焊接裂纹的成因及解决方法

2019-10-31 11:37:36 金晓


焊接裂纹可分为热裂纹,再热裂纹,冷裂纹,层状撕裂等。以下是各种裂纹的成因,特征和预防措施的详细说明。


焊接裂纹


1.热裂纹

它是在焊接过程中在高温下产生的,因此称为热裂纹。其特征是沿原始奥氏体晶界开裂。根据金属的不同材料,焊接的主要原因(低合金高强度钢,不锈钢,铸铁,铝合金和某些特殊金属等),形式,温度范围和热裂纹也不同。目前,热裂纹分为三种类型:结晶裂纹,液化裂纹和多边裂纹。

1)晶体裂纹主要发生在碳钢和低合金钢焊缝中,其中包含各种杂质(包括较高的S,P,C和Si),单相奥氏体钢,镍基合金和某些铝合金焊缝。该裂纹在焊接结晶过程中发生。接近固相线时,由于凝固金属的收缩,残留的液态金属不足,不能及时填充,在晶界应力下产生裂纹。

预防措施如下:就冶金因素而言,适当调整焊接金属的成分,缩短脆性温度区域的范围,并控制焊接中硫,磷,碳和其他有害杂质的含量;细化焊缝金属的原始晶粒,即适当添加Mo,V,Ti,Nb和其他元素;从技术上讲,可以通过在焊接前预热,控制能量并降低接头的粘结程度来防止这种情况。

2)接头附近的液化裂纹是沿着奥氏体晶界开裂的微裂纹。它的尺寸很小,出现在热影响区附近或中间。原因通常是在焊接过程中,在接合区域附近的奥氏体晶界或焊接夹层金属上的共晶成分在高温下熔化,并在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界形成液化裂纹。


焊接裂纹


这种防裂措施与晶体裂纹基本相同。特别是在冶金中,尽可能减少硫,磷,硅和硼等共晶组成元素的含量非常有效。从技术上讲,可以降低线能量,并且可以减小熔池的熔合线的凹度。

3)多边化裂纹是由于多边化形成过程中高温下的低塑性造成的。这种裂纹并不常见,其预防措施可以在焊缝中添加Mo,W,Ti等元素,以提高多边化的活化能。


焊接裂纹


2.再加热裂纹

通常在某些钢种和超级合金包含析出强化元素(包括低合金高强度钢,耐热珠光体钢,析出强化超级合金和某些奥氏体不锈钢)时发生。焊接后未发现裂纹,但在热处理过程中出现了裂纹。再热裂纹出现在焊缝热影响区的过热粗晶粒上,其趋势是沿着熔合线的奥氏体粗晶粒边界扩展。

在材料选择中,可以使用细晶粒钢来防止再热裂纹。从技术上讲,应选择较小的线性能量,较高的预热温度和后续的热处理措施,并选择具有较低匹配度的焊接材料以避免应力集中。

3.冷裂

它主要发生在高,中碳钢,低和中合金钢的焊接热影响区,但是某些金属,例如一些超高强度钢,钛和钛合金,有时会在焊缝中出现冷裂纹。通常,钢种的硬化趋势,焊接接头的氢含量和分布以及接头的约束应力状态是造成高强度钢焊接冷裂纹的三个主要因素。焊接后形成的马氏体组织在氢元素的作用下与拉伸应力结合而形成冷裂纹。它的形成通常是跨晶的或晶间的。冷裂纹通常分为焊趾裂纹,焊缝裂纹和根部裂纹。

防止冷裂始于工件的化学成分,焊接材料的选择和技术措施。碳当量较低的材料应尽可能选择。焊接材料应为低氢焊条,焊缝应具有较低的强度,奥氏体焊接材料也可用于具有高冷裂倾向的材料。合理控制能量,进行预热和后热处理是防止冷裂的技术措施。


焊接裂纹


由于钢种,焊接材料,结构类型,刚度和具体施工条件的不同,在焊接生产中可能会出现各种形式的冷裂纹。但是,在生产中经常会遇到延迟的裂纹。


焊接裂纹


延迟裂纹具有以下三种形式:

1)焊趾裂纹-这种裂纹起源于母材与焊缝的交点,应力集中明显。裂纹的方向通常平行于焊缝,并且通常从焊趾的表面延伸到母体金属的深度。

2)焊缝下的裂纹-这种裂纹通常发生在焊接热影响区,具有较高的硬化趋势和较高的氢含量。通常,裂纹方向平行于熔合线。

3)根裂纹-这种裂纹是延迟裂纹的一种常见形式,主要发生在氢含量高和预热温度不足的条件下。这种裂纹类似于焊趾裂纹,起源于焊缝根部应力集中最大的位置。在热影响区的粗晶粒部分或焊缝金属中可能会发生根裂纹。

钢种的硬化趋势,焊接接头中的氢含量及其分布以及接头的约束应力状态是导致高强度钢在焊接过程中产生冷裂纹的三个主要因素。这三个因素相互关联,并且在一定条件下相互促进。

钢种的硬化趋势主要取决于化学成分,板厚,焊接工艺和冷却条件。在焊接过程中,钢种的硬化趋势越大,就越容易产生裂纹。钢的硬化为什么会导致开裂?可以归纳为以下两个方面。

答:马氏体是一种脆硬的马氏体组织。马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体。碳原子以间隙原子的形式存在于晶格中,这会导致铁原子偏离平衡位置,并使晶格发生大的变形,从而使结构处于硬化状态。特别是在焊接条件下,接头附近的加热温度很高,导致奥氏体晶粒严重生长。在快速冷却期间,粗奥氏体将转变为粗马氏体。从金属的强度理论可以知道,马氏体是一种脆性和坚硬的组织,当发生断裂时会消耗较低的能量。因此,当焊接接头中存在马氏体时,裂纹易于形成和扩展。

B:硬化会形成更多的晶格缺陷-金属在热不平衡的情况下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要是空位和位错。随着焊接热影响区中热应变的增加,在应力和热量不平衡的情况下,空位和位错会移动并累积。当它们的浓度达到某个临界值时,就会形成裂纹源。在不断的应力作用下,它将继续膨胀并形成宏观裂纹。

氢是导致高强度钢冷焊裂纹的重要因素之一,并且具有延迟特性。因此,在许多文献中,由氢引起的延迟裂纹被称为“由氢引起的裂纹”。实验研究证明,高强度钢焊接接头中的氢含量越高,裂纹敏感性越大。当局部区域的氢含量达到某个临界值时,将开始出现裂纹。该值称为裂纹的临界氢含量[H] cr。

各种钢的冷裂纹[H] cr值不同,这与钢的化学成分,钢的程度,预热温度,冷却条件等有关。

1.在焊接过程中,焊缝中的水分,铁锈,油污和环境湿度是焊缝中富氢的原因。通常,母体金属和焊丝中的氢含量非常小,而涂层中的水分和空气中的水分则不容忽视,成为氢富集的主要来源。

2:氢在不同金属结构中的溶解度和扩散性不同。氢在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度。因此,当奥氏体在焊接过程中转变为铁素体时,氢的溶解度突然降低。同时,氢的扩散速度正好相反。当氢从奥氏体变为铁素体时,氢的扩散速率突然增加。

在焊接过程中,大量的氢气会在高温的作用下溶解在熔池中。在随后的冷却和固化过程中,由于溶解度的急剧下降,氢将尽可能多地逸出。但是,由于快速冷却,氢不会逸出,而是会保留在焊缝金属中以形成扩散的氢。


手持激光焊接头ND18


4.分层撕裂

这是内部低温裂纹。它限于母材或厚板焊缝的热影响区,并且主要出现在“ L”,“ T”和“ +”接头处。由于在厚度方向上轧制的厚钢板的塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变,因此被定义为在母材中产生的阶梯状的冷裂纹。通常,在厚钢板的轧制过程中,钢中的一些非金属夹杂物被轧制成平行于轧制方向的带状夹杂物,这导致钢板的机械性能受到引导。在选择材料时,可以使用细钢来防止分层,即可以选择具有更高Z方向性能的钢板,并且可以改进接头设计形式以避免单向焊接或承受Z方向应力的侧面开槽。

分层撕裂不同于冷裂。它的产生与钢种的强度等级无关,而主要与钢中夹杂物的数量和分布有关。在厚轧制钢板(例如低碳钢,低合金高强度钢,甚至铝合金板)中也会发生分层撕裂。根据层状撕裂的位置,一般可分为三类:

第一种是由焊缝热影响区的焊趾或焊根处的冷裂纹引起的层状撕裂。

第二类是焊接热影响区夹杂物的裂纹,这是工程中最常见的分层。

沿着远离热影响区的母体金属中夹杂物的第三种类型的裂纹通常出现在具有更多MnS分层夹杂物的厚板结构中。

层状撕裂的形态与夹杂物的类型,形状,分布和位置密切相关。当MnS夹杂物主要在轧制方向上分层时,分层撕裂具有清晰的梯形,而当硅酸盐夹杂物主要为线性时,例如,当Al夹杂物主要为不规则梯形时。

当焊接厚板结构,特别是T形和角接时,在刚性约束条件下,当焊接收缩时,会在母材的厚度方向上产生很大的拉伸应力和应变。当应变超过母体金属的塑性变形能力时,夹杂物和金属基体将分离而产生微裂纹。在应力的连续作用下,裂纹尖端将沿夹杂物平面扩展,形成所谓的“平台”。

影响层状撕裂的因素很多,主要有以下几个方面:

1.非金属夹杂物的类型,数量和分布是层状撕裂的根本原因,这是钢的各向异性和力学性能差异的根本原因。

2:Z方向约束应力厚壁焊接结构在焊接后的焊接后承受不同的Z方向约束应力,残余应力和载荷,这是导致层状撕裂的机械条件。

3.氢的影响通常被认为是在热影响区附近,冷裂会导致层状撕裂,氢是重要的影响因素。

由于层状撕裂的巨大影响和严重危害,在施工前必须判断钢层状撕裂的敏感性。

常用的评估方法包括螺栓拉伸截面在Z方向上的收缩率和临界应力法在Z方向上。为了防止分层,横截面的收缩率应不小于15%,并且通常期望具有15-20%的比率。当其为25%时,层状抗撕裂性被认为是优异的。

应主要从以下几个方面采取措施防止分层:

首先,对铁水进行精炼前要进行广泛的脱硫,可以使用真空脱气来冶炼硫含量仅为0.003-0.005%的超低硫钢,其断面收缩率(z方向)可以达到23-25% 。

其次,控制硫化物夹杂物的形态是将MnS转变为其他元素的硫化物,使其在热轧过程中难以拉伸,从而降低了各向异性。当前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理,可以制造出Z方向的断面收缩率为50.70%的钢板。

第三,从防止分层的角度出发,设计施工技术主要是避免Z方向的应力和应力集中。具体措施如下:

1)应尽量避免单面焊接。切换到双面焊缝可以减少焊缝根部的应力状态,以防止应力集中。

2)焊接数量少的对称角焊缝应代替焊接数量大的全熔透焊缝,以免产生过大的应力。

3)凹槽应在承受Z方向应力的一侧打开。

4)对于T型接头,可以在横板上预焊接一层低强度焊接材料,以防止根部开裂并减小焊接应变。

5)为防止冷裂引起的层状撕裂,应采取一些措施防止冷裂,例如降低氢含量,适当增加预热,控制中间层温度等。



推荐阅读《焊接设备基础知识,焊接新手必看的干货》


联系电话:400-836-8816

深圳市万顺兴科技有限公司

在线留言
电话咨询
邮件咨询
在线地图
QQ客服