電力鐵塔重要構(gòu)件焊接裂紋成因分析研究

葉德生

（中電建成都鐵塔有限公司，四川 成都 610213）

1 焊接裂紋產(chǎn)生綜述

在某批次電力鐵塔Q345B材質(zhì)十字連接板使用E501T-1焊絲組焊完成后，發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件焊縫表面有細微裂紋，裂紋呈短節(jié)不連續(xù)。為了查明原因，以便于后續(xù)處理，同時也為了避免出現(xiàn)同樣問題而采取相應(yīng)措施，對Q345B鋼十字交叉焊縫焊接裂紋原因進行分析。從出現(xiàn)裂紋的鋼板中截取試樣，如圖1所示。

圖1 裂紋試件取樣實物圖

為了分析真正原因，同時判斷該裂紋是否為冷裂紋，本文主要對母材及焊材成分、焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織、焊接接頭成型與硬度等三個方面進行分析和研究。

2 母材及焊材成分檢測

母材及焊材的匹配程度是影響焊縫質(zhì)量的一個重要因素，因此首先對母材及焊材的成分進行檢測分析。鋼材的C、Si、Mn、S、P等元素含量進行分析，采用按國標GB/T 1591-2008進行評判，焊絲進行成分C、Si、Mn、S、P等元素進行分析，采用按國標GB/T 10045-2001標準進行評判，試驗結(jié)果見表1。

表1 鋼材及焊材化學(xué)成分復(fù)驗結(jié)果(%)

化驗結(jié)果顯示，母材、焊絲廠家的焊絲的化學(xué)成分均符合相關(guān)國家標準要求。

3 焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織分析

為了更好地判斷裂紋成因，需要對所取試件截取有裂紋試件進行宏觀和微觀觀察。

試件宏觀金相照片結(jié)果見如圖2所示，微觀金相照片見圖3所示。

圖2 試件宏觀金相

從圖2、圖3可以看出，該試件焊接接頭母材、細晶區(qū)、過熱區(qū)和焊縫的組織分別是長條狀鐵素體（F）+片狀珠光體（P）、F+P、F+P+貝氏體（B）、先析鐵素體+針狀鐵素體+珠光體。由于焊接過程中未進行清渣同時存在的較大的條形夾渣，上部夾渣尺寸約為3x11mm，上部焊縫區(qū)晶粒相當(dāng)粗大。

綜合宏觀和微觀金相圖，可以判斷，裂紋系沿晶裂紋，屬結(jié)晶裂紋。

圖3 試件焊接接頭微觀組織圖

4 焊接接頭成型與硬度分析

焊接接頭的焊縫形狀系數(shù)見表2所示。

焊接接頭的硬度分布見表3所示。

表2 焊接接頭焊縫形狀系數(shù)

表3 焊接接頭硬度表（HV）

5 試驗結(jié)果分析

5.1 裂紋的定性分析

該Q345B鋼焊縫中心出現(xiàn)的裂紋不是冷裂紋，一者Q345B鋼焊接冷裂紋多發(fā)生在缺口效應(yīng)的焊接熱影響區(qū)（起源于粗晶區(qū)），常與熔合線平行或有物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶，裂紋的開裂行徑，有時是沿晶擴展，有時是穿晶前進，一般具有沿晶和穿晶的混合形式。二是因為在裂紋周邊的焊縫組織沒有出現(xiàn)馬氏體組織，焊接接頭的硬度值不高(見表2)。

由試件的宏觀和微觀組織可以看出，所有的裂紋均沿焊縫中的樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展的。這次焊接接頭中，裂紋沿焊縫中心縱向開裂，均為沿晶開裂的結(jié)晶裂紋。

5.2 結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生原因分析

焊接熱裂紋（結(jié)晶裂紋）發(fā)生的主要原因有冶金因素和力的因素[1，2]。

結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜忽然在焊縫凝固過程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。

由于焊縫金屬結(jié)晶過程中，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，并富集在晶界，這些雜質(zhì)所形成的共晶都具有較低的熔點，這些低熔點共晶物在金屬凝固結(jié)晶的后期，被排擠在柱狀晶交遇的中心位置，形成所謂的“液態(tài)薄膜”，并在拉伸應(yīng)力的作用下使這個薄弱地帶開裂形成結(jié)晶裂紋（見圖4所示）。

圖4 焊縫中結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生原因

5.2.1 力的因素

由于現(xiàn)場焊接時，所有的焊縫均在點固后進行焊接，焊接接頭不可能避免焊接殘余應(yīng)力的存在。接頭焊接時焊縫的橫向收縮由于受到限制，勢必產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力，此為引起結(jié)晶裂紋的力學(xué)因素，寬的焊道，由于橫向收縮量大，造成殘余應(yīng)力比正常的焊道狀況下的大，這是此次裂紋問題的主要原因之一。

5.2.2 合金元素的因素

合金元素中S、P雜質(zhì)元素的存在肯定會增加結(jié)晶裂紋的傾向。S和P在鋼中能形成多種低熔點共晶物，在接有結(jié)晶過程中極易形成液態(tài)薄膜，并且S和P在鋼中還能引起元素的偏析，材料復(fù)驗顯示，焊材和鋼材的S、P未超標，但是由于焊接線能量大，焊接速度低造成寬焊道冷卻速度較慢，焊縫區(qū)晶粒相當(dāng)粗大，S、P偏析應(yīng)該較為嚴重，從而最后凝固的位置S、P含量增高，從而形成“液態(tài)薄膜”，是形成熱裂紋的內(nèi)因。

一般，碳元素也是鋼中影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇S、P元素的有害作用。但是，經(jīng)過檢測，焊材和鋼材的C含量不高，因此，C不是造成熱裂紋的主因。

5.2.3 焊接工藝因素

焊接工藝和材料成分是影響結(jié)晶裂紋的冶金因素的兩個方面。焊接工藝也是可能造成焊接接頭出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的重要因素，例如高的線能量、不合適的焊縫形狀系數(shù)等。

高的線能量容易造成焊接接頭過熱，焊縫組織更加的粗大，成分偏析更加嚴重，從而結(jié)晶裂紋傾向增加。而焊接工藝也將較大的影響焊縫的成型。不合適的焊縫形狀系數(shù)也是造成結(jié)晶裂紋傾向的重要原因。

通過對截取的焊接接頭的焊縫形狀系數(shù)檢測(見表1)可以發(fā)現(xiàn)，表面焊道寬深比很大，焊道很寬，焊縫形狀系數(shù)達到3.75，而根據(jù)相關(guān)文獻[3，4]可以知道，熔化焊焊接的焊縫形狀系數(shù)（φ=B/H）一般要求在1.3~2.0，特別是埋弧焊方法尤其需要注意。該裂紋問題中造成熔寬過大是由焊接過程中擺動較大造成。

過寬的焊縫寬度和過淺的焊縫熔深，極容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋現(xiàn)象，接近焊縫表面附近的區(qū)域晶粒長大方向與焊縫表面垂直，最后凝固的區(qū)域偏析嚴重，雜質(zhì)聚集在粗大的焊縫中心柱狀晶斜對生處形成的液態(tài)薄膜，在焊接接頭焊縫區(qū)較大的殘余拉應(yīng)力作用下形成熱裂紋。

綜合分析以上的幾方面因素，該焊縫非冷裂紋，不合適的焊接工藝規(guī)范使得焊縫形狀系數(shù)過大是造成多處焊縫出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的主要原因。

6 裂紋預(yù)防措施

6.1 嚴格進行材料成分控制

嚴格限制焊縫中的C、S、P含量，是有效防止產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的根本措施，嚴把母材和焊接材料的材料關(guān)。使用含Mn量適中的焊接材料有利于降低結(jié)晶裂紋的傾向。

6.2 減小熱輸入

適當(dāng)減小焊接線能量輸入，避免焊縫中產(chǎn)生粗大的柱狀組織，可以防止雜質(zhì)聚集偏析。

6.3 適當(dāng)降低焊縫的形狀系數(shù)

采用合適的焊接工藝方法進行焊接，焊高設(shè)計較大時，宜采用多層多道焊方法，才能保證良好的焊縫形狀系數(shù)，從而避免熱裂紋的產(chǎn)生。

6.4 焊道清渣

焊接時嚴格要求清除每道焊縫表面的渣殼，避免渣池中的雜質(zhì)元素滲入后一道焊縫中。

7 結(jié)語

引起焊縫裂紋的成因很多，熱裂紋可及時發(fā)現(xiàn)，可及時進行處理，冷裂紋出現(xiàn)裂紋的時間不定，不易發(fā)現(xiàn)，危害極大。因此，對產(chǎn)成品出現(xiàn)的裂紋進行定性分析十分必要，以此判斷裂紋是個別問題還是批量問題，為后續(xù)處理提供依據(jù)。本文通過對母材及焊材成分、焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織、焊接接頭成型與硬度等三個方面進行分析，找出了焊縫裂紋的成因，并提出了預(yù)防措施，避免了后續(xù)焊接過程中焊接裂紋的產(chǎn)生，同時也為同行業(yè)低合金焊接預(yù)防裂紋提供參考。焊接是一個復(fù)雜的冶金過程，影響焊縫質(zhì)量的因素很多，我們還需要不斷探索，考慮各種因素，用最優(yōu)方法進行實驗分析，找出并總結(jié)規(guī)律，實現(xiàn)焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計要求。