焊接裂紋專題——成因分析及其防治措施

1、焊接裂紋的現象

在焊縫或近縫區，由於焊接的影響，材料的原子結合遭到破壞，形成新的界面而產生的縫隙稱為焊接裂縫，它具有缺口尖銳和長寬比大的特徵。

按產生時的溫度和時間的不同，裂紋可分為：熱裂紋、冷裂紋、應力腐蝕裂紋和層狀撕裂。在焊接生產中，裂紋產生的部位有很多。有的裂紋出現在焊縫表面，肉眼就能觀察到；有的隱藏在焊縫內部，通過探傷檢查才能發現；有的產生在焊縫上；有的則產生在熱影響區內。 值得注意的是，裂紋有時在焊接過程中產生，有時在焊件焊後放置或運行一段時間之後才出現，後一種稱為延遲裂紋，這種裂紋的危害性更為嚴重。常見裂紋的發生部位與型態如下圖所示。

常見裂紋的發生部位與型態

2、焊接裂紋的危害

焊接裂縫是一種危害最大的缺陷，除了降低焊接接頭的承載能力，還因裂縫末端的尖銳缺口將引起嚴重的應力集中，促使裂縫擴展，最終會導致焊接結構的破壞，使產品報廢，甚至會引起嚴重的事故 。通常，在焊接接頭中，裂縫是一種不允許存在的缺陷。一旦發現即應徹底清除，進行返修焊接。

3、焊接裂紋的產生原因及防治措施

由於不同裂縫的產生原因和形成機理不同，下面就熱裂縫、冷裂縫和再熱裂縫三類分別予以討論。

3.1、熱裂紋

熱裂縫一般是指高溫下（從凝固溫度範圍附近至鐵碳平衡圖上的A3線以上溫度）如下圖所示所產生的裂紋，又稱高溫裂縫或結晶裂縫。

熱裂縫通常在焊縫內產生，有時也可能出現在熱影響區，如圖所示。

原因：

由於焊接熔池在結晶過程中存在著偏析現象，低熔點共晶和雜質在結晶過程中以液態間層存在形成偏析，凝固以後強度也較低，當焊接應力足夠大時，就會將液態間層或剛凝固不久的固態金屬拉開形成裂縫。

此外，如果母材的晶界上也存在有低熔點共晶和雜質，則在加熱溫度超過其熔點的熱影響區，這些低熔點化合物將熔化而形成液態間層，當焊接拉應力足夠大時，也會被拉開而形成熱影響區液化裂縫。

總之，熱裂縫的產生是冶金因素和力學因素綜合作用的結果。

防治措施：

防止產生熱裂縫的措施，可以從冶金因素和力學因素兩個方面入手。

1） 控制母材及焊材有害元素、雜質含量

限制母材及焊接材料（包括焊條、焊絲、焊劑和保護氣體）中易偏析元素及有害雜質的含量。特別應控制硫、磷等雜質元素的含量和降低含碳量。

硫幾乎不溶於鋼，它與鐵生成低熔點的硫化鐵（FeS）。焊接時，硫化鐵的存在會導致焊縫熱裂和在熱影響區出現液化裂縫，使焊接性能變壞；同對硫以薄膜形式存在於晶界， 會使鋼的塑性和韌性下降。一般用於焊接的鋼材中硫含量應不大於0.045%。有時還需要更嚴格的控制。

磷會使鋼的塑性和韌性下降，提髙鋼的脆性轉變溫度，並使焊縫和熱影響區產生裂縫。磷含量應不大於0.055%。有時還需要更嚴格的控制

材料的焊接性能與含碳量密切相關。鋼材含碳量越髙，焊接性能變差。一般認為，焊縫中碳含量控制在0.10 %以下，熱裂縫敏感性可大大降低。

調整焊縫金屬的化學成份，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，以提高其塑性，減少或分散偏析程度，控制低熔點共晶的有害影響。例如焊接奧氏體不鏽鋼時，採用奧氏體加鐵素體的雙相組織焊縫，可以提高其抗熱裂性能。而單相奧氏體組織的焊縫，則容易產生熱裂紋。

採用鹼性焊條或焊劑，以降低焊縫中的雜質含量，改善結晶時的偏析程度。

控制焊接規範，適當提高焊縫的形狀係數，採用多層多道焊法，避免中心線偏析， 可防止中心線裂縫，焊接時，單道焊縫截面上焊縫寬度與焊縫厚度的比值叫焊縫的形狀係數或焊縫成形係數。當焊縫的形狀係數過小時，焊縫窄而深，低熔點雜質會聚集在焊縫中心，產生熱裂縫的可能性大大增加，當焊縫的形狀係數較大時，焊縫寬而淺，低熔點共晶和雜質聚集在焊縫近表面區，大大降低了中心線裂縫的傾向

5）採取降低焊接應力工藝措施

採取各種降低焊接應力的工藝措施，如採用合理的焊接順序和方法、釆用較小的焊接線能量、整體預熱和錘擊法等。

6）收弧時填滿弧坑，可避免產生弧坑裂縫。

3.2、冷裂紋

冷裂縫一般是指焊縫在冷卻過程中至A3溫度以下所產生裂縫。形成裂縫的溫度通常為300~200℃以下，在馬氏體轉變溫度範圍內，故稱冷裂縫。

冷裂縫可以在焊接後立即出現，也可以在焊接以後的較長時間才發生，故也稱為延遲裂縫。由於冷裂縫的產生與氫有關，也稱氫致裂縫。冷裂縫的產生具有延遲性質，有可能造成預料不到的嚴重事故。因此，它具有更大的危險性，必須充分重視。

冷裂紋產生原因

形成冷裂縫的基本條件是：焊接接頭形成淬硬組織；擴散氫的存在和濃集；存在著較大的焊接拉伸應力。這三個條件相互影響，相互促進。在不同情況下，三者中任何一個因素都可能導致冷裂紋的產生，其中擴散氫是誘發冷裂縫的最活躍的因素。

冷裂紋防治措施

1）採用鹼性焊條或焊劑，減少焊縫金屬中的擴散氫含量。鹼性焊條又稱低氫焊條，能降低焊縫金厲中的含氫量。

2）焊條和焊劑在使用之前應嚴格按照規定的要求進行烘乾。此外，還應仔細清理坡口和焊絲，去除油污、水份和銹斑等贓物，以減少氫的來源。

3）選擇合理的焊接規範和線能量，如焊前預熱、控制層間溫度、焊後緩冷等，改善焊縫及熱影響區組織狀態。

4）焊後及時進行熱處理。一是進行退火處理，以消除內應力，使淬火組織回火，改善其韌性；二是進行消氫處理，使氫從焊接接頭中充分逸出。

5）提髙鋼材質量，減少鋼材中的層狀夾雜物，從結構設計和焊接工藝方面採取措施減小板厚方向上的焊接拉應力，可防止層狀撕裂。

6）採取降低焊接應力的各種工藝措施（詳見熱裂縫，防止措施）

3.3、再熱裂紋

再熱裂縫起源於焊接熱影響區的粗晶區，具有晶界斷裂的特徵。裂縫大多發生在應力集中部位。一般在焊縫區域再次受到加熱時形成，故稱再熱裂縫。

再熱裂紋產生原因

產生再熱裂縫的原因，一般認為是在再加熱時，在第一次熱過程中過飽和固溶的碳化物（主要是釩、鉬的碳化物）再次析出，造成晶內強化，使滑移應變集中於原先的奧氏體晶界。當晶界的塑性應變能力不足以承受鬆弛應力過程中所產生的應變時，就形成再熱裂縫。

再熱裂紋防治措施

1）減小殘餘應力和應力集中，如提高預熱溫度、焊後緩冷、使焊縫與母材平滑過渡等。

2）在滿足設計要求的前提下，選擇適當的焊接材料，使焊縫金屬的高溫強度稍低於母材，讓應力在焊縫中鬆弛，可避免在熱影響區產生裂縫。

3）在保證室溫接頭強度的情況下，提高消除應力退火溫度，致使析出比較粗大的碳化物粒子，以改善高溫延性。