高強度鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋淺析

李學(xué)成

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

高強度鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋淺析

Analysis of high-strength steel welding crack

李學(xué)成

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

低合金高強度鋼在產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛，特別是焊接結(jié)構(gòu)。本文重點論述低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)的裂紋產(chǎn)生及預(yù)防措施。

焊接；低合金高強度鋼；裂紋；預(yù)防措施

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是含碳量Wc≤0.20%的碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上，并加入少量的合金元素。如釩、鈮、鈦、鋁和稀土（RE）等微量元素。其基本牌號有Q295，Q345，Q390，Q420，Q46等鋼級表示。另外，此類鋼中還含有鉻、鎳、銅等耐腐蝕元素。同碳素結(jié)構(gòu)鋼比，具有強度高、綜合性能好、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟性良好等優(yōu)點，同時具有良好的焊接性能、冷變形加工性能和一定的耐腐蝕性。該鋼被廣泛用于橋梁、壓力容器、汽車制造、石油化工、海洋工程、航空航天及核能工業(yè)中。

我國的低合金高強度鋼在開發(fā)和應(yīng)用上引進和消化國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)，發(fā)展更為迅速，并受到世人的矚目。但低合金高強鋼在焊接結(jié)構(gòu)上，還存在有一定的焊接缺陷，特別是焊接裂紋影響最大。

1 低合金高強鋼的焊接裂紋分析

1.1 焊接裂紋及危害

焊接裂紋，是焊接結(jié)構(gòu)中最常見的一種嚴重缺陷，是一種非常危險的工藝缺陷。焊接裂紋不僅發(fā)生于焊接過程中，有的還有一定的潛伏期。

裂紋不僅給結(jié)構(gòu)帶來應(yīng)力集中，消弱結(jié)構(gòu)的承載能力。而且使用后期可能成為各種斷裂的斷裂源，造成設(shè)備的低應(yīng)力斷裂，影響其安全使用。裂紋按其形成的條件，可分為熱裂紋、冷裂紋、層狀裂紋和再熱裂紋。

1.2 裂紋產(chǎn)生原因

（1）熱裂紋。雜質(zhì)元素及硫化夾雜物等在結(jié)晶過程中會形成低熔點共晶體，結(jié)晶時被擠到晶界上，凝固收縮時，焊縫在拉應(yīng)力作用下形成熱裂紋。高溫下形成，有氧化色彩；但有時也能在低于固相線的溫度下產(chǎn)生。熱裂紋通常多產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，但也可能形成在焊接熔合線附近的被焊金屬內(nèi)，焊后立即產(chǎn)生。低熔點共晶體是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，焊接拉應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的外因。

（2）冷裂紋。焊接接頭冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變點附近或在300 ℃以下的裂紋。隨著鋼材強度的提高，或碳當量大于0.40%鋼，淬硬程度增加，裂紋出現(xiàn)傾向也增強。主要產(chǎn)生在熱影響區(qū)以及焊縫金屬內(nèi)，裂紋走向為沿晶或穿晶，嚴重時造成整個結(jié)構(gòu)斷裂。最常見的是延遲裂紋，延遲時間不定，由幾分鐘到幾年不等，不易檢測，因此冷裂紋是焊接結(jié)構(gòu)最危險的裂紋形式。形成的主要因素有:①金屬材料的含氫量偏高，結(jié)晶過程中氫向熱影響區(qū)擴散、聚集；②冷卻速度過快，得到馬氏體淬硬組織；③強行裝配、焊接順序不合理形成殘余應(yīng)力。

（3）層狀裂紋。主要產(chǎn)生于厚板角焊縫，主要接頭形式為T型接頭、角接頭等。其特征為平行于鋼板表面，沿軋制方向呈階梯形發(fā)展。這種裂紋往往不限于熱影響區(qū)內(nèi)，也可出現(xiàn)在遠離表面的母材中。其產(chǎn)生的主要原因是由于金屬中非金屬夾雜物的層狀分布，使鋼板沿板厚方向在焊接應(yīng)力，所以引起層狀撕裂，且難以修復(fù)。

（4）再熱裂紋。焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或其它加熱過程）而產(chǎn)生的裂紋稱為再熱裂紋。再熱裂紋通常發(fā)生在熔合線附近的粗晶區(qū)中，從焊趾部位開始，延向細晶區(qū)停止。

①低熔點雜質(zhì)及錫、鉛等微量元素偏析于晶界處，重新加熱出現(xiàn)熔化。②鋼中鉻、鉬、釩、鈮、鈦等元素形成了金屬化合物強化了晶內(nèi)，而使晶界承載了更大的應(yīng)力，會促使形成再熱裂紋。③與加熱速度和加熱時間有關(guān)，不同的鋼種存在不同的易產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度范圍。

2 裂紋的預(yù)防措施

2.1 冷裂紋的預(yù)防措施

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇拘束小的接頭形式。

（2）坡口制備，嚴格按照WPS要求，控制坡口尺寸及組裝。冷卻速度很快，容易產(chǎn)生裂紋。

（3）焊前預(yù)熱，溫度比較低及厚板環(huán)境下，預(yù)熱是必須的。還要嚴格控制預(yù)熱溫度，層間溫度；焊后立即進行保溫緩冷或后熱，降低冷卻速度，加速氫的擴散逸出。

（4）焊材匹配，盡量選擇低氫型焊材；嚴格進行烘烤。

（5）選擇低氫型的焊接方法和工藝。

（6）選擇合理的焊接規(guī)范，減慢焊接接頭的冷卻速度改善焊縫及熱影響區(qū)淬硬組織狀態(tài)；選擇合理的焊接順序，減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

（7）焊后熱處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，改善其韌性；進行消氫處理。

2.2 熱裂紋的預(yù)防措施

（1）設(shè)計均布焊縫，滿足強度要求時，減少焊縫數(shù)量和密集程度，從而減小焊接應(yīng)力。

（2）嚴格控制熱輸入量。

（3）焊縫金屬化學(xué)成分，限制鋼材易偏析的元素和有害雜質(zhì)的量，特別應(yīng)控制硫、磷的含量和降低含碳量，碳＜0.15%，硫＜0.045%，磷＜0.055%。

（4）焊接材料，焊芯的碳＜0.10%，硫＜0.03%，磷＜0.03%，焊接高合金鋼時更應(yīng)嚴格控制。焊條或焊劑盡量選擇堿性，提高脫硫、脫磷的能力。

（5）采用多焊道方法，改善焊縫組織，細化焊縫品粒，以提高其塑性，減少或分散偏析程度，控制低熔點共晶體的有害影響。

（6）合理安排焊接次序，使焊縫盡可能在較小的剛度下焊接，使各焊縫能焊自由收縮。

（7）焊前預(yù)熱和焊后緩冷。

2.3 層狀裂紋的預(yù)防措施

（1）設(shè)計上避免應(yīng)力集中（盡量不采用T型接頭等）；避免單側(cè)焊縫，改為雙側(cè)焊縫；滿足強度的基礎(chǔ)上減少焊縫尺寸。

（2）選用具有抗層狀撕裂的鋼材，降低鋼中的硫、氧、硅及夾雜物的含量。

（3）嚴格控制零件下料尺寸，盡量做到裝配側(cè)平整平齊。下料時考慮鋼板的軋制方向。

（4）降低焊縫含氫量，提高預(yù)熱溫度，控制層間溫度。

（5）預(yù)堆焊層，在橫板上焊一層低強度的熔敷金屬，提高熔敷金屬的塑性。

2.4 再熱裂紋的預(yù)防措施

（1）預(yù)熱。若焊后能及時后熱，可適當降低預(yù)熱溫度。

（2）選用合適的焊接材料，提高金屬在消除應(yīng)力熱處理溫度時的塑性，以提高承擔松弛應(yīng)變的能力。

（3）減少焊接應(yīng)力，合理地安排焊接順序，減少余高，避免咬邊及根部未焊透等缺陷以減少焊接應(yīng)力。

（4）采用正確的熱處理規(guī)范和工藝，嚴格控制在敏感溫度的停留時間及盡可能加快升溫速度。盡量不在熱敏感區(qū)長時間停留。

（5）減小熱影響區(qū)的過熱傾向，細化奧氏體晶粒。

3 結(jié)論

本文論述了高強度結(jié)構(gòu)鋼中焊接時存在的各種裂紋形式、產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施。可以指導(dǎo)實際生產(chǎn)制定詳細的工藝規(guī)程，有助于焊接作業(yè)的安全生產(chǎn)，有助于提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

[1] 焊接手冊[M]. 機械工業(yè)出版社，2008.

[2] GB/T1591—2008. 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼.

[3] 陳裕川. 焊接工藝設(shè)計與實例分析[M]. 機械工業(yè)出版社，2009.11.

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TG142

1009-797X (2015) 24-0053-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.017

李學(xué)成（1968-），男 ，高級工程師，主要從事金屬材料、焊接技術(shù)教學(xué)及科研工作。

2015-11-10