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低合金钢Q345E焊接裂纹产生机理及预防葛志友1、何珊珊2（1．北京市宇航兴达机械制造有限公司北京1000762．哈尔滨焊接技术培训中心哈尔滨150046）摘要：在低合金钢Q345E焊接过程中，虽然选定了与母材相应的焊接材料、工艺方法、焊前预热及焊后保温等工艺，但是焊接完工以后，经UT检测还是出现了不同程度的裂纹，为提高风电机舱的焊接质量及运行中的使用寿命，必须了解机舱焊接出现的裂纹类型及产生机理并采取有效措施。关键词：Q345E风电机舱裂纹前言我公司承接中国运载火箭航天万源工业风力发电机舱工程，此时正是北京最寒冷季节，现场焊接面临低温环境的考验。低温会影响焊接质量，大量钢结构失效事故表明，低温是导致材料焊接脆断的主要原因。因此，在《建筑钢结构施工技术规程》中规定，当环境温度低于0℃时，需要进行焊接工艺试验，确定工艺参数以后。当环境温度低于-5℃时，多数单位停止施焊。由于航天万源机舱工程工期因素，冬季施工必须实施。公司高管认为，针对低温条件，必须提出有效的改进方案，目标是现场焊缝一次合格率为99%，因此决定采用焊接合格率较高的埋弧焊接。1机舱焊接出现裂纹的形态1.1这种裂纹以横向的方式存在于焊缝中间或熔线处，严重时延伸到母材，更严重时盖面立即可见。处理这样的裂纹非常麻烦，严重影响焊接质量及生产进度，这是宇航兴达焊接管理人员及现场焊工的一大难题。1.2根据裂纹出现的时间及部位判断属于冷裂纹及延迟裂纹，导致这种裂纹的主要原因是使用氢含量较高的焊接材料，或在焊前预热温度不足及焊后未采取缓冷措施的情况下出现，这里的晶粒非常粗大，加之焊缝根部是最大的应力集中区，是最薄弱的位置，所以最容易出现裂纹（裂纹见图1）。收稿日期：2012-02-20作者简介：1.葛志友（1970年-），男，江苏沭阳人，国际焊接技师、金属材料热处理工程师。主要从事焊接技术工艺文件的编制与研发工作。2.何珊珊（1982年-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，在哈尔滨焊接技术培训中心从事工艺材料方面的培训工作。图12母材焊接性2.1Q345E及焊接材料H10Mn2的化学成分CMnSiCrNiCuNbVTiMoSPQ345E0.181.70.050.30.50.30.070.150.20.10.020.025H10Mn20.121.5~1.90.070.20.30.20.0350.0352.2要了解母材的焊接性，通常要了解母材及焊材的碳当量，可以用下列公式计算：经计算，母材Q345E的碳当量为0.3375%，焊材H10Mn2的碳当量为0.025%，均小于0.45%。因此，无论是母材还是焊材，其谇硬倾向都很小，焊接性较好，焊接时只要严格按工艺施工，焊前预热、层间温度控制、焊后缓冷都严格执行工艺，就不会产生冷裂纹，表1是碳当量与焊接性的关系，可以根据碳当量选择预热温度。表1CE(%)推荐的预热温度（℃）＜0.45不预热（或预热100℃）0.45~0.60100~250＞0.60200~350或更高2.3同时，预热对熔深也有一定的影响，假设正常温度焊接熔深为1mm,那么预热100℃以后，熔深就达到2mm，预热200℃以后，熔深就会增加到3mm，当然熔深并不是预热温度越高就越大，只有合理的按原材料的碳当量来预热，才能保证焊接的顺利进行（图2为预热与熔深的关系）。图23复杂的结构及中厚板焊接对焊接硬力的影响3.1机舱板属于厚板结构焊接，结构钢性大，焊接过程会产生相当大的焊接应力，因为焊接时钢板局部被加热到熔化状态，造成钢板上温度不均匀的分布，即在热源中心部位温度最高，离热源越远温度越低。焊接时熔池的最低温度都在2000℃以上，最高热源区金属被周围处于冷态的金属包围，受到约束，不能自由的伸长，因此会产生非常大的内应力，加上机舱结构钢性大，不能变形，所以非常容易产生裂纹。3.2焊缝金属在冷却凝固的过程中，体积发生收缩，尤其是机舱椎体焊缝焊接，其厚度都在50mm以上,采用“T”形接头“K”形坡口，焊缝上部宽，熔化金属多。收缩量大。这种收缩也会产生较大的收缩应力，而导致裂纹的产生。3.3焊接时，金属加热到很高的温度，加上结构复杂，钢板又厚，散热快，因此，随后的冷却速度特别快，金属内部组织会发生很大的变化，冷却后体积变化也不同，这种体积变化也受到周围未经组织变化金属的约束，使金属内部产生较大的组织应力，从而导致产生裂纹。4焊接工艺的影响4.1线能量的影响：由于机舱结构大，钢板厚，一般都选用较大的线能量，例如：打底时焊接电流一般都在600A以上，这样在热影响区往往容易产生过热组织，使这部分金属晶粒粗大，降低焊接接头的抗裂性能而导致裂纹的产生。4.2预热温度的影响：根据（表1）碳当量与焊接性的关系，机舱焊接预热温度为100℃左右，经过预热可以降低焊接时的温度应力，防止谇硬倾向并能够降低焊接接头的冷却速度，加速氢的扩散，防止冷裂纹的产生。所以，一定要严格控制预热温度，合理的掌握预热方法非常重要。但是焊接现场往往限于现场焊接环境，为了不影响焊工的工作环境，最好在焊工焊接位置的反面预热，这样预热既不影响焊工焊接，预热的效果又比在里面要均匀，不然很容易造成外部很热，温度达到工艺要求，但是钢板内部还是冷的，容易造成因温度差异而引起的应力，而导致裂纹的产生。4.3多层焊的影响：机舱椎体板多是大于50mm的钢板，要焊好一个椎体一般要焊接十多层才能完工，如果道间温度控制不好，就会引起含氢量的逐层积累，加上焊缝收缩造成很大的收缩应力，使焊缝根部应力集中，导致根部产生裂纹，焊接方法应采用逆向分段退焊法，逆向分段退焊法热量分散快，残余应力小，焊接应力也小，为了保证焊透，焊层还要多层多道，接头错开，焊接同一层可能要分几道焊接。5防止根部裂纹的工艺措施通过上述分析，除了选用合理的焊接材料、焊接材料的保管也非常重要，另外，还要严格控制坡口的切割工艺。5.1机舱椎体采用下图所示坡口，由于要先焊接里面，所以采用内大外小的坡口。里面坡口深度32mm,焊接到20mm左右以后，外面清根，修磨以后预热焊接，避免采用“双V”形及带衬垫的坡口，以防收缩。结束语：焊接过程保温措施要特别谨慎，中间休息要预防温度低于预热温度，焊接全部完工以后要用石棉布盖住焊缝，让焊缝在100℃左右温度时，保持一段时间，有利于氢的溢出，因为在这个温度范围内，氢是最容易溢出的。结论：Q345E中厚板风电机舱出现焊接裂纹，只要了解其产生的原因，在工艺上采取合理的措施是完全可以防止的。参考文献[1]焊接工程师手册/陈祝年编机械工业出版社[2]焊工技师手册/刘云龙编机械工业出版社[3]钢结构焊接技术培训教程/戴为志编化学工业出版社