焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因及預防措施

鄭芬

摘 要：隨著中職類技能高考的推進，在2017年新增焊接專業(yè)的技能高考科目，其中在焊接質(zhì)量評分中有一項是關于焊縫質(zhì)量要求的標準，既焊縫不允許有裂紋，換句話說，當焊縫出現(xiàn)裂縫時，這一項就是零分。而在實際產(chǎn)品焊接技術要求中，焊縫也不得有裂紋產(chǎn)生，否則視為廢品。在此，討論在焊接過程中，焊縫裂紋產(chǎn)生的原因及對策，以預防學生在焊接過程中發(fā)生致命的焊縫缺陷。

關鍵詞：焊接裂紋;冷裂紋的特點;冷裂紋產(chǎn)生的原因;防止冷裂紋的措施

裂紋是焊接結(jié)構(gòu)最危險的一種缺欠，不僅會使產(chǎn)品報廢，而且還可能引起嚴重的事故。在焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋形式是多種多樣的，有的裂紋出現(xiàn)在焊縫表面，肉眼就能觀察到;有的隱藏在焊縫內(nèi)部，不通過無損檢測就不能發(fā)現(xiàn)。有的產(chǎn)生在焊縫中;則有的產(chǎn)生在熱影響區(qū)中。不論是在焊縫或熱影響區(qū)上的裂紋，平行于焊縫的稱為縱向裂紋，垂直于焊縫的稱為橫向裂紋，而產(chǎn)生的焊縫收弧弧坑處的裂紋稱為弧坑裂紋。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的機理，我們把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂，本文主要討論的是焊接冷裂紋。

焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說，在Ms溫度即馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下）時產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中碳鋼、合金鋼的熱影響區(qū)，根據(jù)鋼材種類、含氫量、應力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形式不同，冷裂紋可以分為延遲裂紋、淬火裂紋、低塑性脆化裂紋。

1 冷裂紋的特點

1）產(chǎn)生的溫度和時間。冷裂紋發(fā)生在焊接之后，一般溫度在Ar3以下的冷卻過程中或冷卻以后產(chǎn)生，形成裂紋的溫度約在200℃～300℃以下，即馬氏體轉(zhuǎn)變范圍。

冷裂紋可以在焊接后立即出現(xiàn)，但也有些可以延遲至幾小時、幾天、幾周甚至一、兩個月之后，這種冷裂紋又叫延遲裂紋。大的冷裂紋不是一下子生成的，它的生成規(guī)律是先發(fā)生幾處小的或顯微的裂紋，然后逐步向長度或深度上發(fā)展，幾個小裂紋陸續(xù)連接起來。某些焊接結(jié)構(gòu)，當小裂紋發(fā)展到一定程度后，可能在瞬間內(nèi)迅速擴大，引起結(jié)構(gòu)整體的突然斷裂，甚至同時產(chǎn)生較大的聲響和機械振動。

2）產(chǎn)生的部位。冷裂紋大多數(shù)產(chǎn)生在母材或母材與焊縫交界的熔合線上，但也有可能產(chǎn)生在焊縫上。根據(jù)冷裂紋產(chǎn)生的部位有焊道下裂紋、焊趾裂紋、根部裂紋。

3）外觀特點。顯露在接頭金屬表面的冷裂紋，斷面上沒有明顯的氧化色彩，所以裂口發(fā)亮。

4）金相結(jié)構(gòu)。冷裂紋一般為穿晶型裂紋，在少數(shù)情況下，也可能沿晶界發(fā)展。

2 冷裂紋產(chǎn)生的原因

1）淬硬傾向。焊接時，鋼的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。因為淬硬傾向越大，就意味著得到更多的馬氏體組織，馬氏體是一種硬脆的組織，在一定的應變條件下，馬氏體由于變形能力低而容易發(fā)生脆性斷裂，形成裂紋。焊接接疛的淬硬傾向主要和鋼的化學成分、焊接工藝、結(jié)構(gòu)板厚及冷卻條件有關。

2）氫的作用。焊接時，焊縫金屬吸收了較多的氫，由于焊縫冷卻速度很快，氫氣往往來不及全部析出，所以仍有一部分氫氣留在焊縫金屬內(nèi)。在固體金屬中，氫在不同組織中的溶解度是不同的，氫在奧氏體中比在鐵素體中的溶解度大。由于焊縫金屬的含碳量低，冷卻過程中在較高溫度下奧氏體就開始析出鐵素體，也就是焊縫的組織轉(zhuǎn)變比熱影響區(qū)金屬早。而氫在鐵素體中的溶解度又比奧氏體小，故焊縫中就有氫析出，但氫在鐵素體中的擴散能力卻比較大。這些氫就擴散到近旁仍為奧氏體組織的熱影響區(qū)，使熱影響區(qū)的含氫量增加。在隨后的冷卻過程中，當熱影響區(qū)的奧氏體也析出鐵素體時，氫的溶解度降低，這樣就有相當多過剩的氫析出，聚集在熱影響區(qū)熔合線附近，形成一個富氫帶。如果焊接的是低合金高強度鋼，則奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體和鐵素體一樣，氫的溶解度也比奧氏體小得多，所以在焊接接頭冷卻時，析出的氫就向周圍熱影響區(qū)擴散，待熱影響區(qū)轉(zhuǎn)變成馬氏體后，在熱影響區(qū)內(nèi)就會聚集相當多的氫，達到過飽和狀態(tài)，當這里存在顯微缺欠，如原子空位、空穴等時，氫原子就在這些地方結(jié)合成分子狀態(tài)的氫，在局部地區(qū)造成很大的壓力，加上奧氏體組織在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織時，由于體積膨脹而產(chǎn)生的巨大組織應力，就促使鋼發(fā)生破壞，從而形成裂紋。

3）焊接應力。一是焊接接頭內(nèi)部存在的應力，包括由于溫度分布不均造成的溫度應力和由于相變特別是馬氏體轉(zhuǎn)變形成的組織應力;二是外部應力，包括剛度約束條件、焊接結(jié)構(gòu)的自重、工作載荷等引起的應力。

換言之，氫、淬硬組織和應力這三個因素是導致產(chǎn)生冷裂紋的主要原因，它們相互影響，相互促進，不過在不同情況下，三者中必有一種是更為主導的因素。例如一般低碳合金高強度鋼中，雖有高的淬透性，但低碳馬氏體組織對氫的敏感性不十分大，可是當含量達到一定數(shù)值時，仍產(chǎn)生了裂紋，此時冷裂紋的主要原因是氫。對于中碳高強度合金鋼，具有高的淬硬性，而淬硬組織有高的氫脆敏感性，此時的主要原因為淬硬組織。又如焊根有未焊透或咬邊等缺欠，以及余高截面變化很大，存在較高的應力集中區(qū)，則應力就成為主要矛盾。

3 防止冷裂紋的措施

1）冶金措施。（1）選用堿性低氫型焊條。以減少帶入焊縫中的含氫量。（2）選用奧氏體焊條。對于高強度鋼，可采用不銹鋼焊芯或者用奧氏體鎳基合金等焊條或焊絲，這些合金的塑性比較好，可抵消馬氏體轉(zhuǎn)變時造成的一部分應力。另一方面氫在奧氏體中溶解度較高，擴散速度慢，故氫不易向熱影響區(qū)擴散聚集。

2）工藝措施。（1）焊前預熱。在材料淬硬傾向大，鋼板厚度大，氣溫低等條件下，采取焊前預熱或者一邊焊接一邊補充加熱的方法，是防止冷裂紋的有效措施。預熱可以是整個焊件總體加熱，也可以是焊縫附近局部加熱。預熱的作用在于通過減緩冷卻速度，改善接頭的顯微組織，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高塑性，并使焊縫中的氫加速向外擴散。預熱也可以起到減少一些焊接應力的作用。（2）選用適當?shù)暮附訁?shù)。適當減慢焊接速度，使焊接接頭的冷卻速度慢一些，對防止產(chǎn)生冷裂紋是有利的。焊接速度過大，焊接接頭冷卻速度高，容易產(chǎn)生淬火組織;焊接速度過小，熱影響區(qū)過熱厲害，晶粒粗大，而粗大的晶粒會增加金屬淬火的傾向。同樣，由于熱影響區(qū)增大而淬火區(qū)加寬，這都將促使冷裂紋的產(chǎn)生。因此焊接參數(shù)應選得合適。（3）采用減少氫的工藝措施。減少焊縫金屬中氫的含量，熱影響區(qū)的冷裂傾向可大為減輕。例如焊條、焊劑嚴格烘干，隨用隨取;仔細清理坡口，去油除銹，防止環(huán)境中的水分帶入焊縫;正確選擇電源與極性，注意操作方法等。（4）后熱。焊接后立即對焊件的全部或局部進行加熱或保溫，以使其緩冷的工藝措施稱為后熱，又稱消氫處理。后熱主要是使擴散氫能充分從焊縫中逸出，對于防止延遲裂紋的產(chǎn)生有明顯的效果。（5）采用合理的裝焊順序。采用合理的裝焊順序、焊接順序、焊接方向等，可以改善焊件的應力狀態(tài)。（6）焊后熱處理。焊件在焊后及時進行熱處理，例如高溫回火，可以改善接頭的組織和性能，可以使氫擴散排出，也可以減少焊接應力。

參考文獻

[1]技工學校機械類通用教材編審委員會.焊工工藝學.第5版[M].機械工業(yè)出版社，2016

[2]尹士科.焊接材料手冊[M].中國標準出版社，2010.

[3]徐衛(wèi)東.焊接檢驗與質(zhì)量管理[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[4]上海焊接協(xié)會.現(xiàn)代焊接生產(chǎn)手冊[M].上海科學技術出版社，2007.

[5]簡明焊工手冊編寫組.簡明焊工手冊[M].機械工業(yè)出版社，2000.