焊接裂纹的原因及防治办法是什么

小编 2022-05-18 10:25:54 710

  焊接裂纹按其本质可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、分层撕裂等。下面详细介绍各种裂缝的成因、特点和预防方法。

  1.过热裂缝

  它是在焊接时高温下产生的,所以称为热裂纹,其特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据焊接金属的不同材质(低合金高强度钢、不锈钢、铸铁、铝合金和一些特殊金属等。),热裂纹的形状、温度范围和主要成因也各不相同。目前,热裂纹分为三类:结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹。

  1)结晶裂纹主要出现在杂质较多(含高S、P、C、Si)的碳钢和低合金钢焊缝以及单相奥氏体钢、镍基合金和部分铝合金焊缝。这种裂纹是由于焊缝结晶过程中凝固金属收缩和残余液态金属不足,在应力作用下沿晶开裂造成的。

  预防措施有:在冶金因素方面,适当调整焊接金属成分,缩短脆性温度区范围,控制焊接金属中硫、磷、碳等有害杂质的含量;细化焊缝金属的一次晶粒,即适当添加Mo、V、Ti、Nb等元素;从工艺上讲,可以通过焊前预热、控制焊丝能量、降低接头约束程度来防止。

  2)焊缝区附近的液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹。其尺寸很小,出现在焊缝区附近或热影响区的层间。一般是由于焊缝附近金属或焊缝间金属的奥氏体晶界上的低熔点共晶成分在高温下熔化,在拉应力作用下沿奥氏体晶粒开裂形成液化裂纹。

  这种裂纹的预防措施与晶体裂纹基本相同。特别是在冶金方面,尽可能降低硫、磷、硅、硼等共晶元素的含量是非常有效的。技术上可以降低线能量,降低熔池中熔合线的凹度。

  3)多层化裂纹是由于多层化过程中高温塑性低造成的。这种裂纹并不常见,其预防措施可以添加Mo、W、Ti等元素。以提高多边化激活能。

焊接裂纹的原因及防治办法是什么

  2.再热裂纹

  通常出现在一些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金中(包括低合金高强度钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金、部分奥氏体不锈钢)。焊接后未发现裂纹,但在热处理过程中出现。再热裂纹发生在焊接热影响区过热粗晶位置,其趋势是沿熔合线奥氏体粗晶界扩展。

  为防止再热裂纹,可从选材方面选择细晶粒钢。在工艺上,选择低线能量、高预热温度、低匹配焊接材料,避免应力集中。

  3.冷裂缝

  它主要发生在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区,但有时某些金属的冷裂纹,如某些超高强度钢、钛及钛合金,也会发生在焊缝中。一般来说,钢种的硬化倾向、焊接接头的氢含量和分布、接头的约束应力状态是高强度钢焊接时产生冷裂纹的三个主要因素。在氢和拉应力的作用下,焊后形成的马氏体组织形成冷裂纹。它的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分为焊趾裂纹、焊下裂纹和根部裂纹。

  冷裂纹的预防可以从工件的化学成分、焊接材料的选择和工艺措施三个方面入手。应尽可能选择低碳当量的材料;焊接材料应采用低氢焊条,焊缝应采用低强度匹配,高冷裂倾向的材料也可采用奥氏体焊接材料。合理的能量控制、预热和后热处理是防止冷裂的工艺措施。

  在焊接生产中,由于钢种和焊接材料不同,结构类型和钢号不同,施工条件不同,可能会出现各种形式的冷裂纹。然而,延迟裂纹是生产中经常遇到的问题。

  延迟有三种形式:

  1)焊趾裂纹——这种裂纹起源于母材与焊缝的连接处,具有明显的应力集中。裂纹的方向通常与焊道平行,一般从焊趾表面开始,延伸到母材的深度。

  2)焊道下裂纹——这种裂纹多发生在高硬化倾向、高含氢量的焊接热影响区。一般裂纹方向平行于熔合线。

  3)根部裂纹——这种裂纹是延迟裂纹的一种常见形式,主要发生在氢含量高、预热温度不足时。这种裂纹类似于焊趾裂纹,起源于焊缝根部应力集中最大的地方。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶区或焊缝金属中。

  钢的硬化倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、接头的约束应力状态是造成高强钢焊接冷裂纹的三个主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系、相互促进的。

  钢的硬化倾向主要取决于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件。焊接时,钢号的硬化倾向越大,越容易开裂。为什么钢硬化后会开裂?可以归纳为以下两个方面。

  答:脆硬马氏体组织的形成——马氏体是碳在χ铁中的过饱和固溶体。碳原子以间隙原子的形式存在于晶格中,使得铁原子偏离平衡位置,晶格大大扭曲,导致结构硬化。特别是在焊接条件下,焊缝附近的加热温度很高,导致奥氏体晶粒严重长大。当快速冷却时,粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道,马氏体是一种脆硬结构,断裂时会消耗很低的能量。因此,当焊接接头中存在马氏体时,裂纹容易形成和扩展。

  b:硬化会形成更多的晶格缺陷——金属在热不平衡的情况下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要是空位和位错。随着焊接热影响区热应变的增加,空位和位错会在应力和热不平衡的条件下发生移动和聚集,当它们的浓度达到一定的临界值时,就会形成裂纹源。在应力的持续作用下,会不断膨胀,形成宏观裂纹。

  氢是引起高强度钢焊接冷裂纹的重要因素之一,且具有延迟性。因此,氢引起的延迟裂纹在许多文献中称为“氢致裂纹”。实验结果表明,高强度钢焊接接头的氢含量越高,裂纹敏感性越大。当局部区域的氢含量达到一定临界值时,开始出现裂纹,称为临界氢含量[H]cr。

  各种钢的冷裂[H]cr值不同,与钢的化学成分、钢度、预热温度和冷却条件有关。

  1.焊接过程中,焊接材料中的水分、铁锈、焊件坡口处的油污、环境湿度都是焊缝中氢富集的原因。一般母材和焊丝中的氢含量很少,但焊条药皮中的水分和空气中的水分却不容忽视,成为氢富集的主要来源。

  2.氢在不同金属组织中的溶解度和扩散能力不同,氢在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度。所以焊接时奥氏体转变为铁素体,氢的溶解度突然下降。同时氢的扩散速率正好相反,从奥氏体转变为铁素体时突然增大。

  焊接过程中,在高温的作用下,大量的氢会溶解在熔池中。在随后的冷却凝固过程中,由于溶解度急剧下降,氢试图逃逸。但由于冷却过快,氢来不及逸出,残留在焊缝金属中形成扩散氢。

  4.层状撕裂

  它是一种内部低温裂解。仅限于厚板母材或焊缝热影响区,多发生在“L”、“T”和“+”型接头。定义为由于轧制厚钢板沿厚度方向的塑性不足以承受该方向的焊接收缩应变而在母材中产生的一种台阶状冷裂纹。一般在厚钢板的轧制过程中,钢中的一些非金属夹杂物被轧制成平行于轧制方向的带状夹杂物,这些夹杂物导致了钢板的力学性能。为防止分层撕裂,可选用精炼钢,即选用Z向性能高的钢板,也可改进接头设计形式,避免承受Z向应力的一侧出现单边焊缝或坡口。

  分层撕裂不同于冷裂。它的出现与钢的强度等级无关,主要与钢中夹杂物的数量和分布有关。一般轧制的厚钢板,如低碳钢、低合金高强度钢,甚至铝合金板,都会出现层状撕裂。根据层状撕裂的位置,大致可分为三类:

  第一种是焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹引起的层状撕裂。

  第二类是焊接热影响区沿夹杂物的裂纹,是工程中最常见的层状撕裂。

  远离热影响区的母材中沿夹杂物的第三类裂纹通常发生在MnS片状夹杂物较多的厚板组织中。

  分层形貌与夹杂物的类型、形状、分布和位置密切相关。当片状MnS夹杂物沿轧制方向占优势时,层状撕裂具有明显的阶梯形状,而当硅酸盐夹杂物占优势时,层状撕裂是线性的,例如当Al夹杂物占优势时,层状撕裂是不规则的。

  焊接厚板时,尤其是T型接头和角接头,在刚性约束条件下,焊缝收缩时,会在母材厚度方向产生很大的拉应力和应变。当应变超过基体金属的塑性变形能力时,夹杂物会从金属基体中分离出来,产生微裂纹。在应力的持续作用下,裂纹尖端会沿着夹杂物所在的平面扩展,形成所谓的“平台”。

  影响层状撕裂的因素很多,主要有以下几个方面:

  1.非金属夹杂物的种类、数量和分布是层状撕裂的根本原因,是钢的各向异性和力学性能差异的根源。

  2:Z向约束应力厚壁焊接结构在焊接过程中承受不同的Z向约束应力、残余应力和焊后载荷,这些都是引起分层的力学条件。

  3.氢的影响。一般认为,在热影响区附近,由冷裂诱发成为层状撕裂,氢是重要的影响因素。

  由于层状撕裂的影响大、危害严重,因此在施工前有必要对钢板层状撕裂的敏感性进行判断。

  常用的评价方法有螺栓Z向拉伸断面收缩率法和Z向临界应力法。为防止层状撕裂,面积收缩率不应小于15%,一般预计为15-20%。当其为25%时,认为耐层状撕裂性优异。

  主要从以下几个方面采取措施防止分层撕裂:

  首先,精炼钢预先用铁水广泛脱硫,并在真空中脱气。可生产硫含量仅为0.003-0.005%的超低硫钢,其面积收缩率(Z方向)可达23-25%。

  其次,控制硫化物夹杂的形状是将MnS变成其他元素的硫化物,使其在热轧时难以拉伸,从而降低各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经上述处理后,可制得Z向断面收缩率为50-70%的层压抗撕裂钢板。

  再次,从防止分层撕裂的角度出发,设计和施工工艺主要是避免Z向应力和应力集中。具体措施如下:

  1)应尽量避免单面焊,可采用双面焊来缓解焊缝根部区域的应力状态,防止应力集中。

  2)采用焊接量较少的对称角焊缝代替焊接量较大的全熔透焊缝,避免应力过大。

  3)凹槽应制作在承受Z方向应力的一侧。

  4)对于T型接头,可以预先在横板上沉积一层低强度的焊接材料,防止焊根开裂,同时可以缓解焊接应变。

  5)为防止冷裂引起的层撕裂,应尽可能采取一些措施防止冷裂,如降低氢含量、适当增加预热、控制层间温度等。

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