焊接裂纹形成的原因及防止措施

刘成国

摘要：当前，我国工业正处于蓬勃发展阶段，焊接作为一门重要的金属加工工艺，在机械、石油、化工、建筑、交通、矿山等各行业都得到了广泛的应用。焊接是生产过程中的一个重要环节，必须保证其质量可靠，进而提高安全性，促进生产的发展。焊接缺陷是生产中极为不利的因素，为提高焊接质量和结构的可靠性，应该避免在焊接接头中产生裂纹。基于此，本文对焊接裂纹形成的原因及防止措施进行探讨，以供参考。

关键词：焊接裂纹；形成原因；防止措施

1、引言

在焊接应力及其他致脆因素的作用下，焊接接头中局部区域因开裂而产生的缝隙称为焊接裂纹。在焊接生产中出现的裂纹形式是多种多样的，根据裂纹产生的情况，可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故。所以如何避免裂纹的产生是保证焊接质量的关键。本文主要讨论焊接裂纹形成的原因及防止措施。

2、焊接裂纹的分类

通常焊接裂纹可以分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、和层状撕裂四类。

首先是热裂纹，当焊接焊缝凝固时，在高温区域，会沿着奥氏体品界面开裂，形成热袋纹，其特点是在焊接完成之后，就可以明显的观察到裂纹，同时经常发生在焊缝中心位置，沿着焊缝长度方向分布。其次是冷裂纹，冷裂纹是在焊后较低的温度下产生的，焊接中碳钢、高碳钢、低合金高强度钢、某些超高强度钢、工具钢、钛合金等材料时容易出现这种缺陷。冷裂纹经常产生在热影响区，有时也产生在焊缝金属中。冷裂纹的特征是穿过晶粒内部开裂，裂纹断面上没有明显的氧化色彩，断口发亮。再者是再热裂纹，焊件焊后在一点温度范围再次加热（进行消除热应力热处理）时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，叫做再热裂纹，又叫消除应力裂纹（国外简称“SR”裂纹）。最后是层状裂纹，这是冷裂纹的一种特殊形式。在大型焊接结构中，往往采用30～100mm甚至更厚的轧制钢材，轧制钢材中的硫化物、氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物，平行于钢板表面，片状分布在钢板中。在沿焊件厚度方向的应力（包括焊接应力）作用下，夹杂物界面就会开裂，从而在焊接热影响区及其附近的母材上，或远离热影响区的母材上，就会出现具有阶梯状的裂纹，这种裂纹就是层状裂纹。层状撕裂经常产生在T形接头、十字接头和角接接头的热影响区中。

此外，需要特别强调的是，焊接裂纹有时在焊接过程中产生，有时是放置一段时间后才出现的，也就是我们平时说的延迟裂纹，这种延时出现的列为在生产中无法检测，所以其危害更加严重，在时间的生产中对此也要有足够的重视。

3、焊接裂纹形成的原因

3.1焊钢的淬硬性

如果所要焊接的钢材是淬透性较强的钢材，在焊接完成后，其焊缝淬硬现象更加的严重，通过焊缝处的观察可以看到，在焊缝以及和接近焊缝的地方，其焊接的硬度较高，通常在焊缝的周围全部或者部分产生马氏体组织，因此在焊缝根部的缺口位置则应力较为集中，从而产生了焊缝出现了纵向的裂纹。

3.2氢的影响

氢对冷裂纹的影响是明显的。焊缝氢含量越高，裂纹的倾向就越大。焊接区扩散氢对焊接裂纹有直接的影响，因为氢的扩散性很强。例如某产品选用的E4303焊条，属钛钙型焊条，脱硫、磷能力差。另外，焊条的烘干温度不够。焊接时，焊条中的水份、电弧周围的水蒸气和母材表面的铁锈和油污等，都是氢的来源。在电弧高温气氛下，电弧中的溶滴和熔池从周围气氛中吸取氢，大量的氢溶解在熔池中。当熔池金属冷却结晶时，奥氏体转变为铁素体，珠光体和马氏体，引起氢的溶解度急剧降低。此时，氢来不及逸出熔池表面而残存在焊缝中，氢向含量较小的焊缝中的热影响区母材侧扩散，在熔合区的未混合区及半熔合区的液化了的晶界上，或形成的马氏体的晶界上，成为残余氢。当焊接接頭冷却到室温附近时，这些残余氢便在三晶粒顶角的晶界部积累，形成微裂纹。当构件在受到外力的情况下，微裂纹便会迅速扩散，最后导致焊接接头脆性断裂。

3.3焊缝根部塑性的影响

焊缝根部的塑形直接影响到焊缝的抗裂性能，如果焊缝中的合金成分不合理，就会降低焊缝的塑形和强度，大大增加了出现焊接裂纹的概率，同时也影响了焊缝的机械性能。因此在选择焊接材料时，要保证其合金金属填充合理，避免焊缝根部塑形的降低。

3.4应力条件的影响

焊缝和热影区在不均匀加热和冷却时，除了温度降低引起的体积收缩之外，固态组织转变也要引起体积变化。当奥氏体分解转变为马氏体、贝氏体和魏氏体等组织时都要引起体积膨胀，而转变后的这些组织的膨胀系数也降低，引起了局部体积变化。奥氏体分解时的体积膨胀并不是自由的，而受周围金属的拘束，结果造成内应力。对于铸钢和中碳钢，焊后冷却到200～350℃时才发生奥氏体分解，转变生成马氏体，这时钢的塑性已经很低，屈服极限很高，就会造成很大的内应力，而马氏体既硬又脆，很容易在淬火区产生冷裂纹。焊接时，焊件是放入夹具中进行焊接的，冷却时，构件由于受到夹具的约束而不能自由收缩，焊接应力无法释放。当构件冷却后取下夹具，存在结构中的横向拉应力使冷裂纹的产生和发展，加速构件焊接接头的破坏。如自身拘束应力越大，越容易产生裂纹。铸钢和45#钢焊接时产生的裂纹，能使焊缝出现不连续现象，而裂纹的尖端应力集中，在承受交变或冲击载荷时，会使裂纹迅速扩展，最后导致焊接接头断裂。

3.5造成焊接裂纹的其他原因

焊接裂纹的产生除了工艺和材料方面的原因，人为因素和环境条件也是出现焊接裂纹的重要原因。例如在焊接过程中，部分施工人员对于焊缝裂纹的重视程度不够，其制定的焊接标准较低，不能满足工程需要的焊接要求，很容易的产生了较多的裂纹。同时部分施工人员没有能严格的按照焊接操作流程，造成了焊接的质量较差，而在施工过程中也没有相应的专业指导，从而造成了质量监督的不严。此外部分施工现场较乱，也存在着组织管理和人员素质的问题，从而造成了焊接裂缝的出现。

4、防止焊接裂纹的措施

4.1防止产生热裂纹的措施

①限制钢材及焊接材料中易偏析的元素和有害杂质的含量，应尽量减少硫、磷的含量。②降低焊缝的含碳量，使其小于0.15%时，产生热裂纹的倾向比较小。③调整焊缝金属的化学成分，以改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，减少或分散偏析杂质，控制低熔点、共晶的有害影响。④提高焊条或焊剂的碱度，以降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。⑤控制焊接规范，适当提高焊缝形状系数，采用多层多道焊法，焊前预热和焊后缓冷，防止在焊缝中心线处产生裂纹。⑥正确选用焊接接头形式。接头形式不同，其刚性大小、散热条件、结晶特点都不同，因而产生热裂纹的倾向也不一样。⑦合理安排焊接次序，尽量使大多数焊缝在较小的刚度下焊接，使各条焊缝都有收缩的可能。⑧焊缝焊完时，采用电弧引出板，或用断续弧填满弧坑，都可以减少弧坑裂纹。

4.2防止产生冷裂纹的措施

焊前预热与焊后缓冷：经过预热来减少因温差大而产生出的应力，使冷却的速度得到缓解，显微组织得到改进。焊后缓冷则可以有效减缓焊接热影响区的硬度与脆性，塑性得到提高，接头中的氢得以加速扩散出去。①采用减少氢的工艺措施：焊前将焊条、焊剂烘干；正确选择电源与极性；注意操作方法；②合理选用焊接材料：为了尽量减少焊接时带入焊缝中的氢含量，选择焊条时，应选择碱性低氢型的焊条；③采用适当的工艺参数：可对焊接速度进行相应的调整，必要时，应把速度放慢，以减缓焊接接头冷却速时间。焊接时如果速度过快，很容易发生淬火组织；过低，晶粒粗大，淬火区加宽。两者都将产生焊接冷裂纹；④选用合理的装焊顺序，可改善焊件的应力状态；⑤进行焊后热处理：可采用高温回火及改善接头组织及性能等，以便氢的排出及减少焊接应力。

4.3防止产生再热裂纹的措施

①控制母材及焊缝金属的化学成分，适当调整对再热裂纹影响最大因素的含量。②选择抵抗再热裂纹能力高的焊接材料，提高焊缝金属在消除应力处理方面的塑性。③减少接头刚性和应力集中的可能，将焊缝及其与母材交界处打磨光滑。④选用大规范、高线能量进行焊接。⑤消除应力回火处理时应避开产生再热裂纹的敏感温度区。

4.4防止产生层状撕裂的措施

层状撕裂一般有三种类型：第一类是焊跟或焊趾处引的层状撕裂；第二类是夾杂物为裂纹源并沿热影响区扩展的层状撕裂；第三类是远离热影响区，在板厚中央部位的层状撕裂。防止措施：针对第一类：降低钢材焊接冷裂敏感性；降低钢材的含硫量，选用精炼的抗层状撕裂用钢；防止角变形，改善接头形式及破口形状，从而防止应力应变集中；降低焊缝中的含氢量。针对第二类：降低钢中硫、氧、硅、铝等的含量，并在钢中加入稀土元素；改善钢材的轧制条件和热处理；缓和外部的Z向拘束；提高焊接金属塑性并降低氢量。针对第三类：选用耐层状撕裂用钢；轧制钢板端面机加工及仔细装配；改善接头形式及破口形状；预堆焊层。

5、结束语

焊接质量直接决定了工程的质量，但是在焊接施工中，经常出现较多的焊接裂纹，因此要详细分析出现焊接裂纹的原因，并通过严格的控制与管理，减少焊接裂纹的出现，提高工程的质量。此外，工作业人员在实际工作中要注意积累经验和教训，以便更好地指导生产。

参考文献：

[1]碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施[J].李志强.黑龙江科技信息.2017（05）.

[2]板对接立位实芯焊丝CO2气体保护焊焊接工艺研究[J].贾东，刘增峰，郭建明，都宏海，刘永庆.焊管.2016（06）.

（作者单位：神东煤炭集团设备维修中心）