顧及金屬低熔點(diǎn)的焊接裂紋形成分析及處理辦法

郭石宇 火箭軍士官學(xué)校

一、引言

焊接過程中存在破壞性應(yīng)力和致脆性因素，焊接接觸點(diǎn)部位的金屬原子結(jié)構(gòu)在被破壞后而形成的新的金屬構(gòu)成面而產(chǎn)生的不連續(xù)，稱為焊接裂紋。一般情況下，這種不連續(xù)具有缺口尖銳、長寬比不均衡的顯著特點(diǎn)。不連續(xù)接觸面根據(jù)形成的原因，分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋、冷裂紋、消除應(yīng)力裂紋和層狀撕裂幾種，前兩者為最為典型的裂紋結(jié)構(gòu)。本文以這兩種焊接裂紋為研究對象，重點(diǎn)考慮金屬的低熔點(diǎn)所引起的一系列的不良因素，對兩種裂紋的焊接方法、焊接環(huán)境、形成原因、處理方法進(jìn)行分析，為進(jìn)一步提高焊接水平，避免不良的焊接缺陷提供理論基礎(chǔ)。

二、不連續(xù)接觸面的形成原因

焊接過程中，由于電流和焊接速度的操作不當(dāng)，焊接所產(chǎn)生的熱量會影響金屬的冷卻，而在固相線附近的部位溫度則更高，這里產(chǎn)生的裂紋一般被稱之為熱裂紋。此外，焊接接觸面在金屬進(jìn)行結(jié)晶的過程中，由于受固相線溫度的影響，金屬受冷卻凝固的作用，加之金屬的液態(tài)補(bǔ)充不及時(shí)，使得接觸面言結(jié)晶界限開裂，所以稱之為凝固裂紋。

（一）結(jié)晶裂紋形成原因

金屬接觸面在結(jié)晶過程中，需要連接部位具有低溫的環(huán)境，溫度的高低將直接影響焊接面的結(jié)晶質(zhì)量。但是，由于結(jié)晶的形成物理過程屬于動(dòng)態(tài)的過程，先結(jié)晶的金屬面純度較高，而后期成型的結(jié)晶體則純度較低，且伴隨較多金屬雜質(zhì)，受物理作用富集于接觸面的周圍。雜質(zhì)不同于焊接金屬，其一般具有較低的熔點(diǎn)，由于受低溫凝固的作用，這些雜質(zhì)形成共晶附著在接觸面，顯現(xiàn)為一種液態(tài)薄膜，在焊接應(yīng)力的物理拉扯下，就會向接觸面的薄弱部位運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成結(jié)晶裂紋。因此，結(jié)晶裂紋多為縱向裂紋。

（二）焊接冷裂紋形成原因

焊接時(shí)，由于焊接操作不當(dāng)，或者焊接的器件存在物理缺口，甚至是器件的物理表面分布不均勻，在接觸面進(jìn)行冷卻時(shí)多會產(chǎn)生冷卻性裂紋，簡稱冷裂紋。冷裂紋一般在焊接完成后就會出現(xiàn)，但考慮金屬的不同結(jié)構(gòu)，也可能會推遲數(shù)小時(shí)、數(shù)周或者更長的時(shí)間才會出現(xiàn)。金屬母材和焊接接觸面的的熔合線多為冷裂紋產(chǎn)生的集聚地，并且接觸面的裂紋由于冷卻的原因，多為斷口發(fā)亮的狀態(tài)，顯現(xiàn)為穿晶裂紋。

三、不連續(xù)面的處理辦法

（一）結(jié)晶裂紋的處理辦法

首先，應(yīng)該控制縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量。根據(jù)焊接有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，焊接母材和材料的雜質(zhì)含量都有相應(yīng)的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，若超過此標(biāo)準(zhǔn)，焊接雜質(zhì)就會進(jìn)一步影響焊接質(zhì)量，焊接裂紋的出現(xiàn)幾率也會增大；其次，改善焊縫凝固結(jié)晶，應(yīng)向焊接縫隙中加入高質(zhì)量的細(xì)化元素，但必須嚴(yán)格施工標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如Mo、V、Ti、Nb、Al、Zr、稀土等；最后，在焊接流程上進(jìn)一步規(guī)范，在參數(shù)的選擇、接觸面的形成、焊接的準(zhǔn)備工作上充分考慮裂紋的因素。同時(shí)，要對焊接縫隙的成形系數(shù)和次序進(jìn)行調(diào)整，著力調(diào)整焊接縫隙的形狀，避免使得柱狀晶的成長形成脆弱的接觸面，使得裂紋傾向增大。焊接次序應(yīng)進(jìn)行合理的選擇，進(jìn)一步減少焊接應(yīng)力或分散應(yīng)力，使焊縫能在較小剛度的條件下焊接，減少裂紋傾向。

（二）冷裂紋的處理辦法

冷裂紋的處理方法較為傳統(tǒng)，一般從焊接準(zhǔn)備、焊接工藝、焊接材料、焊接流程和后處理上進(jìn)行綜合考慮。首先，考慮焊前預(yù)熱和焊后冷卻方法對裂紋的影響，使用焊前預(yù)熱對焊件進(jìn)行總體加熱，也可以對焊接縫隙周邊部位進(jìn)行局部加熱。焊后緩慢冷卻是降低裂紋產(chǎn)生的又一方法，一般采用包扎絕熱材料的方法，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高焊接材料的可塑造性，并進(jìn)一步加速接觸部位的氫向外流通；其次，焊接材料選擇上應(yīng)著重考慮，要進(jìn)一步減少氫氣的進(jìn)入，不銹鋼不失為焊絲和焊條芯材料較為優(yōu)質(zhì)的選擇之一。在焊接過程中，不銹鋼的塑造性較好，使得因馬氏體所產(chǎn)生的應(yīng)力得到抵消。加之不銹鋼的材料的特點(diǎn)，使得氫的溶解度較高，流通的速度較為緩慢，使氫不易向熱影響區(qū)擴(kuò)散和聚集；最后，采用科學(xué)的工藝參數(shù)，適當(dāng)減慢焊接速度，可使焊接接頭的冷卻速度慢些。過高的焊接速度易產(chǎn)生淬火組織。過低的焊接速度使熱影響區(qū)嚴(yán)重過熱，晶粒粗大，熱影響區(qū)的淬火區(qū)加寬，兩者都將促使冷裂紋的產(chǎn)生。因此，工藝參數(shù)應(yīng)選得合理。同時(shí)，要適當(dāng)對焊接的方向和流程進(jìn)行調(diào)整，焊件在焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理，如進(jìn)行高溫回火，也可改善接頭的組織和性能，減少焊接應(yīng)力。

四、結(jié)束語

本文基于金屬低熔點(diǎn)的物理特性，進(jìn)一步分析了常見的焊接裂紋的產(chǎn)生原因、形成過程及物理特點(diǎn)。考慮焊接過程中存在的操作流程、技術(shù)工藝、材料選擇的具體影響，根據(jù)以上幾個(gè)方面的處理辦法，進(jìn)一步給出處理辦法。