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焊接热裂纹产生原因及防止措施
【 编辑:联顺精细管件】【 来源:】【 点击:1547 】【 发布于:2017/4/27 】

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


①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。


②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。


③一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。


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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