焊接冷裂紋產生的原因及預防措施

鄭芬

摘 要：隨著中職類技能高考的推進，在2017年新增焊接專業(yè)的技能高考科目，其中在焊接質量評分中有一項是關于焊縫質量要求的標準，既焊縫不允許有裂紋，換句話說，當焊縫出現裂縫時，這一項就是零分。而在實際產品焊接技術要求中，焊縫也不得有裂紋產生，否則視為廢品。在此，討論在焊接過程中，焊縫裂紋產生的原因及對策，以預防學生在焊接過程中發(fā)生致命的焊縫缺陷。

關鍵詞：焊接裂紋;冷裂紋的特點;冷裂紋產生的原因;防止冷裂紋的措施

裂紋是焊接結構最危險的一種缺欠，不僅會使產品報廢，而且還可能引起嚴重的事故。在焊接生產中出現的裂紋形式是多種多樣的，有的裂紋出現在焊縫表面，肉眼就能觀察到;有的隱藏在焊縫內部，不通過無損檢測就不能發(fā)現。有的產生在焊縫中;則有的產生在熱影響區(qū)中。不論是在焊縫或熱影響區(qū)上的裂紋，平行于焊縫的稱為縱向裂紋，垂直于焊縫的稱為橫向裂紋，而產生的焊縫收弧弧坑處的裂紋稱為弧坑裂紋。根據裂紋產生的機理，我們把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂，本文主要討論的是焊接冷裂紋。

焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說，在Ms溫度即馬氏體轉變溫度以下）時產生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)，根據鋼材種類、含氫量、應力狀態(tài)和結構形式不同，冷裂紋可以分為延遲裂紋、淬火裂紋、低塑性脆化裂紋。

1 冷裂紋的特點

1）產生的溫度和時間。冷裂紋發(fā)生在焊接之后，一般溫度在Ar3以下的冷卻過程中或冷卻以后產生，形成裂紋的溫度約在200℃～300℃以下，即馬氏體轉變范圍。

冷裂紋可以在焊接后立即出現，但也有些可以延遲至幾小時、幾天、幾周甚至一、兩個月之后，這種冷裂紋又叫延遲裂紋。大的冷裂紋不是一下子生成的，它的生成規(guī)律是先發(fā)生幾處小的或顯微的裂紋，然后逐步向長度或深度上發(fā)展，幾個小裂紋陸續(xù)連接起來。某些焊接結構，當小裂紋發(fā)展到一定程度后，可能在瞬間內迅速擴大，引起結構整體的突然斷裂，甚至同時產生較大的聲響和機械振動。

2）產生的部位。冷裂紋大多數產生在母材或母材與焊縫交界的熔合線上，但也有可能產生在焊縫上。根據冷裂紋產生的部位有焊道下裂紋、焊趾裂紋、根部裂紋。

3）外觀特點。顯露在接頭金屬表面的冷裂紋，斷面上沒有明顯的氧化色彩，所以裂口發(fā)亮。

4）金相結構。冷裂紋一般為穿晶型裂紋，在少數情況下，也可能沿晶界發(fā)展。

2 冷裂紋產生的原因

1）淬硬傾向。焊接時，鋼的淬硬傾向越大，越易產生冷裂紋。因為淬硬傾向越大，就意味著得到更多的馬氏體組織，馬氏體是一種硬脆的組織，在一定的應變條件下，馬氏體由于變形能力低而容易發(fā)生脆性斷裂，形成裂紋。焊接接疛的淬硬傾向主要和鋼的化學成分、焊接工藝、結構板厚及冷卻條件有關。

2）氫的作用。焊接時，焊縫金屬吸收了較多的氫，由于焊縫冷卻速度很快，氫氣往往來不及全部析出，所以仍有一部分氫氣留在焊縫金屬內。在固體金屬中，氫在不同組織中的溶解度是不同的，氫在奧氏體中比在鐵素體中的溶解度大。由于焊縫金屬的含碳量低，冷卻過程中在較高溫度下奧氏體就開始析出鐵素體，也就是焊縫的組織轉變比熱影響區(qū)金屬早。而氫在鐵素體中的溶解度又比奧氏體小，故焊縫中就有氫析出，但氫在鐵素體中的擴散能力卻比較大。這些氫就擴散到近旁仍為奧氏體組織的熱影響區(qū)，使熱影響區(qū)的含氫量增加。在隨后的冷卻過程中，當熱影響區(qū)的奧氏體也析出鐵素體時，氫的溶解度降低，這樣就有相當多過剩的氫析出，聚集在熱影響區(qū)熔合線附近，形成一個富氫帶。如果焊接的是低合金高強度鋼，則奧氏體將轉變?yōu)轳R氏體。馬氏體和鐵素體一樣，氫的溶解度也比奧氏體小得多，所以在焊接接頭冷卻時，析出的氫就向周圍熱影響區(qū)擴散，待熱影響區(qū)轉變成馬氏體后，在熱影響區(qū)內就會聚集相當多的氫，達到過飽和狀態(tài)，當這里存在顯微缺欠，如原子空位、空穴等時，氫原子就在這些地方結合成分子狀態(tài)的氫，在局部地區(qū)造成很大的壓力，加上奧氏體組織在轉變?yōu)轳R氏體組織時，由于體積膨脹而產生的巨大組織應力，就促使鋼發(fā)生破壞，從而形成裂紋。

3）焊接應力。一是焊接接頭內部存在的應力，包括由于溫度分布不均造成的溫度應力和由于相變特別是馬氏體轉變形成的組織應力;二是外部應力，包括剛度約束條件、焊接結構的自重、工作載荷等引起的應力。

換言之，氫、淬硬組織和應力這三個因素是導致產生冷裂紋的主要原因，它們相互影響，相互促進，不過在不同情況下，三者中必有一種是更為主導的因素。例如一般低碳合金高強度鋼中，雖有高的淬透性，但低碳馬氏體組織對氫的敏感性不十分大，可是當含量達到一定數值時，仍產生了裂紋，此時冷裂紋的主要原因是氫。對于中碳高強度合金鋼，具有高的淬硬性，而淬硬組織有高的氫脆敏感性，此時的主要原因為淬硬組織。又如焊根有未焊透或咬邊等缺欠，以及余高截面變化很大，存在較高的應力集中區(qū)，則應力就成為主要矛盾。

3 防止冷裂紋的措施

1）冶金措施。（1）選用堿性低氫型焊條。以減少帶入焊縫中的含氫量。（2）選用奧氏體焊條。對于高強度鋼，可采用不銹鋼焊芯或者用奧氏體鎳基合金等焊條或焊絲，這些合金的塑性比較好，可抵消馬氏體轉變時造成的一部分應力。另一方面氫在奧氏體中溶解度較高，擴散速度慢，故氫不易向熱影響區(qū)擴散聚集。

2）工藝措施。（1）焊前預熱。在材料淬硬傾向大，鋼板厚度大，氣溫低等條件下，采取焊前預熱或者一邊焊接一邊補充加熱的方法，是防止冷裂紋的有效措施。預熱可以是整個焊件總體加熱，也可以是焊縫附近局部加熱。預熱的作用在于通過減緩冷卻速度，改善接頭的顯微組織，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高塑性，并使焊縫中的氫加速向外擴散。預熱也可以起到減少一些焊接應力的作用。（2）選用適當的焊接參數。適當減慢焊接速度，使焊接接頭的冷卻速度慢一些，對防止產生冷裂紋是有利的。焊接速度過大，焊接接頭冷卻速度高，容易產生淬火組織;焊接速度過小，熱影響區(qū)過熱厲害，晶粒粗大，而粗大的晶粒會增加金屬淬火的傾向。同樣，由于熱影響區(qū)增大而淬火區(qū)加寬，這都將促使冷裂紋的產生。因此焊接參數應選得合適。（3）采用減少氫的工藝措施。減少焊縫金屬中氫的含量，熱影響區(qū)的冷裂傾向可大為減輕。例如焊條、焊劑嚴格烘干，隨用隨取;仔細清理坡口，去油除銹，防止環(huán)境中的水分帶入焊縫;正確選擇電源與極性，注意操作方法等。（4）后熱。焊接后立即對焊件的全部或局部進行加熱或保溫，以使其緩冷的工藝措施稱為后熱，又稱消氫處理。后熱主要是使擴散氫能充分從焊縫中逸出，對于防止延遲裂紋的產生有明顯的效果。（5）采用合理的裝焊順序。采用合理的裝焊順序、焊接順序、焊接方向等，可以改善焊件的應力狀態(tài)。（6）焊后熱處理。焊件在焊后及時進行熱處理，例如高溫回火，可以改善接頭的組織和性能，可以使氫擴散排出，也可以減少焊接應力。

參考文獻

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