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钢材焊接的几种裂纹,热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂

焊接裂 纹就其本质来分,可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。下面仅 就各种裂纹的成因、特点和 防治办法进行具体的阐述。


1.热裂纹

是在焊 接时高温下产生的,故称热裂纹,它的特 征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所 焊金属的材料不同(低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金 和某些特种金属等),产生热裂纹的形态、温度区 间和主要原因也各不相同。目前,把热裂 纹分为结晶裂纹、液化裂 纹和多边裂纹等三大类。


1)结晶裂 纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中(含S,P,C,Si骗高)和单相奥氏体钢、镍基合 金以及某些铝合金焊逢中。这种裂 纹是在焊逢结晶过程中,在固相线附近,由于凝固金属的收缩,残余液体金属不足,不能及时添充,在应力 作用下发生沿晶开裂。


防治措施为:在冶金因素方面,适当调 整焊逢金属成分,缩短脆 性温度区的范围控制焊逢中硫、磷、碳等有害杂质的含量;细化焊 逢金属一次晶粒,即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素;在工艺方面,可以通过焊前预热、控制线能量、减小接 头拘束度等方面来防治。


2)近缝区 液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹,它的尺寸很小,发生于HAZ近缝区或层间。它的成 因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属,在高温 下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成物被重新熔化,在拉应 力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。


这一种 裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面,尽可能降低硫、磷、硅、硼等低 熔共晶组成元素的含量是十分有效的;在工艺方面,可以减小线能量,减小熔 池熔合线的凹度。


3)多边化 裂纹是在形成多边化的过程中,由于高 温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见,其防治 措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。


2.再热裂纹

通常发 生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金(包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金,以及某 些奥氏体不锈钢),他们焊 后并未发现裂纹,而是在 热处理过程中产生了裂纹。再热裂 纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位,其走向 是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。


防治再 热裂纹从选材方面,可以选用细晶粒钢。在工艺方面,选用较小的线能量,选用较 高的预热温度并配合以后热措施,选用低 匹配的焊接材料,避免应力集中。



3.冷裂纹

主要发生在高、中碳钢、低、中合金 钢的焊接热影响区,但有些金属,如某些超高强钢、钛及钛 合金等有时冷裂纹也发生在焊缝中。一般情况下,钢种的淬硬倾向、焊接接 头含氢量及分布,以及接 头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。焊后形 成的马氏体组织在氢元素的作用下,配合以拉应力,便形成了冷裂纹。他的形 成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹 一般分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹。


防治冷 裂纹可以从工件的化学成分、焊接材 料的选择和工艺措施三方面入手。应尽量 选用碳当量较低的材料;焊材应选用低氢焊条,焊缝应用低强度匹配,对于高 冷裂倾向的材料也可选用奥氏体焊材;合理控制线能量、预热和 后热处理是防治冷裂的工艺措施。


在焊接 生产中由于采用的钢种、焊接材料不同,结构的类型、钢度,以及施 工的具体条件不同,可能出 现各种形态的冷裂纹。然而在 生产上经常遇到的主要是延迟裂纹。



延迟裂 纹有以下三种形式:


1)焊趾裂纹——这种裂 纹起源于母材与焊缝交界处,并有明 显应力集中部位。裂纹的 走向经常与焊道平行,一般由 焊趾表面开始向母材的深处扩展。


2)焊道下裂纹——这种裂 纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量 较高的焊接热影响区。一般情 况下裂纹走向与熔合线平行。


3)根部裂纹——这种裂 纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态,主要发 生在含氢量较高、预热温 度不足的情况下。这种裂 纹与焊趾裂纹相似,起源于 焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂 纹可能出现在热影响区的粗晶段,也可能 出现在焊缝金属中。


钢种的淬硬倾向、焊接接 头含氢量及其分布,以及接 头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个 因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。


钢种的 淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工 艺和冷却条件等。焊接时,钢种的淬硬倾向越大,越易产生裂纹。为什么 钢淬硬之后会引起开裂呢?可归纳为以下两方面。


a:形成脆 硬的马氏体组织——马氏体是碳在ɑ铁中的过饱和固溶体,碳原子 以间隙原子存在于晶格之中,使铁原 子偏离平衡位置,晶格发生较大的畸变,致使组 织处于硬化状态。特别是在焊接条件下,近缝区 的加热温度很高,使奥氏 体晶粒发生严重长大,当快速冷却时,粗大的 奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属 的强度理论可以知道,马氏体 是一种脆硬的组织,发生断 裂时将消耗较低的能量,因此,焊接接 头有马氏体存在时,裂纹易于形成和扩展。


b:淬硬会 形成更多的晶格缺陷——金属在 热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。这些晶 格缺陷主要是空位和位错。随焊接 热影响区的热应变量增加,在应力 和热力不平衡的条件下,空位和 位错都会发生移动和聚集,当它们 的浓度达到一定的临界值后,就会形成裂纹源。在应力的继续作用下,就会不 断地发生扩展而形成宏观的裂纹。


氢是引 起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一,并且有延迟的特征,因此,在许多 文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”。试验研究证明,高强钢 焊接接头的含氢量越高,则裂纹的敏感性越大,当局部 地区的含氢量达到某一临界值时,便开始出现裂纹,此值称 为产生裂纹的临界含氢量[H]cr。



各种钢产生冷裂的[H]cr值是不同的,它与钢的化学成分、钢度、预热温度,以及冷却条件等有关。


1:焊接时,焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污,以及环 境湿度等都是焊缝中富氢的原因。一般情 况下母材和焊丝中的氢量很少,而焊条 药皮的水分和空气中的湿气却不能忽视,成为增氢的主要来源。


2:氢在不 同金属组织中的溶解和扩散能力是不同的,氢在奥 氏体中的溶解度远比铁素体中的溶解度大。因此,在焊接 时由奥氏体向铁素体转变时,氢的溶 解度发生突然下降。与此同时,氢的扩 散速度恰好相反,由奥氏 体向铁素体转变时突然增大。


焊接时在高温作用下,将有大 量的氢溶解在熔池中,在随后 的冷却和凝固过程中,由于溶 解度的急剧降低,氢极力逸出,但因冷却很快,使氢来 不及逸出而保留在焊缝金属中形成扩散氢。


4.层状撕裂

是一种 内部的低温开裂。仅限于 厚板的母材金属或焊缝热影响区,多发生于“L”、“T”、“+”型接头中。其定义 为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变而发生于母材的一种阶梯状冷裂纹。一般是 由于厚钢板在轧制过程中,把钢内 的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物,这些夹 杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。防治层 状撕裂在选材上可以选用精练钢,即选用z向性能高的钢板,也可以 改善接头设计形式,避免单侧焊缝、或在承受z向应力 的一侧开出坡口。


层状撕裂与冷裂不同,它的产 生与钢种强度级别无关,主要与 钢中的夹杂量和分布形态有关。一般轧制的厚钢板,如低碳钢、低合金高强钢,甚至铝 合金的板材中也会出现层状撕裂。根据层 状撕裂产生的位置大体可以分为三类:


第一类 是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。


第二类 是焊接热影响区沿夹杂开裂,是工程 上最常见的层状撕裂。


第三类 远离热影响区母材中沿夹杂开裂,一般多出现在有较多MnS的片状 夹杂的厚板结构中。


层状撕 裂的形态与夹杂的种类、形状、分布,以及所 处的位置有密切关系。当沿轧 制方向上以片状的MnS夹杂为主时,层状撕 裂具有清晰的阶梯状,当以硅 酸盐夹杂为主时呈直线状,如以Al 夹杂为 主时呈不规则的阶梯状。


厚板结构焊接时,特别是T型和角接接头,在刚性拘束的条件下,焊缝收 缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变,当应变 超过母材金属的塑性变形能力时,夹杂物 与金属基体之间就会发生分离而产生微裂,在应力 的继续作用下裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展,就形成了所谓“平台”。



影响层 状撕裂的因素很多,主要有以下几方面:


1:非金属夹杂物的种类、数量和 分布形态是产生层状撕裂的本质原因,它是造 成钢的各向异性、机械性 能差异的根本所在。


2:Z向拘束应力 厚壁焊 接结构在焊接过程中承受不同的Z向拘束应力、焊后的 残余应力及载荷,它们是 造成层状撕裂的力学条件。


3:氢的影响 一般认为,在热影响区附近,由冷裂 诱发成为层状撕裂,氢是一 个重要的影响因素。


由于层 状撕裂的影响很大,危害也甚为严重,因此需要在施工之前,对钢材 层状撕裂的敏感性作出判断。


常用的评定方法有Z向拉伸 断面收缩率和插销Z向临界应力法。为防止层状撕裂,断面收缩率 应不小于15%,一般希望 =15~20%为宜,当25%时,认为抗层状撕裂优异。


防止层 状撕裂应主要从以下方面采取措施:


第一,精练钢 广泛采 用铁水先期脱硫的办法,并用真空脱气,可以冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢,它的断面收缩率(Z向)可达23~25%。


第二,控制硫 化物夹杂的形态 是把MnS变成其 他元素的硫化物,使在热轧时难以伸长,从而减轻各向异性。目前广 泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢,可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。


第三,从防止 层状撕裂的角度出发,在设计 和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中,具体措施按下例参考:


1)应尽量避免单侧焊缝,改用双 侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态,为防止应力集中。


2)采用焊 接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝,以免产生过大的应力。

3)应在承受Z向应力的一侧开坡口。


4)对于T型接头,可在横 板上预先堆焊一层低强的焊接材料,以防止焊根裂纹,同时亦 可缓和焊接应变。


5)为防止 由冷裂引起的层状撕裂,应尽量 采用一些防止冷裂的措施,如减少氢量、适当提高预热、控制层间温度等。

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