淺談焊接裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

摘要：焊接缺陷是在焊接過程中焊接接頭產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連續(xù)不良的現(xiàn)象，焊接缺陷的形成不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)的性能，影響結(jié)構(gòu)的安全使用，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致脆性破壞，引起重大安全事故。而焊接裂紋是一種危害性最大的一種常見焊接缺陷，為消除焊接裂紋，保證焊接接頭質(zhì)量，本文對(duì)焊接裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施進(jìn)行探討分析。

關(guān)鍵字：焊接裂紋 缺陷 預(yù)防措施

焊接裂紋是在焊接應(yīng)力及其它致脆因素的共同作用下，焊接過程中或焊接后，焊接接頭中局部區(qū)域（焊縫或焊接熱影響區(qū)）的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而出現(xiàn)的新界面所產(chǎn)生的縫隙。它具有尖銳的缺口和長(zhǎng)寬比大的特征。焊接裂紋是最危險(xiǎn)的缺陷，除降低焊接接頭的力學(xué)性能指標(biāo)外，裂紋末端的缺口易引起應(yīng)力集中，促使裂紋延伸和擴(kuò)展，成為結(jié)構(gòu)斷裂失效的起源，焊接技術(shù)條件中是不允許焊接裂紋存在的。

1.焊接裂紋的產(chǎn)生的機(jī)理及形式

焊縫金屬?gòu)娜刍癄顟B(tài)到冷卻凝固的過程經(jīng)過熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應(yīng)力存在，而且顯微組織也有從高溫到低溫的相變過程而產(chǎn)生組織應(yīng)力，更加上母材非焊接部位處于冷固態(tài)狀況，與焊接部位存在很大的溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力等等，這些應(yīng)力的共同作用一旦超過了材料的屈服極限，材料將發(fā)生塑性變形，超過材料的強(qiáng)度極限則導(dǎo)致開裂。裂紋的存在大大降低了焊接接頭的強(qiáng)度，并且焊縫裂紋的尖端也成為承載后的應(yīng)力集中點(diǎn)，成為結(jié)構(gòu)斷裂的起源。

按照產(chǎn)生機(jī)理焊接裂紋可分為熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋和層狀撕裂裂紋幾種。在焊接過程中，裂紋出現(xiàn)的位置和時(shí)間各不相同，裂紋可能出現(xiàn)在焊縫表面、焊縫內(nèi)部、焊縫位置和熱影響區(qū)等位置，裂紋的形成可能是在焊接過程中產(chǎn)生，也可能在焊后一段時(shí)間出現(xiàn)，后一種情況危害更為嚴(yán)重。

2.焊接裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

2.1 熱裂紋

熱裂紋產(chǎn)生于焊縫形成后的冷卻結(jié)晶過程中，主要發(fā)生在晶界上，也稱為沿晶裂紋，其位置多在焊縫金屬的中心和電弧焊的起弧與熄弧的弧坑處，呈縱向或橫向輻射狀，嚴(yán)重時(shí)能貫穿到表面和熱影響區(qū)。

2.1.1 熱裂紋產(chǎn)生原因

由于焊接熔池在結(jié)晶過程中存在偏析現(xiàn)象，偏析出的物質(zhì)多為低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)。它在結(jié)晶富哦成中以液態(tài)層間存在，在結(jié)晶時(shí)的高溫強(qiáng)度極低，在一定條件下，拉伸應(yīng)力足夠大時(shí)，會(huì)將液態(tài)層間拉開或在其凝固過程中被拉斷而形成熱裂紋。

2.1.2 預(yù)防熱裂紋的主要措施

預(yù)防熱裂紋的主要措施主要有五個(gè)：一是限制鋼材和焊材的低熔點(diǎn)雜質(zhì)，如S、P含量；

二是控制焊接規(guī)范，適當(dāng)提高焊縫成形系數(shù)（即焊道的寬度與計(jì)算厚度之比）棗焊縫成形系數(shù)太小，易形成中心線偏析，易產(chǎn)生熱裂紋；三是調(diào)整焊縫化學(xué)成分，避免低熔點(diǎn)共晶物；縮小結(jié)晶溫度范圍，改善焊縫組織，細(xì)化焊縫晶粒，提高塑性，減少偏析；四是減少焊接拉應(yīng)力五是操作上填滿弧坑。

2.2 冷裂紋

焊接完成后冷卻到低溫或室溫時(shí)出現(xiàn)的裂紋，或者焊接完成后經(jīng)過一段時(shí)間才出現(xiàn)的裂紋（這種冷裂紋稱為延遲裂紋，特別是諸如14MnMoVg、18MnMoNbg、14MnMoNbB等合金鋼種容易產(chǎn)生此類延遲裂紋，也稱之為延遲裂紋敏感性鋼）。冷裂紋多出現(xiàn)在焊道與母材熔合線附近的熱影響區(qū)中，其取向多與熔合線平行，但也有與焊道軸線呈縱向或橫向的冷裂紋。冷裂紋多為穿晶裂紋（裂紋穿過晶界進(jìn)入晶粒），其成因與焊道熱影響區(qū)的低塑性組織承受不了冷卻時(shí)體積變化及組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力而開裂，或者焊縫中的氫原子相互結(jié)合形成分子狀態(tài)進(jìn)入金屬的細(xì)微孔隙中時(shí)將造成很大的壓應(yīng)力連同焊接應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致開裂（稱為氫脆裂紋），以及焊條（填充金屬）或母材中的磷含量過高等因素有關(guān)。

2.2.1 冷裂紋產(chǎn)生的原因

根據(jù)不同位置的焊接產(chǎn)生冷裂紋原因不同，大致可以分為三種：一是焊接接頭存在淬硬組織，性能脆化；二是擴(kuò)散氫含量較高，使接頭性能脆化，并聚集在焊接缺陷處形成大量氫分子，造成非常大的局部壓力。（氫是誘發(fā)延遲裂紋的最活躍因素，故有人將延遲裂紋又稱氫致裂紋）；三是存在較大的焊接拉應(yīng)力。

2.2.2預(yù)防冷裂紋的主要措施

冷裂紋預(yù)防的主要方法：一是選用堿性焊條，減少焊縫金屬中氫含量、提高焊縫金屬塑性；二是減少氫來源棗焊材要烘干，接頭要清潔（無(wú)油、無(wú)銹、無(wú)水）；三是避免產(chǎn)生淬硬組織棗焊前預(yù)熱、焊后緩冷（可以降低焊后冷卻速度）；四是降低焊接應(yīng)力棗采用合理的工藝規(guī)范，焊后熱處理等；五是焊后立即進(jìn)行消氫處理（即加熱到250℃，保溫2～6左右，使焊縫金屬中的擴(kuò)散氫逸出金屬表面）。

2.3 再熱裂紋

焊接完成后，如果在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)焊件再次加熱（例如為消除焊接應(yīng)力而采取的熱處理或者其他加熱過程，以及返修補(bǔ)焊等）時(shí)有可能產(chǎn)生的裂紋，多發(fā)生在焊結(jié)過熱區(qū)，屬于沿晶裂紋，其成因與顯微組織變化產(chǎn)生的應(yīng)變有關(guān)。

2.3.1 再熱裂紋產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生再熱裂紋的原因有二：一是與鋼中所含碳化物形成元素（Cr、Mo、V、Ti及B等）有關(guān)。如珠光體耐熱鋼中的V元素，會(huì)使應(yīng)力松弛裂紋敏感性顯著增加；二是與加熱速度和加熱時(shí)間有關(guān)，不同的鋼種存在不同的易產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度范圍。

2.3.2預(yù)防再熱裂紋的主要措施

一是控制基本金屬及焊縫金屬化學(xué)成分；二是控制鋼的晶粒度，細(xì)化晶粒；三是采用低匹配焊接材料；四是改進(jìn)接頭形式，以減小接頭剛性和應(yīng)力集中；五是采用大線能量或高預(yù)熱溫度焊接；六是合理選擇消除應(yīng)力回火溫度，以減低回火加熱速度，減小溫度應(yīng)力。

2.4 層狀撕裂裂紋

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。

2.4.1層狀撕裂裂紋產(chǎn)生的原因

主要原因?yàn)檠劁摪遘堉品较虼嬖诜謱訆A雜物（如硫化物等），焊接時(shí)產(chǎn)生垂直于厚度方向的焊接應(yīng)力。

2.4.2 防止層狀撕裂的措施：

嚴(yán)格控制鋼材的含硫量，改進(jìn)接頭形式和坡口形狀，與焊縫連接的坡口表面預(yù)先堆焊過渡層，選用強(qiáng)度等級(jí)較低的低氫型焊接材料，采用低焊接熱輸入和焊接預(yù)熱

3.結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了焊接裂紋的基本特征、產(chǎn)生原因和預(yù)防措施，為焊接過程中消除焊接裂紋缺陷提供可靠支撐，以便于相關(guān)專業(yè)人員更好進(jìn)行焊接操作。