焊接裂紋分類及防止方法

摘要焊接裂紋相比於其他焊接缺陷更具有危害性。防止焊接裂紋，提高焊件質量成為重要課題。文章考察了焊件開裂的防止對策（以不鏽鋼及Ni基合金為重點），為機車車輛製造、修理作業在使用焊接工藝時提供參考。

1 概述

焊接裂紋是指:焊接施工時、焊接後熱處理時、以及在工廠及現場實施耐壓試驗時，結構件使用中在焊接區萌生的各種裂紋的總稱。

焊接裂紋相比於其他的焊接缺陷，諸如氣孔及卷人熔渣等，對焊接結構件造成的影響特別大，可以說有致命的危害也不為過。具體而言，裂紋分為以下多種類型:

(1)根據裂紋萌生部位有母材裂紋與焊接金屬裂紋;

(2)根據裂紋大小有微觀裂紋與宏觀裂紋;

(3)根據裂紋萌生溫度有高溫裂紋與低溫裂紋;

(4)根據相對於焊道的方向，有焊道縱向裂紋與焊道橫向裂紋;

(5)從裂紋萌生時期看，有再熱裂紋;

(6)從裂紋萌生形態看，有焊縫根部裂紋、焊趾裂紋及根部裂紋,焊接焊口裂紋等。

2 焊接裂紋的分類

焊接裂紋根據裂紋萌生的部位、萌生時的溫度、以及形狀劃分為多種類型，圖1表示為裂紋的種類，圖2表示裂紋的分類。

3 防止焊接裂紋的對策

3.1 高溫裂紋

P,S,B等合金元素的微量添加，會大幅降低材料的熔點，導致凝固脆化溫度區域增大，裂紋敏感性提高。奧氏體系不鏽鋼焊接金屬的高溫裂紋即結晶裂紋的敏感性與鐵素體含量有密切關係，當鐵素體含量約為10%時，結晶裂紋敏感性最小。此外，無論鐵素體超過10%或低於10%，裂紋的萌生都會增加。由此可知，選擇鐵素體含量為10%的焊接材料是防止焊接裂紋生成的重要因素。

當然，在母材方面，曝露在高溫下的HAZ中，P及S的影響會體現出來，因此使用這類雜質元素含量低的材料也是防止焊接裂紋的一種重要方法。下面將說明鐵素體對於裂紋萌生的改善效果。

(1)當鐵素體在室溫下的殘餘量為10%時，凝固模式為FA模式(由鐵素體發生奧氏體相變)。在此模式下，結晶裂紋的最終溫度區域中將有液體薄膜殘留於晶界，可使裂紋不發生擴展。

(2)鐵素體相比於奧氏體，對於雜質元素P,S等的固溶度高，可減少最終凝固邊界的偏析量。

(3)高溫下，鐵素體相比奧氏體的熱膨脹係數小，強度也低，容易變形，有利於應力緩和。多層焊接時的延展性降低裂紋非常微細，有時會萌生在奧氏體系多層焊接時的焊接金屬中。

這種裂紋被稱為顯微裂紋，由於非常微細，多數情形下，只能用顯微鏡級別的儀器確認。這種顯微裂紋的產生是由焊接熱循環過程中，P,S等雜質元素麵向奧氏體晶界偏析引起的晶界脆化所導致，要改善這種狀況，應儘可能減少雜質元素的含量。

焊後熱處理萌生的延展性降低裂紋，同樣發生在穩定奧氏體系不鏽鋼的熱影響區。且該鋼種的裂紋萌生部位，是母材金屬和焊接金屬接合處附近的熱影響區中晶粒粗大且有再析出的區域，稱為晶體晶界。針對此類裂紋，其有效措施仍然是減少雜質元素含量及緩和約束應力。

3.2 低溫裂紋

不鏽鋼防止焊接低溫裂紋的方法和碳素鋼、高強度鋼及低合金鋼等的類似。其基本思路在於儘可能抑制裂紋萌生時期的局部應力與局部氫氣質量濃度。作為降低局部應力的有效手段，可考慮以下3種方法。

1)從設計上進行考慮，以減小焊接接頭的約束度。

2)避免焊接區的局部應力集中。例如採用單面焊、兩面成型的焊接方法或去除余高等。

3)採用低強度級的焊接材料(儘可能使用含碳量低的材料)。

此外，作為降低局部含氫量的方法，有以下3項。

1)使用焊接金屬中擴散性氫含量少的塗藥電焊條(例如含氫量低、抗吸濕性的焊條)。

2)採用焊接金屬中的擴散性氫含量少的焊接方法(例如，相比SMAW,GTAW,GMAM及PAW的含氫量少)。

3)通過採用預熱及焊接後加熱措施，盡量減慢冷卻速度。

馬氏體系不鏽鋼在焊接熱循環的冷卻過程中由於馬氏體相變而硬化。這時，熱影響區的硬度根據含碳量來確定，通常情況下，硬度在HV450以上。由此，隨著熱收縮引起的應力，有時會萌生裂紋，為防止這種裂紋，可採用200一300℃左右的預熱措施，而且，若和250一350℃左右的焊接後加熱措施一起使用，效果會更好。

需要特別注意的焊件為厚板時的焊接，由於厚板焊接時的約束度大，殘餘應力高，會加劇萌生裂紋。在這種情況下，要注意預熱以及焊接後的加熱。已知減少馬氏體量可以降低焊接金屬的脆化，但(C+N)含量的增加會導致馬氏體量增加。因此選擇添加了與C(碳)容易結合的（Nb鈮）及Ti(鈦)等元素的鋼種，可有效減輕脆化程度，這是由於通過這類添加元素，C被固定的緣故。

為降低焊接金屬的脆化，還有一種有效措施是使用309系列的焊接材料。因為在採用這種奧氏體系焊接材料的情況下，不會產生焊接金屬的硬化，熱影響區的應變也有所緩和。另一個原因是奧氏體相本身固溶了很多氫，由於氫被截獲在焊接金屬中，可減少面向熱影響區的氫的擴散。通過這些因素的疊加效應，可有效防止氫脆化現象。

4 結語

焊接作業在ISO標準中被稱為特殊工序，其焊接質量與焊接作業人員的技能水平息息相關。所以焊接施工管理技術人員應該致力於如何讓作業人員能夠掌握防止焊接裂紋的方法，以加工出完好的焊接構件。

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