4.2 焊接热裂纹

焊接裂纹随着各种HSLA钢，中、高合金钢，以及各种合金材料的广泛应用，在焊接生产上带来了许多新的问题，其中较为普遍而又十分重要的是焊接裂纹。焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事故。据统计，世界上焊接结构所出现的各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题外，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏。因此，裂纹是引起焊接结构破坏的主要原因。在焊接生产中由于钢种和结构类型的不同，可能出现各种裂纹。裂纹的形态和分布很复杂，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向裂纹、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹，也有在弧坑处出现的所谓弧坑裂纹。按照裂纹产生的本质，可以将焊接裂纹分为五大类。•热裂纹•再热裂纹•冷裂纹•层状撕裂•应力腐蚀破裂4.2热裂纹在高温下产生的沿A晶界开裂。从低碳钢、低合金钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。•结晶裂纹•液化裂纹•多边化裂纹4.2.1结晶裂纹SolidificationCracking焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余的液体金属不足，不能及时填充，在拉应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。多数情况下，结晶裂纹发生在焊缝断面上，可以看到有氧化色彩，表明这种裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹大部分沿焊缝树枝状结晶的交界处产生和发展，最常见于沿焊缝中心长度方向开裂。1）机理焊缝结晶过程中，因合金的选分结晶，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集于晶界上，且这些杂质大都具有较低的熔点。例如，一般碳钢和低合金钢的焊缝含硫量较高时，能形成硫化铁（FeS），而FeS又能与Fe形成熔点只有988℃的低熔点共晶。钢中的磷、硅等也具有形成低熔点共晶的作用，此外在不锈钢和耐热钢中，硫、磷、硼、锆等也都能形成低熔点共晶。在焊缝金属凝固的过程中，低熔点共晶被排挤在晶界上形成一种所谓“液态薄膜”。在焊缝金属结晶的过程中，由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能产生开裂而形成结晶裂纹。•拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件；•液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因；当液态薄膜的数量超过一定的界限之后，反而具有“愈合”裂纹的作用。也就是说，低熔共晶数量较多时，反而不产生裂纹，它可以自由流动，填充有缝隙的部位。例如，焊接某些高强铝合金时，为了防止热裂纹，常采用含硅5%的铝硅合金焊丝，就是利用低熔共晶的“愈合”作用来消除裂纹的。结晶裂纹只有在一定的温度区间内才会产生，该温度区间称•当熔池开始结晶时，有较多的液态金属，它们可以在晶粒间自由流动，此时虽然有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被流动着的液态金属填满，因此不会产生裂纹。脆性温度区间•当熔池结晶进入到固液阶段时，由于液态金属少（主要是那些低熔点共晶），温度较低流动性变差，无法填充在拉伸应力作用下产生的缝隙，因而易产生裂纹，这个区称为“脆性温度区”。•熔池金属完全凝固之后形成的焊缝，受到拉伸应力时，表现出有较好的强度和塑性，不易产生开裂。2）影响结晶裂纹的因素A.冶金因素对产生结晶裂纹的影响影响结晶裂纹的因素可归纳为冶金因素和力学因素两个方面。被焊金属的合金状态图类型、化学成分和焊缝的组织形态等对结晶裂纹有重要影响。a)合金状态图类型和结晶温度区间随着合金元素含量的增加，结晶温度区间增大，同时脆性温度区的范围（图中的阴影部分）也增大，因此热裂纹倾向也会增加。一直到S点，此时结晶温度区间最大，脆性温度区也最大，裂纹倾向亦最大。当合金元素进一步增多时，结晶温度区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹倾向也降低。虽然合金状态图的类型各有不同，但对产生结晶裂纹的倾向却都有共同的规律，即裂纹倾向随结晶温度区间（即脆性温度区）的增加而增大。b)合金元素合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂纹的最本质的因素。应当指出，多种元素的相互影响，往往比单一元素复杂的多，有时甚至是彼此矛盾的。这里仅就碳钢和低合金钢中合金元素对结晶裂纹的影响作一概括介绍。•硫和磷S、P在钢中能形成多种低熔共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜，因而几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向。S和P在钢中还是一种极易形成偏析的元素，几乎对各种焊接裂纹都比较敏感，因而，用于焊接结构的钢材都要对硫磷严格控制。近年来出现的细晶粒钢和控轧钢，都具有较高的抗裂性能，因为这些钢中的含硫、磷和碳都很低。碳是钢中影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其它元素的有害作用，因而常采用碳当量作为评价钢种焊接性的尺度。碳在钢中的含量大于0.17%（包晶点）时，随含碳量的增加，结晶温度区间是增加的，因而增大了结晶裂纹的敏感性。此外，当含碳量大于0.17%时，磷的有害作用显著，故也增大了结晶裂纹的倾向。•碳δAH:0.10%J:0.17%B:0.53%δ相和A相中硫、磷的最大溶解度是不同的。元素最大溶解度%δA硫0.180.05磷2.80.25硫和磷在钢中的溶解度随着含碳量的增加，初生相由δ相转为A相，硫和磷的溶解度降低，析出的硫、磷会富集于晶界上，从而增加裂纹倾向。•锰锰具有脱硫的作用，同时也能改善硫化物的分布状态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的热裂纹，随着钢中含碳量的增加，要相应增加Mn/S的比值。wC≥0.1%，Mn/S≥22wC%（0.11,0.125），Mn/S≥30wC%（0.126,0.165），Mn/S≥59当含碳量超过包晶点后，因P的作用超过了S，故再增加Mn无意义。•硅硅是δ相形成元素，利于消除结晶裂纹，但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。•钛、锆和稀土钛、锆和镧、铈等稀土元素能与硫形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点为2000~2100℃、ZrS熔点为2100℃、La2S3的熔点为2000℃以上、CeS的熔点为2450℃，这些硫化物的熔点比MnS（熔点为1650℃）还要高，消除热裂纹的效果也更好。•镍镍在低合金钢中易与硫形成低熔共晶（Ni—Ni3S2共晶的熔点仅为650℃），因而会引起热裂纹。但钢中加入锰、钛等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。c)焊缝的组织形态焊缝结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂纹都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。在焊缝及母材中加入一些可以细化晶粒的合金元素（如Ti、Mo、V、Nb、Al及Re等），一方面可以破坏液态薄膜的连续性，另一方面还可以打乱柱状晶的方向。焊接奥氏体不锈钢时，希望得到δ+A双相焊缝组织，因为焊缝中有少量δ相可以细化晶粒，还打乱了奥氏体粗大柱状晶的方向性，所以能够提高焊缝的抗裂性。金属的强度决定于其晶内断裂强度σG和晶间断裂强度σ0，它们都随温度升高而降低，其中σ0下降更快。当温度达到T0时，σG=σ0，为等强温度。当温度高于T0时，σGσ0，此时如发生断裂必然是晶间断裂，焊接时的热裂纹就属于这种性质。B.力学因素对产生结晶裂纹的影响σT0σGσ0T•液态薄膜、脆性温度区间是产生结晶裂纹的条件，但如果没有焊接应力导致的焊缝金属的应变，是不会产生裂纹的。•焊缝金属所具有的塑性为P＝f(T)，在固相线附近，金属的塑性最低为Pmin；•焊缝金属在冷却过程中所产生的拉应力导致的应变为e=f(T)，随温度降低应变增大；•当焊缝的应变大于金属的最低塑性值时，将产生裂纹。x/%Tx0ΔTBΔTfPee1e2e3Te（焊缝金属的应变曲线）P（焊缝金属的塑性）•e=e1时，在TS附近焊缝的应变为e，此时焊缝的塑性储备为Δe=Pmin-e0，不会产生裂纹；•e=e2时，Δe=0，此时处于临界状态；•e=e3时，Δe0，焊缝金属的应变大于其具有的最小塑性，必然产生裂纹。Pee1e2e3Te（焊缝金属的应变曲线）P（焊缝金属的塑性）TLTSePmin产生裂纹的必要条件为焊缝的塑性储备小于０。3）防止结晶裂纹的措施焊接生产时产生结晶裂纹的影响因素很多，因此应抓住具体情况下的主要矛盾。从冶金上减小熔池的结晶温度区间，控制液态薄膜的数量；另一方面在焊接工艺上尽量减少焊接应力。合金因素方面为了消除它们的有害作用，应尽可以限制母材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量，S、P的含量不得超过0.03~0.04%。用于低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量一般不得超过0.12%。焊接高合金钢时要求更加严格，硫、磷含量必须控制在0.03%以下，焊丝中的含碳量也要严格限制，甚至要求采用超低碳焊丝（0.03~0.06%）。一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，以有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹。•控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量向焊缝中加入细化晶粒的元素，如Mo、V、Ti、Nb、Al、稀土等。在焊接奥氏体不锈钢时，为了提高抗裂性、抗腐蚀性，希望得到δ+A双相焊缝组织（δ相控制在5%左右）。焊接某些结晶裂倾向较大的材料（如高强铝合金）时，特意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用，也是防止结晶裂纹的有效方法。•改善焊缝组织、细化晶粒工艺因素方面焊接规范、预热、接头型式和焊接次序等，改善焊缝上的应力状态。•焊接工艺规范适当增加焊接热输入和提高预热温度，可以减小焊接应力，从而降低结晶裂倾向。但增加E会使近缝区的金属过热，提高预热温度又会恶化劳动条件，所以采用这种方法是有限度的。•接头型式焊接接头型式将影响接头的受力状态、熔池的结晶条件和热的分布等，因而会影响结晶裂倾向，这一点在设计和施工时应特别注意。表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝（图a，b）抗裂性较高；在焊接熔深较大的对接和各种角焊缝（包括搭接、T型接头和外角接焊缝等）时，如图c、d、e、f所示，因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，故易引起裂纹。•焊接次序施工时焊接次序是很重要的，同样的焊接方法和焊接材料，只是因为焊接次序不同，可能具有不同的结晶裂纹倾向。总的原则是尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝的受力较小。4.2.2液化裂纹LiquationCracking在焊接热循环作用下，母材上近缝区和多层焊的层间金属中，因含有低熔共晶（S、P、Si、Ni等）被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间产生开裂。液化裂纹是在高温下产生的，并沿A晶间断裂，故是热裂纹的一种。液化裂纹主要发生在含Cr、Ni的高强钢，A钢及某些Ni基合金的近缝区或多层焊层间的金属中，若母材或填充金属中S、P、Si、C含量偏高，液化裂纹倾向会增加。这种裂纹一般产生于HAZ靠近熔合线处，沿A晶间开裂，长度和深度在一个到几个晶粒范围内，常小于0.5mm，大多不超过1mm。液化裂纹常为冷裂纹的裂纹源。4.2.3多边化裂纹焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的物理和化学不均匀性，在一定温度和应力作用下，因晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界（多边化边界），在此边界上堆积了大量的晶格缺陷、组织疏松，高温时强度和塑性都很低，只要此时受少许拉伸变形，就会沿多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温低塑性裂纹。多边化裂纹是热裂纹的一种，它的产生与液态薄膜无关，是由于晶格缺陷的存在使金属在高温下塑性低（失塑），在应力作用下产生的。这种裂纹多发生在纯金属和单相A合金的焊缝或近缝区中。4.3再热裂纹ReheatCracking含有沉淀强化元素的钢种在焊后再次加热时，在HAZ的粗晶区产生的裂纹，这种裂纹是在焊后重新加热过程中产生的，故称再热裂纹。最早发现于消除应力热处理中，故又称消除应力处理裂纹，StressReliefCracking，简称SR裂纹。4.3.1机理•晶内强化理论粗晶区不仅晶粒粗大，且难熔碳化物因温度高(1800℃~Tm)而溶入A，当再次在500~700℃加热时，晶内析出沉淀硬化相，而晶界相对弱化。同时，加热使应力发生松驰，在应力集中区域（熔合区及粗晶区）会产生较大的附加变形，如果粗晶区的蠕变塑性不足，不能适应应力松驰所致的附加变形，则沿相对弱化的晶界开裂。•晶界弱化说晶界上杂质偏聚引起脆化，在应力松驰