四種常見焊接裂紋的解析
焊接裂紋
焊接件中最常見的一種嚴(yán)重缺陷。在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征，按照形成的條件可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂等四類。
一、冷裂紋
冷裂紋是在焊接過程中或焊后，在較低的溫度下，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（即Ms點(diǎn)）附近，或300～200℃以下（或T＜0.5Tm，Tm為以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)溫度）的溫度區(qū)間產(chǎn)生的，故稱冷裂紋。冷裂紋又可分為延遲裂紋、淬火裂紋和低塑性脆化裂紋。
（一）產(chǎn)生條件
焊接接頭形成淬硬組織。由于鋼的淬硬傾向較大，冷卻過程中產(chǎn)生大量的脆、硬，而且體積很大的馬氏體，形成很大的內(nèi)應(yīng)力。接頭的硬化傾向：碳的影響是關(guān)鍵，含碳和鉻量越多、板越厚、截面積越大、熱輸入量越小，硬化越嚴(yán)重。
鋼材及焊縫中含擴(kuò)散氫較多，氫原子在缺陷處（空穴、錯(cuò)位）聚積（濃集）形成氫分子，氫分子體積較氫原子大，不能繼續(xù)擴(kuò)散，不斷聚積，產(chǎn)生巨大的氫分子壓力，甚至?xí)_(dá)到幾萬個(gè)大氣壓，使焊接接頭開裂。許多情況下，氫是誘發(fā)冷裂紋最活躍的因素。
焊接拉應(yīng)力及拘束應(yīng)力較大（或應(yīng)力集中）超過接頭的強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生開裂。
（二）產(chǎn)生原因：可分為選材和焊接工藝兩個(gè)方面。
1.選材方面
（1）母材與焊材選擇匹配不當(dāng)，造成懸殊的強(qiáng)度差異；
（2）材料中含碳、鉻、鉬、釩、硼等元素過高，鋼的淬硬敏感性增加。
2.焊接工藝方面
（1）焊條沒有充分烘干，藥皮中存在著水分（游離水和結(jié)晶水）；焊材及母材坡口上有油、銹、水、漆等；環(huán)境濕度過大(＞90%)；有雨、雪污染坡口。以上的水分及有機(jī)物，在焊接電弧的作用下分解產(chǎn)生H，使焊縫中溶入過飽和的氫。
（2）環(huán)境溫度太低；焊接速度太快；焊接線能量太少。會(huì)使接頭區(qū)域冷卻過快，造成很大的內(nèi)應(yīng)力。
（3）焊接結(jié)構(gòu)不當(dāng)，產(chǎn)生很大的拘束應(yīng)力。
（4）點(diǎn)焊處已產(chǎn)生裂紋，焊接時(shí)沒有鏟除掉；咬邊等應(yīng)力集中處引起焊趾裂紋；未焊透等應(yīng)力集中處引起焊根裂紋；夾渣等應(yīng)力集中處引起焊縫中裂紋。
（三）預(yù)防方法：可以從選材和焊接工藝兩個(gè)方面著手。
1.正確選材
選用堿性低氫型焊條和焊劑，減少焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量；做好母材和焊材的選擇匹配；在技術(shù)條件許可的前提下，可選用韌性好的材料（如低一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的焊材），或施行“軟”蓋面，以減小表面殘余應(yīng)力；必要時(shí)，在制造前對(duì)母材和焊材進(jìn)行化學(xué)分析、機(jī)械性能及可焊性、裂紋敏感性試驗(yàn)。
2.焊接工藝方面
（1）嚴(yán)格地按照試驗(yàn)得出的正確工藝規(guī)范進(jìn)行焊接操作。主要包括：嚴(yán)格地按規(guī)范進(jìn)行焊條烘干；選擇合適的焊接規(guī)范及線能量，合理的電流、電壓、焊接速度、層間溫度及正確的焊接順序；對(duì)點(diǎn)焊進(jìn)行檢查處理；做好雙面焊的清理等；仔細(xì)清理坡口和焊絲，除去油、銹和水分。
（3）選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)，避免拘束應(yīng)力過大；正確的坡口形式和焊接順序；降低焊接殘余應(yīng)力的峰值。
（4）焊前預(yù)熱、焊后緩冷、控制層間溫度和焊后熱處理，是可焊性較差的高強(qiáng)度鋼和不可避免的高拘束結(jié)構(gòu)形式，防止冷裂紋行之有效的方法。預(yù)熱和緩冷可減緩冷卻速度（延長△t 800～500℃停留時(shí)間），改善接頭的組織狀態(tài)，降低淬硬傾向，減少組織應(yīng)力；焊后熱處理可消除焊接殘余應(yīng)力，減少焊縫中擴(kuò)散氫的含量。在多數(shù)情況下，消除應(yīng)力熱處理應(yīng)在焊后立即進(jìn)行。
（5）焊后立即錘擊，使殘余應(yīng)力分散，避免造成高應(yīng)力區(qū)，是局部補(bǔ)焊時(shí)防止冷裂紋行之有效的方法之一。
（6）在焊縫根部和應(yīng)力比較集中的焊縫表面（熱影響區(qū)受到的拘束應(yīng)力較低），采用強(qiáng)度級(jí)別較低的焊條，往往在高拘束度下取得良好的效果。
（7）采用惰性氣體保護(hù)焊，能最大地控制焊縫含氫量，降低冷裂紋敏感性，所以應(yīng)大力推廣TIG、MIG焊接。
二、層狀撕裂
層狀撕裂是冷裂紋的一種特殊形式。主要是由于鋼板內(nèi)存在著分層（沿軋制方向）的夾雜物（特別是硫化物），在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于軋制方向（板厚方向）的拉伸應(yīng)力作用下，在鋼板中熱影響區(qū)或稍遠(yuǎn)的地方，產(chǎn)生“臺(tái)階”式與母材軋制表面平行的層狀開裂。產(chǎn)生在T字型、K字型厚板的角焊接接頭中。
提高鋼板質(zhì)量，減少鋼材中層狀?yuàn)A雜物，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝方面采取措施，減少板厚方向的焊接拉伸應(yīng)力，可防止層狀撕裂。厚板焊接前，進(jìn)行板材的超聲波和坡口滲透探傷，檢查分層夾雜物情況，如有層狀?yuàn)A雜物存在，可設(shè)法避開或事先修、磨處理。
三、熱裂紋
熱裂紋是在高溫下產(chǎn)生的，從凝固溫度范圍至A3以上溫度，所以稱熱裂紋，又稱高溫裂紋。
如果材料中存在著較多的低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)元素（P、S、C等）和較多的晶格缺陷，在焊接熔池結(jié)晶過程中，就容易出現(xiàn)晶界偏析，偏析出現(xiàn)的物質(zhì)多為低熔點(diǎn)共晶（如：FeS—Fe、Fe3P—Fe、NiS—Ni、Ni3P—Ni）和雜質(zhì)，它們?cè)诮Y(jié)晶過程中，以液態(tài)間層存在，形成抗變形能力很低的液態(tài)薄膜，相應(yīng)的液態(tài)相存在的時(shí)間增長，最后結(jié)晶凝固，而凝固后的強(qiáng)度也極低，當(dāng)焊接拉應(yīng)力足夠大時(shí)，會(huì)將液態(tài)間層拉開，或在其凝固后不久被拉斷形成裂紋。
此外，如果母材的晶界上也存在著低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)時(shí)，則在加熱溫度超過其熔點(diǎn)的熱影響區(qū)內(nèi)，這些低熔點(diǎn)共晶物將熔化成液態(tài)間層，當(dāng)焊接拉應(yīng)力足夠大時(shí)，也會(huì)被拉開而形成熱影響區(qū)液化裂紋。
熱裂紋都是沿奧氏體晶界開裂，呈鋸齒狀，所以，又稱晶間裂紋。多出現(xiàn)在焊縫中間，特別是弧坑處，多數(shù)在焊縫柱狀晶的會(huì)合處，即焊縫凝固的最終位置，也是最容易引起低熔點(diǎn)共晶偏析的位置；少數(shù)出現(xiàn)在熱影響區(qū)。焊縫中的縱向裂紋一般發(fā)生在焊道中心，與焊縫長度方向平行；橫向裂紋一般沿柱狀晶界發(fā)生，并與母材的晶界相連，與焊縫長度方向垂直。當(dāng)裂紋貫穿表面與空氣相通時(shí)，斷口表面呈氧化色彩（如藍(lán)灰色等），有的焊縫表面的宏觀裂紋中充滿熔渣。
（一）產(chǎn)生的原因
1.選材方面：材料中含硫過多產(chǎn)生“熱脆”；含銅過高產(chǎn)生“銅脆”；含磷過高產(chǎn)生“冷脆”。
2.焊接工藝方面：鎳基不銹鋼，焊接順序不當(dāng)或?qū)娱g溫度過高、熱輸入量過大、冷卻速度太慢；坡口形式不當(dāng)（焊縫形狀系數(shù)ψ=b/h≤1的窄深焊縫），單層單道焊時(shí)易產(chǎn)生焊縫中心偏析裂紋；弧坑保護(hù)不好，由于偏析作用，易產(chǎn)生弧坑熱裂紋；多次返修會(huì)產(chǎn)生晶格缺陷聚集，形成多邊化熱裂紋。
（二）預(yù)防方法
由于熱裂紋的產(chǎn)生與應(yīng)力的因素有關(guān)，所以防止方法也要從選材和焊接工藝兩個(gè)方面著手。
1.選材方面
（1）限制鋼材和焊材中，易產(chǎn)生偏析的元素和有害雜質(zhì)的含量，特別是S、P、C的含量，因?yàn)樗鼈儾粌H形成低熔點(diǎn)共晶，而且還促進(jìn)偏析。C≤0.10%熱裂紋敏感性可大大降低。必要時(shí)對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)分析、低倍檢驗(yàn)（如硫印等）。
（2）調(diào)節(jié)焊縫金屬的化學(xué)成分，改善組織、細(xì)化晶粒，提高塑性，改變有害雜質(zhì)形態(tài)和分布，減少偏析，如采用奧氏體加小于6%的鐵素體的雙相組織。
（3）提高焊條和焊劑的堿度，以減低焊縫中雜質(zhì)的含量，改善偏析程度。關(guān)注微信號(hào)：慧寧焊割 更多精彩資訊等著你！
2.焊縫工藝方面
（1）選擇合理的坡口形式，焊縫成型系數(shù)ψ=b/h＞1，避免窄而深的“梨形”焊縫，防止柱狀晶在焊道中心會(huì)合，產(chǎn)生中心偏析形成脆斷面；采用多層多道焊，打亂偏析聚集。值得注意的是，焊接電流過大也會(huì)形成“梨形”焊縫。
（2）控制焊接規(guī)范：
a.采用較小（適當(dāng)）的焊接線能量，對(duì)于奧氏體（鎳基）不銹鋼應(yīng)盡量采用小的焊接線能量（不預(yù)熱、不擺動(dòng)或少擺動(dòng)、快速焊、小電流）、嚴(yán)格掌握層間溫度，以縮短焊縫金屬在高溫區(qū)的停留時(shí)間；b.注意收弧時(shí)的保護(hù)，收弧要慢并填滿弧坑，防止弧坑偏析產(chǎn)生熱裂紋；
c.盡量避免多次返修，防止晶格缺陷聚集產(chǎn)生多邊化熱裂紋；
d.采取措施盡量降低接頭應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，并減少焊縫附近的剛度，妥善安排焊接次序，盡量使大多數(shù)焊縫在較小的剛度下焊接，使其有收縮的余地。
四、再熱裂紋
再熱裂紋是指一些含有釩、鉻、鉬、硼等合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼的焊接接頭，在加熱過程中（如消除應(yīng)力退火、多層多道焊及高溫工作等），發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，沿原奧氏體晶界開裂的裂紋，也有稱其為消除應(yīng)力退火裂紋（SR裂紋）。
再熱裂紋起源于焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，具有晶界斷裂特征，裂紋大多數(shù)發(fā)生在應(yīng)力集中的部位。
預(yù)防措施
1.選材時(shí)應(yīng)注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素，尤其是V的含量。必須采用高V鋼材時(shí)，焊接及熱處理時(shí)要特別加以注意。
2.熱處理時(shí)避開再熱敏感區(qū)，可減少再熱裂紋產(chǎn)生的可能性，必要時(shí)熱處理前做熱處理工藝試驗(yàn)。
3.盡量減少殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，減少余高、消除咬邊、未焊透等缺陷，必要時(shí)將余高和焊趾打磨圓滑；提高預(yù)熱溫度，焊后緩冷，降低殘余應(yīng)力。
4.適當(dāng)?shù)木€能量，防止熱影響區(qū)過熱，晶粒粗大。
5.在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，選用低一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的焊條，讓其釋放一部分由熱處理過程消除的應(yīng)力，使應(yīng)力在焊縫中松弛，對(duì)減少再熱裂紋有好處。
—End—
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文章來源：機(jī)械裝備缺陷與失效分析
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