焊接裂紋形成的原因及防止措施

劉成國(guó)

摘要：當(dāng)前，我國(guó)工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，焊接作為一門重要的金屬加工工藝，在機(jī)械、石油、化工、建筑、交通、礦山等各行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。焊接是生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須保證其質(zhì)量可靠，進(jìn)而提高安全性，促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展。焊接缺陷是生產(chǎn)中極為不利的因素，為提高焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的可靠性，應(yīng)該避免在焊接接頭中產(chǎn)生裂紋。基于此，本文對(duì)焊接裂紋形成的原因及防止措施進(jìn)行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：焊接裂紋；形成原因；防止措施

1、引言

在焊接應(yīng)力及其他致脆因素的作用下，焊接接頭中局部區(qū)域因開(kāi)裂而產(chǎn)生的縫隙稱為焊接裂紋。在焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋形式是多種多樣的，根據(jù)裂紋產(chǎn)生的情況，可把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂。裂紋是焊接結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的一種缺陷，不僅會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢，而且還可能引起嚴(yán)重的事故。所以如何避免裂紋的產(chǎn)生是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。本文主要討論焊接裂紋形成的原因及防止措施。

2、焊接裂紋的分類

通常焊接裂紋可以分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、和層狀撕裂四類。

首先是熱裂紋，當(dāng)焊接焊縫凝固時(shí)，在高溫區(qū)域，會(huì)沿著奧氏體品界面開(kāi)裂，形成熱袋紋，其特點(diǎn)是在焊接完成之后，就可以明顯的觀察到裂紋，同時(shí)經(jīng)常發(fā)生在焊縫中心位置，沿著焊縫長(zhǎng)度方向分布。其次是冷裂紋，冷裂紋是在焊后較低的溫度下產(chǎn)生的，焊接中碳鋼、高碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、某些超高強(qiáng)度鋼、工具鋼、鈦合金等材料時(shí)容易出現(xiàn)這種缺陷。冷裂紋經(jīng)常產(chǎn)生在熱影響區(qū)，有時(shí)也產(chǎn)生在焊縫金屬中。冷裂紋的特征是穿過(guò)晶粒內(nèi)部開(kāi)裂，裂紋斷面上沒(méi)有明顯的氧化色彩，斷口發(fā)亮。再者是再熱裂紋，焊件焊后在一點(diǎn)溫度范圍再次加熱（進(jìn)行消除熱應(yīng)力熱處理）時(shí)，由于高溫及殘余應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的晶間裂紋，叫做再熱裂紋，又叫消除應(yīng)力裂紋（國(guó)外簡(jiǎn)稱“SR”裂紋）。最后是層狀裂紋，這是冷裂紋的一種特殊形式。在大型焊接結(jié)構(gòu)中，往往采用30～100mm甚至更厚的軋制鋼材，軋制鋼材中的硫化物、氧化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物，平行于鋼板表面，片狀分布在鋼板中。在沿焊件厚度方向的應(yīng)力（包括焊接應(yīng)力）作用下，夾雜物界面就會(huì)開(kāi)裂，從而在焊接熱影響區(qū)及其附近的母材上，或遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材上，就會(huì)出現(xiàn)具有階梯狀的裂紋，這種裂紋就是層狀裂紋。層狀撕裂經(jīng)常產(chǎn)生在T形接頭、十字接頭和角接接頭的熱影響區(qū)中。

此外，需要特別強(qiáng)調(diào)的是，焊接裂紋有時(shí)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生，有時(shí)是放置一段時(shí)間后才出現(xiàn)的，也就是我們平時(shí)說(shuō)的延遲裂紋，這種延時(shí)出現(xiàn)的列為在生產(chǎn)中無(wú)法檢測(cè)，所以其危害更加嚴(yán)重，在時(shí)間的生產(chǎn)中對(duì)此也要有足夠的重視。

3、焊接裂紋形成的原因

3.1焊鋼的淬硬性

如果所要焊接的鋼材是淬透性較強(qiáng)的鋼材，在焊接完成后，其焊縫淬硬現(xiàn)象更加的嚴(yán)重，通過(guò)焊縫處的觀察可以看到，在焊縫以及和接近焊縫的地方，其焊接的硬度較高，通常在焊縫的周圍全部或者部分產(chǎn)生馬氏體組織，因此在焊縫根部的缺口位置則應(yīng)力較為集中，從而產(chǎn)生了焊縫出現(xiàn)了縱向的裂紋。

3.2氫的影響

氫對(duì)冷裂紋的影響是明顯的。焊縫氫含量越高，裂紋的傾向就越大。焊接區(qū)擴(kuò)散氫對(duì)焊接裂紋有直接的影響，因?yàn)闅涞臄U(kuò)散性很強(qiáng)。例如某產(chǎn)品選用的E4303焊條，屬鈦鈣型焊條，脫硫、磷能力差。另外，焊條的烘干溫度不夠。焊接時(shí)，焊條中的水份、電弧周圍的水蒸氣和母材表面的鐵銹和油污等，都是氫的來(lái)源。在電弧高溫氣氛下，電弧中的溶滴和熔池從周圍氣氛中吸取氫，大量的氫溶解在熔池中。當(dāng)熔池金屬冷卻結(jié)晶時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，珠光體和馬氏體，引起氫的溶解度急劇降低。此時(shí)，氫來(lái)不及逸出熔池表面而殘存在焊縫中，氫向含量較小的焊縫中的熱影響區(qū)母材側(cè)擴(kuò)散，在熔合區(qū)的未混合區(qū)及半熔合區(qū)的液化了的晶界上，或形成的馬氏體的晶界上，成為殘余氫。當(dāng)焊接接頭冷卻到室溫附近時(shí)，這些殘余氫便在三晶粒頂角的晶界部積累，形成微裂紋。當(dāng)構(gòu)件在受到外力的情況下，微裂紋便會(huì)迅速擴(kuò)散，最后導(dǎo)致焊接接頭脆性斷裂。

3.3焊縫根部塑性的影響

焊縫根部的塑形直接影響到焊縫的抗裂性能，如果焊縫中的合金成分不合理，就會(huì)降低焊縫的塑形和強(qiáng)度，大大增加了出現(xiàn)焊接裂紋的概率，同時(shí)也影響了焊縫的機(jī)械性能。因此在選擇焊接材料時(shí)，要保證其合金金屬填充合理，避免焊縫根部塑形的降低。

3.4應(yīng)力條件的影響

焊縫和熱影區(qū)在不均勻加熱和冷卻時(shí)，除了溫度降低引起的體積收縮之外，固態(tài)組織轉(zhuǎn)變也要引起體積變化。當(dāng)奧氏體分解轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體和魏氏體等組織時(shí)都要引起體積膨脹，而轉(zhuǎn)變后的這些組織的膨脹系數(shù)也降低，引起了局部體積變化。奧氏體分解時(shí)的體積膨脹并不是自由的，而受周圍金屬的拘束，結(jié)果造成內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于鑄鋼和中碳鋼，焊后冷卻到200～350℃時(shí)才發(fā)生奧氏體分解，轉(zhuǎn)變生成馬氏體，這時(shí)鋼的塑性已經(jīng)很低，屈服極限很高，就會(huì)造成很大的內(nèi)應(yīng)力，而馬氏體既硬又脆，很容易在淬火區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。焊接時(shí)，焊件是放入夾具中進(jìn)行焊接的，冷卻時(shí)，構(gòu)件由于受到夾具的約束而不能自由收縮，焊接應(yīng)力無(wú)法釋放。當(dāng)構(gòu)件冷卻后取下夾具，存在結(jié)構(gòu)中的橫向拉應(yīng)力使冷裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，加速構(gòu)件焊接接頭的破壞。如自身拘束應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生裂紋。鑄鋼和45#鋼焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋，能使焊縫出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，而裂紋的尖端應(yīng)力集中，在承受交變或沖擊載荷時(shí)，會(huì)使裂紋迅速擴(kuò)展，最后導(dǎo)致焊接接頭斷裂。

3.5造成焊接裂紋的其他原因

焊接裂紋的產(chǎn)生除了工藝和材料方面的原因，人為因素和環(huán)境條件也是出現(xiàn)焊接裂紋的重要原因。例如在焊接過(guò)程中，部分施工人員對(duì)于焊縫裂紋的重視程度不夠，其制定的焊接標(biāo)準(zhǔn)較低，不能滿足工程需要的焊接要求，很容易的產(chǎn)生了較多的裂紋。同時(shí)部分施工人員沒(méi)有能嚴(yán)格的按照焊接操作流程，造成了焊接的質(zhì)量較差，而在施工過(guò)程中也沒(méi)有相應(yīng)的專業(yè)指導(dǎo)，從而造成了質(zhì)量監(jiān)督的不嚴(yán)。此外部分施工現(xiàn)場(chǎng)較亂，也存在著組織管理和人員素質(zhì)的問(wèn)題，從而造成了焊接裂縫的出現(xiàn)。

4、防止焊接裂紋的措施

4.1防止產(chǎn)生熱裂紋的措施

①限制鋼材及焊接材料中易偏析的元素和有害雜質(zhì)的含量，應(yīng)盡量減少硫、磷的含量。②降低焊縫的含碳量，使其小于0.15%時(shí)，產(chǎn)生熱裂紋的傾向比較小。③調(diào)整焊縫金屬的化學(xué)成分，以改善焊縫組織，細(xì)化焊縫晶粒，減少或分散偏析雜質(zhì)，控制低熔點(diǎn)、共晶的有害影響。④提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質(zhì)含量，改善偏析程度。⑤控制焊接規(guī)范，適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)，采用多層多道焊法，焊前預(yù)熱和焊后緩冷，防止在焊縫中心線處產(chǎn)生裂紋。⑥正確選用焊接接頭形式。接頭形式不同，其剛性大小、散熱條件、結(jié)晶特點(diǎn)都不同，因而產(chǎn)生熱裂紋的傾向也不一樣。⑦合理安排焊接次序，盡量使大多數(shù)焊縫在較小的剛度下焊接，使各條焊縫都有收縮的可能。⑧焊縫焊完時(shí)，采用電弧引出板，或用斷續(xù)弧填滿弧坑，都可以減少弧坑裂紋。

4.2防止產(chǎn)生冷裂紋的措施

焊前預(yù)熱與焊后緩冷：經(jīng)過(guò)預(yù)熱來(lái)減少因溫差大而產(chǎn)生出的應(yīng)力，使冷卻的速度得到緩解，顯微組織得到改進(jìn)。焊后緩冷則可以有效減緩焊接熱影響區(qū)的硬度與脆性，塑性得到提高，接頭中的氫得以加速擴(kuò)散出去。①采用減少氫的工藝措施：焊前將焊條、焊劑烘干；正確選擇電源與極性；注意操作方法；②合理選用焊接材料：為了盡量減少焊接時(shí)帶入焊縫中的氫含量，選擇焊條時(shí)，應(yīng)選擇堿性低氫型的焊條；③采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)：可對(duì)焊接速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，必要時(shí)，應(yīng)把速度放慢，以減緩焊接接頭冷卻速時(shí)間。焊接時(shí)如果速度過(guò)快，很容易發(fā)生淬火組織；過(guò)低，晶粒粗大，淬火區(qū)加寬。兩者都將產(chǎn)生焊接冷裂紋；④選用合理的裝焊順序，可改善焊件的應(yīng)力狀態(tài)；⑤進(jìn)行焊后熱處理：可采用高溫回火及改善接頭組織及性能等，以便氫的排出及減少焊接應(yīng)力。

4.3防止產(chǎn)生再熱裂紋的措施

①控制母材及焊縫金屬的化學(xué)成分，適當(dāng)調(diào)整對(duì)再熱裂紋影響最大因素的含量。②選擇抵抗再熱裂紋能力高的焊接材料，提高焊縫金屬在消除應(yīng)力處理方面的塑性。③減少接頭剛性和應(yīng)力集中的可能，將焊縫及其與母材交界處打磨光滑。④選用大規(guī)范、高線能量進(jìn)行焊接。⑤消除應(yīng)力回火處理時(shí)應(yīng)避開(kāi)產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度區(qū)。

4.4防止產(chǎn)生層狀撕裂的措施

層狀撕裂一般有三種類型：第一類是焊跟或焊趾處引的層狀撕裂；第二類是夾雜物為裂紋源并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展的層狀撕裂；第三類是遠(yuǎn)離熱影響區(qū)，在板厚中央部位的層狀撕裂。防止措施：針對(duì)第一類：降低鋼材焊接冷裂敏感性；降低鋼材的含硫量，選用精煉的抗層狀撕裂用鋼；防止角變形，改善接頭形式及破口形狀，從而防止應(yīng)力應(yīng)變集中；降低焊縫中的含氫量。針對(duì)第二類：降低鋼中硫、氧、硅、鋁等的含量，并在鋼中加入稀土元素；改善鋼材的軋制條件和熱處理；緩和外部的Z向拘束；提高焊接金屬塑性并降低氫量。針對(duì)第三類：選用耐層狀撕裂用鋼；軋制鋼板端面機(jī)加工及仔細(xì)裝配；改善接頭形式及破口形狀；預(yù)堆焊層。

5、結(jié)束語(yǔ)

焊接質(zhì)量直接決定了工程的質(zhì)量，但是在焊接施工中，經(jīng)常出現(xiàn)較多的焊接裂紋，因此要詳細(xì)分析出現(xiàn)焊接裂紋的原因，并通過(guò)嚴(yán)格的控制與管理，減少焊接裂紋的出現(xiàn)，提高工程的質(zhì)量。此外，工作業(yè)人員在實(shí)際工作中要注意積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

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（作者單位：神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心）