焊接裂紋形成的原因及防止措施

劉成國

摘要：當前，我國工業正處于蓬勃發展階段，焊接作為一門重要的金屬加工工藝，在機械、石油、化工、建筑、交通、礦山等各行業都得到了廣泛的應用。焊接是生產過程中的一個重要環節，必須保證其質量可靠，進而提高安全性，促進生產的發展。焊接缺陷是生產中極為不利的因素，為提高焊接質量和結構的可靠性，應該避免在焊接接頭中產生裂紋。基于此，本文對焊接裂紋形成的原因及防止措施進行探討，以供參考。

關鍵詞：焊接裂紋；形成原因；防止措施

1、引言

在焊接應力及其他致脆因素的作用下，焊接接頭中局部區域因開裂而產生的縫隙稱為焊接裂紋。在焊接生產中出現的裂紋形式是多種多樣的，根據裂紋產生的情況，可把焊接裂紋歸納為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂。裂紋是焊接結構最危險的一種缺陷，不僅會使產品報廢，而且還可能引起嚴重的事故。所以如何避免裂紋的產生是保證焊接質量的關鍵。本文主要討論焊接裂紋形成的原因及防止措施。

2、焊接裂紋的分類

通常焊接裂紋可以分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、和層狀撕裂四類。

首先是熱裂紋，當焊接焊縫凝固時，在高溫區域，會沿著奧氏體品界面開裂，形成熱袋紋，其特點是在焊接完成之后，就可以明顯的觀察到裂紋，同時經常發生在焊縫中心位置，沿著焊縫長度方向分布。其次是冷裂紋，冷裂紋是在焊后較低的溫度下產生的，焊接中碳鋼、高碳鋼、低合金高強度鋼、某些超高強度鋼、工具鋼、鈦合金等材料時容易出現這種缺陷。冷裂紋經常產生在熱影響區，有時也產生在焊縫金屬中。冷裂紋的特征是穿過晶粒內部開裂，裂紋斷面上沒有明顯的氧化色彩，斷口發亮。再者是再熱裂紋，焊件焊后在一點溫度范圍再次加熱（進行消除熱應力熱處理）時，由于高溫及殘余應力的共同作用而產生的晶間裂紋，叫做再熱裂紋，又叫消除應力裂紋（國外簡稱“SR”裂紋）。最后是層狀裂紋，這是冷裂紋的一種特殊形式。在大型焊接結構中，往往采用30～100mm甚至更厚的軋制鋼材，軋制鋼材中的硫化物、氧化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物，平行于鋼板表面，片狀分布在鋼板中。在沿焊件厚度方向的應力（包括焊接應力）作用下，夾雜物界面就會開裂，從而在焊接熱影響區及其附近的母材上，或遠離熱影響區的母材上，就會出現具有階梯狀的裂紋，這種裂紋就是層狀裂紋。層狀撕裂經常產生在T形接頭、十字接頭和角接接頭的熱影響區中。

此外，需要特別強調的是，焊接裂紋有時在焊接過程中產生，有時是放置一段時間后才出現的，也就是我們平時說的延遲裂紋，這種延時出現的列為在生產中無法檢測，所以其危害更加嚴重，在時間的生產中對此也要有足夠的重視。

3、焊接裂紋形成的原因

3.1焊鋼的淬硬性

如果所要焊接的鋼材是淬透性較強的鋼材，在焊接完成后，其焊縫淬硬現象更加的嚴重，通過焊縫處的觀察可以看到，在焊縫以及和接近焊縫的地方，其焊接的硬度較高，通常在焊縫的周圍全部或者部分產生馬氏體組織，因此在焊縫根部的缺口位置則應力較為集中，從而產生了焊縫出現了縱向的裂紋。

3.2氫的影響

氫對冷裂紋的影響是明顯的。焊縫氫含量越高，裂紋的傾向就越大。焊接區擴散氫對焊接裂紋有直接的影響，因為氫的擴散性很強。例如某產品選用的E4303焊條，屬鈦鈣型焊條，脫硫、磷能力差。另外，焊條的烘干溫度不夠。焊接時，焊條中的水份、電弧周圍的水蒸氣和母材表面的鐵銹和油污等，都是氫的來源。在電弧高溫氣氛下，電弧中的溶滴和熔池從周圍氣氛中吸取氫，大量的氫溶解在熔池中。當熔池金屬冷卻結晶時，奧氏體轉變為鐵素體，珠光體和馬氏體，引起氫的溶解度急劇降低。此時，氫來不及逸出熔池表面而殘存在焊縫中，氫向含量較小的焊縫中的熱影響區母材側擴散，在熔合區的未混合區及半熔合區的液化了的晶界上，或形成的馬氏體的晶界上，成為殘余氫。當焊接接頭冷卻到室溫附近時，這些殘余氫便在三晶粒頂角的晶界部積累，形成微裂紋。當構件在受到外力的情況下，微裂紋便會迅速擴散，最后導致焊接接頭脆性斷裂。

3.3焊縫根部塑性的影響

焊縫根部的塑形直接影響到焊縫的抗裂性能，如果焊縫中的合金成分不合理，就會降低焊縫的塑形和強度，大大增加了出現焊接裂紋的概率，同時也影響了焊縫的機械性能。因此在選擇焊接材料時，要保證其合金金屬填充合理，避免焊縫根部塑形的降低。

3.4應力條件的影響

焊縫和熱影區在不均勻加熱和冷卻時，除了溫度降低引起的體積收縮之外，固態組織轉變也要引起體積變化。當奧氏體分解轉變為馬氏體、貝氏體和魏氏體等組織時都要引起體積膨脹，而轉變后的這些組織的膨脹系數也降低，引起了局部體積變化。奧氏體分解時的體積膨脹并不是自由的，而受周圍金屬的拘束，結果造成內應力。對于鑄鋼和中碳鋼，焊后冷卻到200～350℃時才發生奧氏體分解，轉變生成馬氏體，這時鋼的塑性已經很低，屈服極限很高，就會造成很大的內應力，而馬氏體既硬又脆，很容易在淬火區產生冷裂紋。焊接時，焊件是放入夾具中進行焊接的，冷卻時，構件由于受到夾具的約束而不能自由收縮，焊接應力無法釋放。當構件冷卻后取下夾具，存在結構中的橫向拉應力使冷裂紋的產生和發展，加速構件焊接接頭的破壞。如自身拘束應力越大，越容易產生裂紋。鑄鋼和45#鋼焊接時產生的裂紋，能使焊縫出現不連續現象，而裂紋的尖端應力集中，在承受交變或沖擊載荷時，會使裂紋迅速擴展，最后導致焊接接頭斷裂。

3.5造成焊接裂紋的其他原因

焊接裂紋的產生除了工藝和材料方面的原因，人為因素和環境條件也是出現焊接裂紋的重要原因。例如在焊接過程中，部分施工人員對于焊縫裂紋的重視程度不夠，其制定的焊接標準較低，不能滿足工程需要的焊接要求，很容易的產生了較多的裂紋。同時部分施工人員沒有能嚴格的按照焊接操作流程，造成了焊接的質量較差，而在施工過程中也沒有相應的專業指導，從而造成了質量監督的不嚴。此外部分施工現場較亂，也存在著組織管理和人員素質的問題，從而造成了焊接裂縫的出現。

4、防止焊接裂紋的措施

4.1防止產生熱裂紋的措施

①限制鋼材及焊接材料中易偏析的元素和有害雜質的含量，應盡量減少硫、磷的含量。②降低焊縫的含碳量，使其小于0.15%時，產生熱裂紋的傾向比較小。③調整焊縫金屬的化學成分，以改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，減少或分散偏析雜質，控制低熔點、共晶的有害影響。④提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質含量，改善偏析程度。⑤控制焊接規范，適當提高焊縫形狀系數，采用多層多道焊法，焊前預熱和焊后緩冷，防止在焊縫中心線處產生裂紋。⑥正確選用焊接接頭形式。接頭形式不同，其剛性大小、散熱條件、結晶特點都不同，因而產生熱裂紋的傾向也不一樣。⑦合理安排焊接次序，盡量使大多數焊縫在較小的剛度下焊接，使各條焊縫都有收縮的可能。⑧焊縫焊完時，采用電弧引出板，或用斷續弧填滿弧坑，都可以減少弧坑裂紋。

4.2防止產生冷裂紋的措施

焊前預熱與焊后緩冷：經過預熱來減少因溫差大而產生出的應力，使冷卻的速度得到緩解，顯微組織得到改進。焊后緩冷則可以有效減緩焊接熱影響區的硬度與脆性，塑性得到提高，接頭中的氫得以加速擴散出去。①采用減少氫的工藝措施：焊前將焊條、焊劑烘干；正確選擇電源與極性；注意操作方法；②合理選用焊接材料：為了盡量減少焊接時帶入焊縫中的氫含量，選擇焊條時，應選擇堿性低氫型的焊條；③采用適當的工藝參數：可對焊接速度進行相應的調整，必要時，應把速度放慢，以減緩焊接接頭冷卻速時間。焊接時如果速度過快，很容易發生淬火組織；過低，晶粒粗大，淬火區加寬。兩者都將產生焊接冷裂紋；④選用合理的裝焊順序，可改善焊件的應力狀態；⑤進行焊后熱處理：可采用高溫回火及改善接頭組織及性能等，以便氫的排出及減少焊接應力。

4.3防止產生再熱裂紋的措施

①控制母材及焊縫金屬的化學成分，適當調整對再熱裂紋影響最大因素的含量。②選擇抵抗再熱裂紋能力高的焊接材料，提高焊縫金屬在消除應力處理方面的塑性。③減少接頭剛性和應力集中的可能，將焊縫及其與母材交界處打磨光滑。④選用大規范、高線能量進行焊接。⑤消除應力回火處理時應避開產生再熱裂紋的敏感溫度區。

4.4防止產生層狀撕裂的措施

層狀撕裂一般有三種類型：第一類是焊跟或焊趾處引的層狀撕裂；第二類是夾雜物為裂紋源并沿熱影響區擴展的層狀撕裂；第三類是遠離熱影響區，在板厚中央部位的層狀撕裂。防止措施：針對第一類：降低鋼材焊接冷裂敏感性；降低鋼材的含硫量，選用精煉的抗層狀撕裂用鋼；防止角變形，改善接頭形式及破口形狀，從而防止應力應變集中；降低焊縫中的含氫量。針對第二類：降低鋼中硫、氧、硅、鋁等的含量，并在鋼中加入稀土元素；改善鋼材的軋制條件和熱處理；緩和外部的Z向拘束；提高焊接金屬塑性并降低氫量。針對第三類：選用耐層狀撕裂用鋼；軋制鋼板端面機加工及仔細裝配；改善接頭形式及破口形狀；預堆焊層。

5、結束語

焊接質量直接決定了工程的質量，但是在焊接施工中，經常出現較多的焊接裂紋，因此要詳細分析出現焊接裂紋的原因，并通過嚴格的控制與管理，減少焊接裂紋的出現，提高工程的質量。此外，工作業人員在實際工作中要注意積累經驗和教訓，以便更好地指導生產。

參考文獻：

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[2]板對接立位實芯焊絲CO2氣體保護焊焊接工藝研究[J].賈東，劉增峰，郭建明，都宏海，劉永慶.焊管.2016（06）.

（作者單位：神東煤炭集團設備維修中心）