45#鋼管焊接熱裂紋產生的原因及對策

趙志強

摘 要： 45#鋼總體來說焊接性不算好，若焊材的選擇不當或工藝處理不當都會導致焊接熱裂紋的出現，熱裂紋的產生主要與焊材或母材中碳、硫、磷含量過高有關，為避免熱裂紋的出現，必須減少碳、硫、磷溶入焊縫，采用抗裂性好堿性焊條焊接或TIG。

關鍵詞：45#鋼 熱裂紋 原因 對策

1.引言

為了進一步與企業產品接軌，學校購進一批5mm厚，管徑為114mm，材質為45#鋼的鋼管，同時也購了幾箱E4303焊條，對學生進行水平固定管焊的實習，但是在實習過程中卻出現了裂紋的現象，裂紋集中出現在打底層焊道的母材與焊縫的結合位置，特別是未填滿的弧坑處。熄弧后，稍微冷卻即可看到弧坑處有裂紋產生，清除熔渣，露出焊縫外表面的裂紋斷面有明顯的氧化色彩。據此我們判斷裂紋是焊縫處于較高溫度時產生的，屬于熱裂紋。它是焊接接頭中最危險的焊接缺陷，其危害性極大，解決這個問題，對于企業的液壓件產品的焊接有重要的意義。

2.熱裂紋產生的原因分析

2.1理論分析

從金屬材料斷裂理論可知，焊接熱裂紋具有高溫沿晶斷裂的性質，發生高溫沿晶斷裂的條件是：在高溫階段晶間延性或塑性變形能力δmin不足以承受焊縫金屬凝固和高溫冷卻過程積累的應變量ε，即ε≥δmim時產生的。對于碳鋼來說產生熱裂紋都與焊縫金屬中低熔點共晶體形成的液膜有關，焊接接頭隨著結晶過程溫度下降，累積應變也開始產生，并隨著溫度下降而增大，此時晶間殘存的液膜強度很低，使應變集中，同時其變形能力又很差，因而固液區間塑性很低，當應變量ε>δmim時，即會有熱裂紋產生。而晶間液膜的產生與焊縫中存在較多雜質元素硫、磷和含碳量較高有著直接的關系。為此，我們對母材及焊材進行了化學成分分析。

2.1.1母材及焊材的化學成分進行分析

（1）母材：45#鋼管的化學成分及焊接性分析

C：0.46%、Si：0.27%、Mn：0.65%、S：0.035%、P：0.035%、Gr：0.25%、Ni：0.2545%

國際焊接協會推薦的估算碳鋼和低合金鋼的碳當量公式：CE =C+Mn6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15（%），45#鋼的CE=（0.46+0.656+0.255+0.254515）% = 0.8626%

根據經驗：CE=0.8626% > 0.6%時，淬硬傾向更強，屬于較難焊的材料，需要采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

（2）焊材：焊條的成分分析

焊芯：C 為0.20%、S為0.049%、P為0.045%；藥皮：C為0.58%、S為0.20%、P為0.43%。

2.1.2 小結

鋼管中含碳量較高、硫、磷略高；焊條焊芯的硫、磷含量偏高，且含碳量也明顯偏高；據此我們判斷焊條選用不當，焊條中碳、硫、磷含量過高是產生熱裂紋的原因之一。

2.1.3 造成焊縫熱裂紋原因

碳、硫、磷元素過高，溶入焊縫而造成焊縫熱裂紋原因如下：

（1）45#鋼屬于中碳鋼，含碳量較高，液-固相區間大，偏析較嚴重，增大了焊縫金屬的結晶溫度區間，產生裂紋傾向增大。碳鋼中影響結晶裂紋的主要元素是C、S、P。因為結晶溫度區間△Tf與熔質元素含量Xo有下列關系：△Tf =rf·w（Xo），熔質（rf）系數：C為322、S為295、P為121.1；可以看出，C、S、P的rf數值都很高，含量很低時就使得△Tf增加。（2）S、P極易產生偏析，并形成低熔點共晶體。（3）含碳量較高，加劇了硫、磷的有害作用。另外，熱裂紋的產生也與積累應變量大小有直接的關系，焊接結構剛性過大和焊接接頭冷卻速度過快都會促使應變量增大，從而增加熱裂紋的傾向。

2.2 工藝分析：（1）發現坡口角度過小，坡口面角度只有25°左右，這樣會造成、焊縫成形系數小，使低熔點共晶體聚集在焊縫的中間。（2）定位焊縫的尺寸主要是指焊縫過長，厚度太厚，對正式焊縫的收縮約束力過大，使焊縫的殘余應力過大從而促使熱裂紋的產生。（3）根部間隙的預留太大，達到了4.0mm-4.5 mm，使收縮應力過大促使焊縫熱裂紋的產生。（4）焊接電流達到了115A-120 A，電流過大，焊件熔入焊縫金屬較多，使焊縫中含碳量增加。（5）沒有采用抗裂性較好的堿性焊條。（6）焊前沒有對焊件進行徹底的清理。（7）沒有采取焊后保溫緩冷。

3. 實驗方案

3.1 實驗方案（一）：采用堿性焊條打底

3.1.1 實驗過程 ：（1）采用堿性焊條焊接，并且焊條進行350-400℃的烘干并保溫2h，以增強對焊縫金屬的脫磷脫硫能力。（2）坡口面角度為30°，增加熔合比，減少焊件熔入量。（3）用手砂輪將坡口面上的氧化皮及坡口兩側的油、銹、污物清理掉，直至露出金屬光澤。（5）對母材預熱100℃-150℃，并保持層間溫度不低于200-250℃；焊后保溫緩冷。（6）整個打底層的過程中不要間斷，前半圈焊完后迅速將接頭修磨成斜坡狀隨后開始完成后半圈。（7）焊接工藝參數不宜過大，盡量采用小電流、以減小焊件熔入焊縫金屬中比例（減小熔合比），熄弧時，填滿弧坑，并回焊熄弧以防止弧坑裂紋的出現。（8）制定焊接工藝規程：焊條：E5015 φ3.2； 焊絲：H08Mn2SiA φ1.2； 坡口角度：α=60°±5，P=0～1mm b=3.2～3.5mm； 焊接方法：打底層用焊條電弧焊； 蓋面層用二氧化碳氣體保護焊； 焊接電源：手弧焊采用ZX7-400 型焊機（直流反接），二氧化碳氣體保護焊采用YD-500型焊機； 焊接參數：打底層為100—105 A，蓋面層為110-115 A，電弧電壓為18-19 V。

3.1.2.實驗結果分析：通過采取以上工藝措施和按照以上工藝規程，進行焊接后，經外觀檢驗后沒有發現熱裂紋的產生，經X射線探傷后除了有幾個點狀夾渣、條狀夾渣外沒有發現其它缺陷。

3.2.實驗方案（二）：采用TIG焊打底

3.2.1.實驗過程：焊前準備：⑴焊機： 型號為ZX7-315⑵焊材：焊絲H08Mn⑶噴嘴直徑：8號噴嘴⑷保護氣：采用純氬氣且純度大于99.5%⑸鎢極：采用鈰鎢極，直徑為2.5mm

TIG焊接工藝：⑴極性采用直流正極性⑵氬氣流量為：8-10L/min⑶鎢極修磨：錐角=30°⑷焊接電流：95-100A⑸鎢極的伸出長度：2-3mm ⑹送絲方法：點狀斷續送絲法 ⑺焊接的清理及保溫、緩冷同手弧焊。

3.2.2.結果分析：焊后進行外觀及經X射線探傷后沒有任何缺陷。

4.結論

通過以上兩種方案打底層都避免了焊接熱裂紋的出現，當到外地售后服務時，如果沒有氬弧焊設備可采用堿性焊條焊接；在企業生產可采用氬弧焊打底，可有效的防止油缸漏油，降低返修率，同時為了提高生產率采可采用氣保焊進行蓋面。

參考文獻：

[1]英若采.熔焊原理及金屬材料焊接.機械工業出版社，2000.5.

[2]邱葭菲.焊工工藝學.中國勞動社會保障出版社出版，2005.6.