焊接“热裂纹”的成因及防止对策

热裂纹是在焊接过程的高温下产生的，又称高温裂纹。热裂纹一般出现在焊缝，有时也出现在热影响区，可产生在材料内部，也可产生在材料表面，是焊接中必须避免的一种缺陷。

热裂纹的微观特征是沿奥氏体晶界开裂。根据裂纹的形态、温度区间和主要成因，热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。

一、合金元素、杂质元素的影响

材料结晶温度区间随着合金元素含量的增加而扩大，同时脆性温度区的范围也增大，因此热裂纹（此处主要指结晶裂纹）的敏感性也是增加的。

裂纹的产生取决于材料本身在凝固过程中的变形能力。焊缝的凝固要经历从液-固态（液相为主）、到固-液态（固相为主）再到完全凝固的转变。

凝固时先结晶的部分较纯，后结晶的部分含杂质和合金元素较多，这种结晶偏析造成焊缝金属化学成分的不均匀性。

在凝固中后期，杂质会被不断排斥到晶界处或焊缝中心处。在已经凝固的晶粒相对较多时，这些残存在在晶界处的低熔相尚未凝固，并呈液膜状态散布在晶粒表面，割断了晶粒的一些联系。在冷却收缩引起的拉应力作用下，液膜承受不了这种拉应力，就在晶粒边界处分离形成了（结晶）裂纹。

杂质或合金元素对材料热裂纹敏感性的影响可以用下面两个式子[1]判断：

其中，C极易发生偏析，和其他元素形成低熔共晶，是加剧热裂纹倾向的主要元素；S、P也极易引起结晶偏析，同时S、P还能形成多种低熔物；Mn具有脱硫作用，能改善硫化物的分布形态，能降低结晶裂纹倾向；Si是铁素体形成元素，少量Si有利于提高抗裂性能，但当Si>0.4%时，会形成硅酸盐夹杂物降低抗裂性能；Ni与Ni3S2共晶熔点仅645℃，会引起热裂纹；而Ti、Zr、RE等稀土元素能形成高熔点的硫化物，对于消除结晶裂纹有利。

二、结晶组织的影响

焊缝一次结晶组织的晶粒度越粗大，结晶方向性越强，越容易促进杂质偏析，在结晶后容易形成连续的液态共晶膜，增加热裂纹的倾向。在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、RE等，一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少杂质集中；另一方面可以打乱柱状晶的结晶方向，破坏液态膜的连续性，从而提高抗裂性能。

如果一次结晶组织是与结晶主轴方向大体一致的单相奥氏体γ，结晶裂纹倾向就很大。如果一次结晶组织为铁素体δ，或γ+δ同时存在的双相组织，结晶裂纹倾向就能减小。

三、力学因素

在脆性温度区材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一，如无拉伸应力引起的应变并达到一定应变量，也不会产生裂纹。这些应力主要是由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起的，如热应力、组织应力和拘束应力等。

四、热裂纹的防止措施

上面讨论了热裂纹成因，那么其防止措施也是显而易见的，主要包括：

1）、控制C、S、P等有害杂质元素；通过焊材过渡Mn、Ti、Zr等元素，克服S的不良作用。

2）、重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，因为它们具有较强的脱硫能力。

3）、在焊缝金属或母材（选材）中加入细化晶粒的元素，可以提高抗裂性，也可以提高抗腐蚀性。

4）、控制焊缝形状

表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性好，而熔深较大的对接焊缝和角焊缝抗裂性较差，因为后面两者焊缝的收缩应力基本垂直于杂质聚集的结晶界面，热裂纹倾向较大。

5）、冷却速度过快会使焊缝金属的应变速率增大（材料塑性变形跟不上），容易产生裂纹，为此应采用缓冷措施，而预热能减慢冷却速度。另外，不可通过提高焊接热输入来达到缓冷，因为焊接热输入过大会促使晶粒长大，增加偏析倾向，适得其反。

6）、降低接头的刚度和拘束度，具体措施有设计上减小结构厚度，合理布置焊缝，合理安排装配、焊接顺序等。

7）、对于厚板焊接，可采用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但应注意控制各层的熔深。另外，避免焊接接头处的应力集中（如错边、咬肉、未焊透等缺欠引起的应力集中），也是降低裂纹倾向的有效办法。

参考文献

[1] 李亚江. 焊接冶金原理. 北京: 化学工业出版社, 2014

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