焊接热裂纹产生原因及防止措施

                                                                                                   

本文主要分析了焊接热裂纹产生机理及影响因素，并根据分析依据制定出防止产生裂纹的措施。
随着钢铁、石油化工、电力等工业的发展，在焊接结构方面都取向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作，因此，各种低合金、高强钢、中高合金钢、超高强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。



但是随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产上带来了许多新问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接热裂纹， 它是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。
为了能有效的减少由于焊接热裂纹引起的事故，很有必要对焊接热裂纹产生原因进行分析，并制定出防止产生裂纹的措施。

一、焊接热裂纹的分类热裂纹又可分为：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹。在这里将对常见的结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹进行讨论、分析。



二、焊接热裂纹形成机理与影响条件
结晶裂纹形成机理与影响条件
结晶裂纹形成机理焊缝在结晶过程中先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集在晶界，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点。
低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓《液态薄膜》，此时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在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。结晶裂纹多发生在焊缝中树枝状晶的交界处。



影响结晶裂纹的因素
冶金因素的影响。结晶裂纹的冶金因素主要是合金状态图的类型、化学成分和结晶组织形态，随着合金状态图结晶温度区间的增大，结晶裂纹的倾向也增大。
合金元素的影响
合金元素对产生结晶裂纹的影响十分复杂，但又非常重要，是影响裂纹最本质的因素。多种合金元素的相互影响，往往比单一元素复杂的多。如在碳钢和低合金钢中，硫磷都会增高结晶裂纹的倾向，即便是微量存在也会使结晶区间大为增加。钢中的碳元素是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素的有害作用，如硫、磷等元素。



一次结晶组织形态的影响。
焊缝在结晶后，晶粒的大小、形态和方向以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响，一般来说晶粒越粗大，越易产生裂纹，柱状晶的方向越明显，则产生结晶裂纹的倾向就越大。
液化裂纹形成机理与影响因素
液化裂纹形成机理液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于焊接时近缝区金属或焊缝层面间金属，在高温下低熔点共晶组成物被重新熔化，在拉伸应力的作用下，沿奥氏体晶面开裂而形成的裂纹。



另外，在不平衡的加热和冷却条件下，由于金属间化合物分解和元素的扩散，造成了局部地区共晶成分偏高而发生局部晶间液化，同样也会产生液化裂纹。
液化裂纹的影响因素液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此，影响因素也大致相同，也是冶金因素和力学因素共同作用的结果。冶金因素的影响与结晶裂纹影响因素一致。
从工艺因素影响来看，其中焊接线能量对液化裂纹有很大的影响，线能量越大，由于输入的热量多，晶界低熔相的熔化就越严重，晶界处于液态的时间就越长，因此液化裂纹的倾向也就越大。



另外，由于许多薄层焊道组成的焊缝，比几个厚焊层组成的焊缝的总应力低，因此，线能量的增加，不仅能促使晶界液化，而且也增加了焊缝的应力，使液化裂纹倾向增大。熔池的形状与产生液化裂纹有关，如焊缝的断面呈明显的倒草帽形，该处易产生液化裂纹。
多边化裂纹形成机理与影响因素
多边化裂纹形成机理多边化裂纹多数是在焊缝中产生，它是在结晶前沿已凝的固相晶粒中萌生出大量的晶格缺陷，并且在快速的冷却条件下，由于不易扩散，它们以过饱和状态保留于焊缝金属中，在一定温度和应力的条件下，晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生移动和聚集，从而形成二次边界，即所谓的“多边化边界”。



另外，母材热影响区在焊接热循环的作用下，由于热应变，金属中的畸变能增加，同样也会形成多边化边界。这种多边化的边界，一般情况下并不与一次晶界重合，在焊接后的冷却过程中，由于热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹。
多边化裂纹的影响因素
合金成分的影响。
由分析我们知道，多边化所需的激活能越高，则晶格缺陷的移动和聚集就越慢，形成多边化的时间就越大，因此，焊缝金属中元素激活能量越低，就越容易产生多边化裂纹。
温度的影响。
在形成多边化过程中，温度越高，所需时间就越短，因此，就会增加形成多边化裂纹的倾向。
三、焊接热裂纹防止措施
防止热裂纹的措施由于焊接时产生结晶裂纹的影响因素很多，因此，应抓住不同情况下产生裂纹的主要矛盾，根据大量的生产实践和研究所得，防止焊接结晶裂纹可以从以下两个方面着手。
冶金方面
控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量，它们不仅能形成低熔共晶，而且还能促使偏析，因此，这些元素将会大大增加裂纹的敏感性，因此尽可能的限制母材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量。
根据标准规定：s、p都应小于0.03~0.04%，用于低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量一般不超过0.12%，焊接高合金钢时要求更高，硫、磷含量必须控制在0.02%以下。对重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，能有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹产生或降低倾向。
改善焊缝一次结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径。采用的办法是向焊缝中加入细化晶粒元素（如mo、v、ti、nb、zr、a1、稀土等），对于不锈钢焊接时，为了提高抗裂性、抗腐性，希望得到铁素体和奥氏体的双相组织焊缝。
工艺因素方面工艺方面主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序等，用工艺方法主要是改善焊接时的应力从而防止结晶裂纹。
焊接工艺及规范。
经过实践证明，适当增加焊接线能量和提高预热温度，可以减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向。
接头形式。
焊接接头形式不同，将影响接头的受力状态，结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向也不同，在设计和施工时应特别注意，如表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高，熔深较大的对接和各种角接、搭接、t型接头和外角接焊缝抗裂性较差，因为这些焊缝所承受得应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是晶粒之间联系较差，杂质聚集的地方，故易于引起裂纹。
对于厚板焊接结构，施工时常用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但对各层的熔深应注意控制。
焊接技术。
接头处尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透等），也是降低裂纹倾向的有效方法。
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，焊接次序不同，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条件下焊接，使焊缝的受力较小。例如，锅炉板与管束的焊接，采用同心圆式和平行线式都不利于应力疏散，只有采用放射交叉式的焊接次序才能分散应力。
在一般情况下，尽可能采用对称施焊，以利分散应力，减小裂纹倾向。
结论通过以上分析和讨论，只要我们在设计和施工过程中，认真选材，科学制定施工程序，在很大程度上可以有效的防止焊接热裂纹的产生，从而可以防止由于焊接裂纹而导致事故的发生。
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焊缝真漂亮！组织应力和热应力导致裂纹的产生。

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