四種常見焊接裂紋的解析

四種常見焊接裂紋的解析

焊接裂紋

焊接件中最常見的一種嚴重缺陷。在焊接應力及其他致脆因素共同作用下,焊接接頭中局部地區的金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面所產生的縫隙。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征,按照形成的條件可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂等四類。一、冷裂紋  冷裂紋是在焊接過程中或焊後,在較低的溫度下,大約在鋼的馬氏體轉變溫度(即Ms點)附近,或300~200℃以下(或T<0.5Tm,Tm為以絕對溫度表示的熔點溫度)的溫度區間產生的,故稱冷裂紋。冷裂紋又可分為延遲裂紋、淬火裂紋和低塑性脆化裂紋。

(一)產生條件

  1. 焊接接頭形成淬硬組織。由於鋼的淬硬傾向較大,冷卻過程中產生大量的脆、硬,而且體積很大的馬氏體,形成很大的內應力。接頭的硬化傾向:碳的影響是關鍵,含碳和鉻量越多、板越厚、截面積越大、熱輸入量越小,硬化越嚴重。
  2. 鋼材及焊縫中含擴散氫較多,氫原子在缺陷處(空穴、錯位)聚積(濃集)形成氫分子,氫分子體積較氫原子大,不能繼續擴散,不斷聚積,產生巨大的氫分子壓力,甚至會達到幾萬個大氣壓,使焊接接頭開裂。許多情況下,氫是誘發冷裂紋最活躍的因素。
  3. 焊接拉應力及拘束應力較大(或應力集中)超過接頭的強度極限時產生開裂。

(二)產生原因:可分為選材和焊接工藝兩個方面。1.選材方面(1)母材與焊材選擇匹配不當,造成懸殊的強度差異;(2)材料中含碳、鉻、鉬、釩、硼等元素過高,鋼的淬硬敏感性增加。2.焊接工藝方面(1)焊條沒有充分烘幹,藥皮中存在著水分(遊離水和結晶水);焊材及母材坡口上有油、銹、水、漆等;環境濕度過大(>90%);有雨、雪污染坡口。以上的水分及有機物,在焊接電弧的作用下分解產生H,使焊縫中溶入過飽和的氫。(2)環境溫度太低;焊接速度太快;焊接線能量太少。會使接頭區域冷卻過快,造成很大的內應力。(3)焊接結構不當,產生很大的拘束應力。(4)點焊處已產生裂紋,焊接時沒有鏟除掉;咬邊等應力集中處引起焊趾裂紋;未焊透等應力集中處引起焊根裂紋;夾渣等應力集中處引起焊縫中裂紋。

(三)預防方法:可以從選材和焊接工藝兩個方面著手。1.正確選材  選用堿性低氫型焊條和焊劑,減少焊縫金屬中擴散氫的含量;做好母材和焊材的選擇匹配;在技術條件許可的前提下,可選用韌性好的材料(如低一個強度等級的焊材),或施行“軟”蓋面,以減小表面殘餘應力;必要時,在制造前對母材和焊材進行化學分析、機械性能及可焊性、裂紋敏感性試驗。2.焊接工藝方面(1)嚴格地按照試驗得出的正確工藝規范進行焊接操作。主要包括:嚴格地按規范進行焊條烘幹;選擇合適的焊接規范及線能量,合理的電流、電壓、焊接速度、層間溫度及正確的焊接順序;對點焊進行檢查處理;做好雙面焊的清理等;仔細清理坡口和焊絲,除去油、銹和水分。(3)選擇合理的焊接結構,避免拘束應力過大;正確的坡口形式和焊接順序;降低焊接殘餘應力的峰值。(4)焊前預熱、焊後緩冷、控制層間溫度和焊後熱處理,是可焊性較差的高強度鋼和不可避免的高拘束結構形式,防止冷裂紋行之有效的方法。預熱和緩冷可減緩冷卻速度(延長△t 800~500℃停留時間),改善接頭的組織狀態,降低淬硬傾向,減少組織應力;焊後熱處理可消除焊接殘餘應力,減少焊縫中擴散氫的含量。在多數情況下,消除應力熱處理應在焊後立即進行。(5)焊後立即錘擊,使殘餘應力分散,避免造成高應力區,是局部補焊時防止冷裂紋行之有效的方法之一。(6)在焊縫根部和應力比較集中的焊縫表面(熱影響區受到的拘束應力較低),采用強度級別較低的焊條,往往在高拘束度下取得良好的效果。(7)采用惰性氣體保護焊,能最大地控制焊縫含氫量,降低冷裂紋敏感性,所以應大力推廣TIG、MIG焊接。二、層狀撕裂 層狀撕裂是冷裂紋的一種特殊形式。主要是由於鋼板內存在著分層(沿軋制方向)的夾雜物(特別是硫化物),在焊接時產生的垂直於軋制方向(板厚方向)的拉伸應力作用下,在鋼板中熱影響區或稍遠的地方,產生“臺階”式與母材軋制表面平行的層狀開裂。產生在T字型、K字型厚板的角焊接接頭中。  提高鋼板質量,減少鋼材中層狀夾雜物,從結構設計和焊接工藝方面采取措施,減少板厚方向的焊接拉伸應力,可防止層狀撕裂。厚板焊接前,進行板材的超聲波和坡口滲透探傷,檢查分層夾雜物情況,如有層狀夾雜物存在,可設法避開或事先修、磨處理。

三、熱裂紋

 熱裂紋是在高溫下產生的,從凝固溫度范圍至A3以上溫度,所以稱熱裂紋,又稱高溫裂紋。  如果材料中存在著較多的低熔點共晶雜質元素(P、S、C等)和較多的晶格缺陷,在焊接熔池結晶過程中,就容易出現晶界偏析,偏析出現的物質多為低熔點共晶(如:FeS—Fe、Fe3P—Fe、NiS—Ni、Ni3P—Ni)和雜質,它們在結晶過程中,以液態間層存在,形成抗變形能力很低的液態薄膜,相應的液態相存在的時間增長,最後結晶凝固,而凝固後的強度也極低,當焊接拉應力足夠大時,會將液態間層拉開,或在其凝固後不久被拉斷形成裂紋。  此外,如果母材的晶界上也存在著低熔點共晶和雜質時,則在加熱溫度超過其熔點的熱影響區內,這些低熔點共晶物將熔化成液態間層,當焊接拉應力足夠大時,也會被拉開而形成熱影響區液化裂紋。

熱裂紋都是沿奧氏體晶界開裂,呈鋸齒狀,所以,又稱晶間裂紋。多出現在焊縫中間,特別是弧坑處,多數在焊縫柱狀晶的會合處,即焊縫凝固的最終位置,也是最容易引起低熔點共晶偏析的位置;少數出現在熱影響區。焊縫中的縱向裂紋一般發生在焊道中心,與焊縫長度方向平行;橫向裂紋一般沿柱狀晶界發生,並與母材的晶界相連,與焊縫長度方向垂直。當裂紋貫穿表面與空氣相通時,斷口表面呈氧化色彩(如藍灰色等),有的焊縫表面的宏觀裂紋中充滿熔渣。(一)產生的原因1.選材方面:材料中含硫過多產生“熱脆”;含銅過高產生“銅脆”;含磷過高產生“冷脆”。2.焊接工藝方面:鎳基不銹鋼,焊接順序不當或層間溫度過高、熱輸入量過大、冷卻速度太慢;坡口形式不當(焊縫形狀系數ψ=b/h≤1的窄深焊縫),單層單道焊時易產生焊縫中心偏析裂紋;弧坑保護不好,由於偏析作用,易產生弧坑熱裂紋;多次返修會產生晶格缺陷聚集,形成多邊化熱裂紋。(二)預防方法  由於熱裂紋的產生與應力的因素有關,所以防止方法也要從選材和焊接工藝兩個方面著手。1.選材方面(1)限制鋼材和焊材中,易產生偏析的元素和有害雜質的含量,特別是S、P、C的含量,因為它們不僅形成低熔點共晶,而且還促進偏析。C≤0.10%熱裂紋敏感性可大大降低。必要時對材料進行化學分析、低倍檢驗(如硫印等)。(2)調節焊縫金屬的化學成分,改善組織、細化晶粒,提高塑性,改變有害雜質形態和分佈,減少偏析,如采用奧氏體加小於6%的鐵素體的雙相組織。(3)提高焊條和焊劑的堿度,以減低焊縫中雜質的含量,改善偏析程度。關註微信號:慧寧焊割 更多精彩資訊等著你!2.焊縫工藝方面(1)選擇合理的坡口形式,焊縫成型系數ψ=b/h>1,避免窄而深的“梨形”焊縫,防止柱狀晶在焊道中心會合,產生中心偏析形成脆斷面;采用多層多道焊,打亂偏析聚集。值得註意的是,焊接電流過大也會形成“梨形”焊縫。(2)控制焊接規范:a.采用較小(適當)的焊接線能量,對於奧氏體(鎳基)不銹鋼應盡量采用小的焊接線能量(不預熱、不擺動或少擺動、快速焊、小電流)、嚴格掌握層間溫度,以縮短焊縫金屬在高溫區的停留時間;b.註意收弧時的保護,收弧要慢並填滿弧坑,防止弧坑偏析產生熱裂紋;c.盡量避免多次返修,防止晶格缺陷聚集產生多邊化熱裂紋;d.采取措施盡量降低接頭應力,避免應力集中,並減少焊縫附近的剛度,妥善安排焊接次序,盡量使大多數焊縫在較小的剛度下焊接,使其有收縮的餘地。四、再熱裂紋

  再熱裂紋是指一些含有釩、鉻、鉬、硼等合金元素的低合金高強度鋼、耐熱鋼的焊接接頭,在加熱過程中(如消除應力退火、多層多道焊及高溫工作等),發生在熱影響區的粗晶區,沿原奧氏體晶界開裂的裂紋,也有稱其為消除應力退火裂紋(SR裂紋)。  再熱裂紋起源於焊縫熱影響區的粗晶區,具有晶界斷裂特征,裂紋大多數發生在應力集中的部位。

預防措施1.選材時應註意能引起沉淀析出的碳化物形成元素,尤其是V的含量。必須采用高V鋼材時,焊接及熱處理時要特別加以註意。2.熱處理時避開再熱敏感區,可減少再熱裂紋產生的可能性,必要時熱處理前做熱處理工藝試驗。3.盡量減少殘餘應力和應力集中,減少餘高、消除咬邊、未焊透等缺陷,必要時將餘高和焊趾打磨圓滑;提高預熱溫度,焊後緩冷,降低殘餘應力。4.適當的線能量,防止熱影響區過熱,晶粒粗大。5.在滿足設計要求的前提下,選用低一個強度等級的焊條,讓其釋放一部分由熱處理過程消除的應力,使應力在焊縫中松弛,對減少再熱裂紋有好處。

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文章來源:焊接裂紋解析 四種常見焊接裂紋的解析 產生原因及預防方法

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