（筒）內(nèi)存放，隨用隨取，以防吸潮。此外還對焊絲、鋼板坡口附近的鐵銹、油污等應(yīng)仔細(xì)清理。對于熔煉焊劑，由于經(jīng)過高溫熔煉，所以含水分極少，焊前一般250攝氏度烘干并保溫2h即可。

3、適當(dāng)加入某些合金元素，提高焊縫金屬的韌性，也可防止冷裂紋產(chǎn)生，例如鈦硼、 釩、硒、碲、稀土等韌化焊縫的元素，因為在拘束應(yīng)力的作用下，利用焊縫的塑性儲備，減輕了熱影響區(qū)負(fù)擔(dān)，從而使這個焊接接頭降低冷裂紋敏感性。另外，采用奧氏體焊條焊接某些淬硬傾向較大的低中合金高強(qiáng)鋼，也能很好的避免冷裂紋。因為奧氏體塑性好，可減緩拘束應(yīng)力，同時奧氏體焊縫可以溶解較多的氫，從而降低了熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的危險性。

（二）工藝方面

焊接工藝方面一般包括正確制定施工程序，選擇焊接線能量，預(yù)熱溫度，焊后后熱以及焊后熱處理等，為改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)合理地分布焊縫的位置和施焊的順序。另外采用多層焊能改善焊縫和熱影響區(qū)的組織，但是多層焊層間溫度應(yīng)不低于預(yù)熱溫度，如果層間溫度過低，也同樣會產(chǎn)生冷裂紋。

四、結(jié)論

通過以上分析和討論，只要我們在設(shè)計和施工過程中，認(rèn)真選材，科學(xué)制定施工程序，在很大程度上可以有效的防止焊接裂紋的產(chǎn)生，從而可以防止由于焊接裂紋而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]《實用焊接技術(shù)手冊》，2002年9月，河北科學(xué)技術(shù)出版社

[2]《焊接手冊》，2001年7月 機(jī)械工業(yè)出版社

[3]《焊接技師手冊、金屬管道焊接工藝手冊》，2005年1月，機(jī)械工業(yè)出版社

[4]《焊接原理》，機(jī)械工業(yè)出版社

[5]《焊接冶金學(xué)》2002年1月，機(jī)械工業(yè)出版社