焊接裂纹形成的原因及防止措施(2020年10月整理).pdf

焊接裂纹形成的原因及防止措施
焊接裂纹是在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙。

它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，易引起较高的应力集中，而且有延伸和扩展的趋势，所以，也是最危险的焊接缺陷。

裂纹常有热裂纹、冷裂纹以及再热裂纹（消除应力处理裂纹）。

一、热裂纹形成及防止
常见的热裂纹有两种：结晶裂纹、液化裂纹。

结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。

而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，在收缩力的作用下而产生的裂纹。

结晶裂纹产生的原因：
焊接时，熔池在电弧热的作用下，被加热到相当高的温度，而受热膨胀，而母材却不能自由收缩，于是高温的熔池受到一定的压力。

当熔池开始冷却时，就以半融化的母材为晶核开始处结晶。

最先结晶的是纯度较高的的合金。

最后凝固的是低熔点共晶体。

低熔点共晶物的多少取决于焊缝金属中C、S、L等元素的含量。

当含量较少时，不足以在初生晶粒间形成连续的液态膜。

焊接熔池的冷却速度极快，低熔点共晶物几乎与初析相同时完成结晶。

因此连续冷却的金属熔池虽然受到收缩应力的作用也不至于产生晶间裂纹。

当低熔点共晶体量较多时，情况就不同了，初次结晶的偏析程度较大，并在初次结晶的晶体之间形成晶间液膜，当熔池冷却收缩时，被液膜分割的晶体边界就会被拉开就形成了裂纹。

这是主要原因，另有两个其它原因：一是焊缝金属所经受的应变增加速度大于低熔点共晶物凝固的速度；另外，初生晶体的张大方向和残留低熔共晶体的相对位置的影响。

可见，关键的措施就是：
1、应严格控制焊缝金属中C、S、P和其它易形成低熔点共晶体的合金成分的含量，这些元素和杂质的含量越低，焊缝金属的抗裂纹能力越大。

当焊缝中C>0.15%,S>0.04%就可能有裂纹出现，如果母材中含碳量很高，就要控制焊接材料的成分，以使混合后的碳含量降下来。

2、改变焊缝横截面的形状也就改变了焊接熔池的结晶方向，使之有利于将低熔点共晶体推向不易产生裂纹的位置。

液化裂纹产生的原因：
焊接时紧靠熔合线的母材区域被加热到接近钢熔点的高温，此时母材晶体本身未发生熔化，而晶界的
低熔点共晶物则已完全熔化。

当焊接熔池冷却时，焊缝应变速度较高。

如果这些低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。

晶间液层的熔点越低，凝固时间越长，则液化裂纹的倾向越大。

液化裂纹的成因归于母材晶粒边界的低熔点共晶物，因此液化裂纹多产生于C、S、P杂质较高的母材与焊缝的熔合边界。

可采取的措施：
1、对需用大规范埋弧焊的钢板进行筛选，采用S、P含量较低的钢板。

2、对于直边不开坡口的对接接头，加大接缝间隙至4_5mm,这样可在较小的焊接电流下完成全焊头的焊缝。

3、将对接焊缝开成V形坡口，采用低规范多道埋弧自动焊。

以上工艺方法会降低焊接生产率，只是在无法更换材料时才用。

根本办法还是选用含C、S、P较低的材料。

含C0.2%以下，S，P在0.03%以下就不会再出现近缝区的液化裂纹。

二、冷裂纹形成及防止
焊接接头的冷裂纹主要在屈服极限大于300MPa的低合金钢中产生。

钢材的强度越高，焊接产生冷裂纹的可能性越大，在低碳钢的焊接接头中一般不出现冷裂纹。

冷裂纹的形成机理可以如下解释：
在不利的条件下焊接时，焊接熔池中溶解了较多的氢，焊缝金属快速冷却后，大部分氢快速过饱和溶剂与焊缝金属中。

在焊接残余应力作用下，氢逐渐向产生应力与应变集中的热影响区扩散，并在某些微区聚集。

而低合金钢热影响区又往往存在马氏体淬硬组织，他的塑性变形能力很低。

当氢的浓度达到某一临界值时，变脆的金属即使是微小的应变也经受不起，而在残余应力的作用下就会开裂。

危险的是这些开裂面会进一步扩展，而且在裂纹的端部会有氢凝聚导致新的开裂，最终发展成宏观裂纹。

防止的措施：
1、控制近缝区的冷却速度，使之不易形成淬硬组织；
2、将工件预热（降低冷却速度）；
3、建立低氢的焊接条件。

冷裂纹是一种最危险的缺陷，具有延迟性。

有的甚至在焊缝无损探伤后才形成，而造成不可弥补的漏检。

三、在热裂纹
最常见的再热裂纹是焊后热处理过程中形成的裂纹，所以又叫“消除应力处理裂纹”。

产生于具有沉淀硬化倾向的低合高强钢和奥氏体不锈钢中。

其中Cr-Mo-V，Cr-Mo-V-B，Mn-Ni-Mo-V型等低合金钢对再热裂纹由最高的敏感性。

防止的措施：
1、选用对这种裂纹不敏感的材料制造压力容器。

Mn钢、Mn-Mo钢、Mn-Ni-Mo钢一般无再热裂纹倾向。

2、其次可适当的改变工艺条件。