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浅谈焊接裂纹的产生原因和防止措施施

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浅谈焊接裂纹的产生原因和防止措施
摘要：对焊接裂纹产生原因分析的基础上，采用可行的焊接工艺和有效的防止措施。
关键词：焊接裂纹 分析 焊接工艺 防止措施
前言
焊接是现代工业生产中最重要的加工工艺之一，它已广泛应用于制造和修理各种结构和设备。焊接作为一种降低成本、提高生产效率的有效手段，用它不仅可以得到优质、可靠的工件，而且可以创制出原则上完全新颖的产品。大如航空航天和核动力装置，小至微电子以及超精器件，如果没有焊接技术，很难想像将会遇到多少困难，甚至无法制造出来。因此完全可以说，没有焊接就没有今天这样的现代工业，焊接为今天这样的现代文明起到了它应有的作用。随着现代工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化，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，以及各种合金材料应用的日益广泛。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的问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。常见的焊接裂纹根据生成时的温度，可分成热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等几类。焊接结构中，焊接裂纹以冷裂纹最为常见，其次为热裂纹，本次论文主要阐述冷裂纹的产生机理和防止措施。
一、焊接冷裂纹
    冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹。冷裂纹包括：延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，正常所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。延迟裂纹生成温度约在100~－100℃之间，存在潜伏期，缓慢扩散期和突然断裂期三个连续的开始过程。潜伏期几小时、几天甚至更长。裂纹一般有焊道下裂纹、焊根下裂纹、焊根裂纹、横向裂纹、凝固过渡层裂纹。
    一般情况下，焊接低中合金高强钢，高中碳钢等易淬火钢时容易产生冷裂纹。
二、冷裂纹产生的机理
    大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布，以及焊接接头所承受的应力状态是产生焊接冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。
（1）含氢量的影响
    导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。当焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率也随着增加。例如，用有机物含量较多的焊条（J422）进行焊接出现了大量的焊道下裂纹，而用低氢型焊条焊接时，则未出现或很少出现焊道下裂纹。在电弧作用下，水分解为氢原子进入熔池，随着金属的冷却，氢的溶解量下降，氢逐渐析出，残存在固态金属中，形成氢分子，造成很大的内应力，容易产生裂纹。根据融合区氢浓度的聚集，预热对冷裂纹敏感性有较大的影响，在不预热的情况下熔合区的氢浓度在焊后4天将达到最高值。而采用预热后的氢的集聚时间和最高浓度值得到大幅度降低，有利于防治冷裂纹。类似的焊后紧急加热可加速氢的扩散，也是防治冷裂纹的有效措施之一。
（2）淬硬作用
   具有淬硬倾向的钢种淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大，产生冷裂纹率也越高。当材料一定时，随冷却速度的不同接头组织将相应改变。冷却速度越高，马氏体含量越高导致裂纹率急剧上升。在焊接条件下，近缝区的加热温度很高（达1350~1400℃）使奥氏体晶粒严重长大，快速冷却时，转变为粗大的马氏体，性能将更为脆硬。   
（3）拘束应力
    焊接接头拘束应力包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变应力、结构自身几何因素所决定的内应力。如果当扩散氢含量增加时，即使马氏体扩散或拘束应力较小也有可能开裂。当材料的碳当量较高而在接头中形成较多的针状马氏体，即使扩散氢很少甚至没有，也会产生裂纹。
三、冷裂纹的防止措施
   防止冷裂纹生成原则上不外乎减少接头的淬硬、含氢量和拘束应力等三种， 其防治措施也应与其相对应。
（1）母材和焊接材料的选择
a、母材应降低其淬硬性，其母材应含碳量低，杂质小。
b、焊接生产中，母材多半以给定，因而对焊材选用更加实际、严格。
首先应选用含氢量较低的焊材，例如使用低氢型或超低氢型，焊前必须烘干，去除油锈。对于敏感性较高的冷裂纹接头，焊接时尽量降低焊缝金属的强度。例如在修复高强度构件的少量缺陷时，应采用J427焊条（E4315），而选用强度级别更高的J507（E5015）、J557（E5515）焊条等效果更加优越。厚板焊接时，在最易启裂纹根部焊道采用低匹配，按等强原则选择焊接材料，是防止冷裂且能保证接头强度的可取工艺。采用低氢型焊材，焊接高淬硬性钢材是防治冷裂纹的有效措施，在修复中高碳钢或合金钢构件时应用尤多。
（2）工艺措施
从防治冷裂纹观点角度来考虑，焊接热循环首先应谋求缓冷，如采用较小的线能量和预热，预热固然可以有效的防治冷裂纹，但增加了构件制作工序，同时恶化了劳动条件，因此在生产中应尽量降低预热温度。由于冷裂纹经常具有延迟性。其另一有效防治措施是焊后紧急后热，保温缓冷也有助于防治冷裂纹的产生。
（3）结构设计
    制定工艺，必须尽量降低焊接应力，避免应力集中。例如：在实际生产过程中合理安排装配焊接顺序，使接头在最小的拘束条件下施焊，必要时可以采取分区对称、分段、反向等焊法，以降低焊接应力。同样从焊接角度来看，焊接线能量不宜选择过大，焊接热量更不应长时间集中于局部地区。
结束语
随着科学技术的不断发展，工厂的建立或扩建，焊接作为连接工艺的手段，在生活中显而易见，但它的缺点至今无法避免，我们只有在操作中选用合理的焊接工艺，严格按照焊接工艺卡执行，减少或尽可能避免各种缺陷，以便提高各种工件的使用寿命。

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