電力鐵塔重要構件焊接裂紋成因分析研究

葉德生

（中電建成都鐵塔有限公司，四川 成都 610213）

1 焊接裂紋產生綜述

在某批次電力鐵塔Q345B材質十字連接板使用E501T-1焊絲組焊完成后，發現部分構件焊縫表面有細微裂紋，裂紋呈短節不連續。為了查明原因，以便于后續處理，同時也為了避免出現同樣問題而采取相應措施，對Q345B鋼十字交叉焊縫焊接裂紋原因進行分析。從出現裂紋的鋼板中截取試樣，如圖1所示。

圖1 裂紋試件取樣實物圖

為了分析真正原因，同時判斷該裂紋是否為冷裂紋，本文主要對母材及焊材成分、焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織、焊接接頭成型與硬度等三個方面進行分析和研究。

2 母材及焊材成分檢測

母材及焊材的匹配程度是影響焊縫質量的一個重要因素，因此首先對母材及焊材的成分進行檢測分析。鋼材的C、Si、Mn、S、P等元素含量進行分析，采用按國標GB/T 1591-2008進行評判，焊絲進行成分C、Si、Mn、S、P等元素進行分析，采用按國標GB/T 10045-2001標準進行評判，試驗結果見表1。

表1 鋼材及焊材化學成分復驗結果(%)

化驗結果顯示，母材、焊絲廠家的焊絲的化學成分均符合相關國家標準要求。

3 焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織分析

為了更好地判斷裂紋成因，需要對所取試件截取有裂紋試件進行宏觀和微觀觀察。

試件宏觀金相照片結果見如圖2所示，微觀金相照片見圖3所示。

圖2 試件宏觀金相

從圖2、圖3可以看出，該試件焊接接頭母材、細晶區、過熱區和焊縫的組織分別是長條狀鐵素體（F）+片狀珠光體（P）、F+P、F+P+貝氏體（B）、先析鐵素體+針狀鐵素體+珠光體。由于焊接過程中未進行清渣同時存在的較大的條形夾渣，上部夾渣尺寸約為3x11mm，上部焊縫區晶粒相當粗大。

綜合宏觀和微觀金相圖，可以判斷，裂紋系沿晶裂紋，屬結晶裂紋。

圖3 試件焊接接頭微觀組織圖

4 焊接接頭成型與硬度分析

焊接接頭的焊縫形狀系數見表2所示。

焊接接頭的硬度分布見表3所示。

表2 焊接接頭焊縫形狀系數

表3 焊接接頭硬度表（HV）

5 試驗結果分析

5.1 裂紋的定性分析

該Q345B鋼焊縫中心出現的裂紋不是冷裂紋，一者Q345B鋼焊接冷裂紋多發生在缺口效應的焊接熱影響區（起源于粗晶區），常與熔合線平行或有物理化學不均勻的氫聚集的局部地帶，裂紋的開裂行徑，有時是沿晶擴展，有時是穿晶前進，一般具有沿晶和穿晶的混合形式。二是因為在裂紋周邊的焊縫組織沒有出現馬氏體組織，焊接接頭的硬度值不高(見表2)。

由試件的宏觀和微觀組織可以看出，所有的裂紋均沿焊縫中的樹枝狀晶的交界處發生和發展的。這次焊接接頭中，裂紋沿焊縫中心縱向開裂，均為沿晶開裂的結晶裂紋。

5.2 結晶裂紋的產生原因分析

焊接熱裂紋（結晶裂紋）發生的主要原因有冶金因素和力的因素[1，2]。

結晶裂紋的產生就在于焊縫中存在液態薄膜忽然在焊縫凝固過程中受到拉伸應力共同作用的結果，液態薄膜是產生結晶裂紋的內因，而拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件。

由于焊縫金屬結晶過程中，先結晶的金屬較純，后結晶的金屬雜質較多，并富集在晶界，這些雜質所形成的共晶都具有較低的熔點，這些低熔點共晶物在金屬凝固結晶的后期，被排擠在柱狀晶交遇的中心位置，形成所謂的“液態薄膜”，并在拉伸應力的作用下使這個薄弱地帶開裂形成結晶裂紋（見圖4所示）。

圖4 焊縫中結晶裂紋的產生原因

5.2.1 力的因素

由于現場焊接時，所有的焊縫均在點固后進行焊接，焊接接頭不可能避免焊接殘余應力的存在。接頭焊接時焊縫的橫向收縮由于受到限制，勢必產生橫向拉伸應力，此為引起結晶裂紋的力學因素，寬的焊道，由于橫向收縮量大，造成殘余應力比正常的焊道狀況下的大，這是此次裂紋問題的主要原因之一。

5.2.2 合金元素的因素

合金元素中S、P雜質元素的存在肯定會增加結晶裂紋的傾向。S和P在鋼中能形成多種低熔點共晶物，在接有結晶過程中極易形成液態薄膜，并且S和P在鋼中還能引起元素的偏析，材料復驗顯示，焊材和鋼材的S、P未超標，但是由于焊接線能量大，焊接速度低造成寬焊道冷卻速度較慢，焊縫區晶粒相當粗大，S、P偏析應該較為嚴重，從而最后凝固的位置S、P含量增高，從而形成“液態薄膜”，是形成熱裂紋的內因。

一般，碳元素也是鋼中影響結晶裂紋的主要元素，并能加劇S、P元素的有害作用。但是，經過檢測，焊材和鋼材的C含量不高，因此，C不是造成熱裂紋的主因。

5.2.3 焊接工藝因素

焊接工藝和材料成分是影響結晶裂紋的冶金因素的兩個方面。焊接工藝也是可能造成焊接接頭出現結晶裂紋的重要因素，例如高的線能量、不合適的焊縫形狀系數等。

高的線能量容易造成焊接接頭過熱，焊縫組織更加的粗大，成分偏析更加嚴重，從而結晶裂紋傾向增加。而焊接工藝也將較大的影響焊縫的成型。不合適的焊縫形狀系數也是造成結晶裂紋傾向的重要原因。

通過對截取的焊接接頭的焊縫形狀系數檢測(見表1)可以發現，表面焊道寬深比很大，焊道很寬，焊縫形狀系數達到3.75，而根據相關文獻[3，4]可以知道，熔化焊焊接的焊縫形狀系數（φ=B/H）一般要求在1.3~2.0，特別是埋弧焊方法尤其需要注意。該裂紋問題中造成熔寬過大是由焊接過程中擺動較大造成。

過寬的焊縫寬度和過淺的焊縫熔深，極容易出現結晶裂紋現象，接近焊縫表面附近的區域晶粒長大方向與焊縫表面垂直，最后凝固的區域偏析嚴重，雜質聚集在粗大的焊縫中心柱狀晶斜對生處形成的液態薄膜，在焊接接頭焊縫區較大的殘余拉應力作用下形成熱裂紋。

綜合分析以上的幾方面因素，該焊縫非冷裂紋，不合適的焊接工藝規范使得焊縫形狀系數過大是造成多處焊縫出現結晶裂紋的主要原因。

6 裂紋預防措施

6.1 嚴格進行材料成分控制

嚴格限制焊縫中的C、S、P含量，是有效防止產生結晶裂紋的根本措施，嚴把母材和焊接材料的材料關。使用含Mn量適中的焊接材料有利于降低結晶裂紋的傾向。

6.2 減小熱輸入

適當減小焊接線能量輸入，避免焊縫中產生粗大的柱狀組織，可以防止雜質聚集偏析。

6.3 適當降低焊縫的形狀系數

采用合適的焊接工藝方法進行焊接，焊高設計較大時，宜采用多層多道焊方法，才能保證良好的焊縫形狀系數，從而避免熱裂紋的產生。

6.4 焊道清渣

焊接時嚴格要求清除每道焊縫表面的渣殼，避免渣池中的雜質元素滲入后一道焊縫中。

7 結語

引起焊縫裂紋的成因很多，熱裂紋可及時發現，可及時進行處理，冷裂紋出現裂紋的時間不定，不易發現，危害極大。因此，對產成品出現的裂紋進行定性分析十分必要，以此判斷裂紋是個別問題還是批量問題，為后續處理提供依據。本文通過對母材及焊材成分、焊接接頭裂紋處裂紋狀況與組織、焊接接頭成型與硬度等三個方面進行分析，找出了焊縫裂紋的成因，并提出了預防措施，避免了后續焊接過程中焊接裂紋的產生，同時也為同行業低合金焊接預防裂紋提供參考。焊接是一個復雜的冶金過程，影響焊縫質量的因素很多，我們還需要不斷探索，考慮各種因素，用最優方法進行實驗分析，找出并總結規律，實現焊縫質量滿足設計要求。