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焊接裂纹的形成与防止措施

时间:September 5, 2018  |   点击: 1280



焊接裂纹的定义与分类

把存在于焊缝或热影响区中开裂而形成的缝隙称为焊接裂纹。焊接裂纹是最危险的焊接缺陷,严重地影响着焊接结构的使用性能和安全可靠性,许多焊接结构的破坏事故,都是焊接裂纹引起的。裂纹除了降低焊接接头的强度外,还因裂纹的末端有一个尖锐的缺口,将引起严重的应力集中,促使裂纹的发展和焊接结构破坏。焊接裂纹的形式是多种多样的,有的分布在焊缝的表面,有的分布在焊缝内部,有的则分布在热影响区。通常把平行于焊缝的裂纹称为纵向裂纹,垂直于焊缝的裂纹称为横向裂纹,产生在弧坑中的裂纹称火口裂纹或弧坑裂纹。

根据形成焊接裂纹的温度可分为热裂纹和冷裂纹,根据裂纹发生的位置可分为焊缝金属中的裂纹和热影响中的裂纹。

热裂纹的形成与防止措施

在焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹称为热裂纹。

1)热裂纹的形成。在焊缝金属中的热裂纹也称为凝固裂纹。由于被焊接的材料大多都是合金,而合金凝固自开始到最终结束,是在一定的温度区间内进行的,这是热裂纹产生的基本原因。焊缝金属中的许多杂质的凝固温度都低于焊缝金属的凝固温度,这样首先凝固的焊缝金属把低熔点的杂质推挤到凝固结晶的晶粒边界,形成了一层液体薄膜,又因为焊接时熔池的冷却速度很大,焊缝金属在冷却的过程中发生收缩,使焊缝金属内产生拉应力,拉应力把凝固的焊缝金属沿晶粒边界拉开,又没有足够的液体金属补充时,就会形成微小的裂纹,随着温度的继续下降,拉应力增大裂纹不断扩大,这就是凝固裂纹。

当焊缝金属中含有较多的低熔点杂质时,焊缝金属极易产生凝固裂纹,母材和焊接材料中含有害杂质,特别是硫。硫在钢中与铁化合形成硫化亚铁(FeS),硫化亚铁又与铁发生反应形成一种共晶物质,凝固温度为988℃远低于钢铁的凝固温度,所以硫是引起钢材焊缝金属中发生凝固裂纹的最主要的元素。另外,钢材中含碳量较高时,有利于硫在晶界处富集,因而也是促进形成凝固裂纹的原因,所以采用含碳量低的焊接材料有利于防止凝固裂纹的产生。

在热影响区熔合线附近产生的热裂纹称为液化裂纹或称热撕裂。多层焊时,前一焊层的一部分即为后一焊层的热影响区,所以液化裂纹也可能在焊缝层间的熔化线附近产生。液化裂纹的产生原因基本与凝固裂纹相似,即在焊接热循环作用下,不完全熔化晶界处的易熔杂质有一部分发生熔化,形成液态薄膜,在拉应力的作用下,沿液态薄膜形成细小的裂纹。液化裂纹一般长约0.5mm,很少超过1mm,这种裂纹可成为冷裂纹的裂源,所以危害性也很大。

热裂纹显著的特征是断口呈蓝黑色,即金属中高温被氧化的颜色。有时在热裂纹里有流入熔渣的迹象。再者,弧坑裂纹多为热裂纹。

2)防止热裂纹产生的措施如下:

①锰具有脱硫作用。母材和焊接材料若含硫量及含碳量高,而含锰量不足时,易产生热裂纹。一般要求母材、焊条,焊丝的含硫量不应超过0.04%,低碳钢和低合金网用焊条和焊丝,含碳量一般不应超过0.12%。焊条电弧焊时,正确选用焊条的型号,使用合格、优质的电焊条是防止热裂纹产生的重要措施。

②对刚性大的焊件,因焊接时产生的变形小,结果使焊接应力增大,促使热裂纹的产生。在焊接时选择合适的焊接规范,必要时应采取预热和缓冷措施,合理地安排焊接方向和焊接顺序,以减小焊接应力。

③调整焊缝金属的合金成分,如焊接铬镍不锈钢时,适当提高焊缝金属的含铬量,可显著提高焊缝金属的抗热裂纹性能。在焊缝金属中加入可使晶粒细化的元素,如钼、钒、钛、铌、锆、铝等,有利于消除集中分布的液态薄膜,有效地防止热裂纹的产生

④热裂纹极易在弧坑产生,即弧坑裂纹。焊条电弧焊时,一定要注意填满弧坑。在不加填充丝的钨极氩弧焊中,收弧时,焊接电流要逐渐变小,等焊接熔池的体积减少到很小时,再切断焊接电流。焊接难以消除弧坑裂纹的材料时,应使用引出板把弧坑引出。

冷裂纹的形成与防止措施

冷裂纹指焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。冷裂纹与热裂纹的主要区别是:冷裂纹在较低的温度下形成,一般在200~
300℃以下形成。冷裂纹不是在焊接过程中立生的,而是在焊后延续一定时间后才产生,如果钢的焊接接头冷却到室温后并在一定时间(几小时,几天,甚至十几天以后)才出现的冷裂纹就称为延迟裂纹;冷裂纹多在焊接热影响区内产生,如沿应力集中的焊缝根部所形成的冷裂纹称为焊根裂纹;沿应力集中的焊趾处所形成的冷裂纹,称为焊趾裂纹;在靠近堆焊焊道的热影响区内所形成的裂纹称为焊道下裂纹。冷裂纹有时也在焊缝金属内发生。一般焊缝金属的横向裂纹多为冷裂纹。冷裂纹与热裂纹相比,冷裂纹的断口无氧化色。

冷裂纹产生的原因有:钢材的淬火倾向、残余应力、焊缝金属和热影响区的扩散氢含量。其中氢的作用是形成冷裂纹的重要因素。

当焊缝和热影响区的含氢量较高时,焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散,当这些氢不能逸出时,就聚集在离熔合线不远的热影响区中;如果被焊材料的淬火倾向较大,焊后冷却下来,在热影响区可能形成马氏体组织,该种组织脆而硬;再加上焊后的焊接残余应力,在上述三个因素的共同作用下,导致了冷裂纹的产生。

由于在不同的材料中氢的扩散速度不同,因而使冷裂纹的产生具有延迟性。

防止冷裂纹产生的具体措施如下:

①焊前预热和焊后缓冷,不仅能改善焊接接头的组织,降低热影响区的硬度和脆性,还能加速焊缝中的氢向外扩散,并起到减少焊接应力的作用。

②选用合适的焊接材料,如选用碱性低氢型焊条,在焊前将焊条烘干,并随用随取。在焊前应仔细清除坡口的周围的水、油、锈等污物,以减少氢的来源。

③选择合适的焊接规范。尤其是焊接速度,既不能过快,也不能太慢。焊接速度太快,易形成淬火组织;焊接速度太慢,会使热影响区变宽,总之,都会促使产生冷裂纹。在焊接时,应采用合理的装配和焊接顺序,以减小焊接残余应力。

④焊后及时进行消除应力热处理和去氢处理,消除残余应力,使氢从焊接接头中充分逸出,所谓去氢处理,一般指焊件焊后立即在200~350℃的温度下保温2~6h,然后缓冷。其主要目的是使焊缝金属内的扩散氢加速逸出。

再热裂纹的形成及防止措施

再热裂纹是指焊后焊件在一定温度范围内再次加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹。高温下工作的焊件,在使用过程中也会产生这种裂纹。尤其是含有一定数量的铬、钼、钒、钛、铌等合金元素的低合金高强度钢,在焊接热影响区有产生再热裂纹的倾向。

再热裂纹一般位于母材的热影响区中,往往沿晶界开裂,在粗大的晶粒区,并且是平行于熔合线分布。

产生再热裂纹的原因是:焊接时,在热影响区靠近熔合线处被加热到1200℃以上时,热影响区晶界的钒、钼、钛等的碳化物熔于奥氏体中;当焊后热处理重新加热,加热温度在500~700℃的范围内时,这些合金元素的碳化物呈弥散状重新析出,晶粒内部强化,而晶界相对地被削弱。这时,若焊接接头中存在较大的焊接残余应力,而且应力超过了热影响区熔合线附近金属的塑性,便产生了裂纹。

防止再热裂纹产生的措施如下:

①焊前工件应预热至300~400℃,且应采用大规范进行施焊。

②改进焊接接头形式,合理地布置焊缝,减小接头刚度,减小焊接应力和应力集中,如将V形坡口改为U形坡口等。

③选择合适的焊接材料。在满足使用要求的前提下,选用高温强度低于母材的焊接材料,这样在消除应力热处理的过程中,焊缝金属首先产生变形,对防止再热裂纹的产生就十分有利。

④合理选择消除应力热处理的温度和工艺。比如:避开再热裂纹敏感的温度,加热和冷却尽量慢,以减小温差应力。也可以采用中间回火消除应力措施,以使接头在最终热处理时有较低的残余应力。





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