超全的焊接裂纹成因及其防治步伐
焊接裂纹就其实质来分,可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。下面就种种裂纹的成因、特点和防治步伐进行具体的论述。
1.热裂纹 是在焊接时高温下爆发的,故称热裂纹,它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。凭据所焊金属的质料差别(低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等),爆发热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。目前,把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。 1)结晶裂纹主要爆发在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中(含S、P、C、Si偏高)和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊缝中。这种裂纹是在焊缝结晶历程中,在固相线四周,由于凝固金属的收缩,剩余液体金属缺乏,不可实时添充,在应力作用下爆发沿晶开裂。 防治步伐为:在冶金因素方面,适当调解焊逢金属身分,缩短脆性温度区的规模控制焊逢中硫、磷、碳等有害杂质的含量;细化焊缝金属一次晶粒,即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素;在工艺方面,可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头羁绊度等方面来防治。 2)近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹,它的尺寸很小,爆发于HAZ近缝区或层间。它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属,在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成物被重新熔化,在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。 这一种裂纹的防治步伐与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面,尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的;在工艺方面,可以减小线能量,减小熔池熔合线的凹度。 3)多边化裂纹是在形成多边化的历程中,由于高温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见,其防治步伐可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素,如Mo、W、Ti等。 2.再热裂纹 通常爆发于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金(包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金,以及某些奥氏体不锈钢),他们焊后并未发明裂纹,而是在热处理历程中爆发了裂纹。再热裂纹爆发在焊接热影响区的过热粗晶部位,其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。 防治再热裂纹从选材方面,可以选用细晶粒钢。在工艺方面,选用较小的线能量,选用较高的预热温度并配合以后热步伐,选用低匹配的焊接质料,制止应力集中。 3.冷裂纹 主要爆发在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区,但有些金属,如某些超高强钢、钛及钛合金等,有时冷裂纹也爆发在焊缝中。一般情况下,钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及漫衍,以及接头所蒙受的羁绊应力状态是高强钢焊接时爆发冷裂纹的三大主要因素。焊后形成的马氏体组织在氢元素的作用下,配合以拉应力,便形成了冷裂纹。它的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹。 防治冷裂纹可以从工件的化学身分、焊接质料的选择和工艺步伐三方面入手。应尽量选用碳当量较低的质料;焊材应选用低氢焊条,焊缝应用低强度匹配,关于高冷裂倾向的质料也可选用奥氏体焊材;合理控制线能量、预热和后热处理是防治冷裂的工艺步伐。 在焊接生产中由于接纳的钢种、焊接质料差别,结构的类型、钢度,以及施工的具体条件差别,可能泛起种种形态的冷裂纹,然而在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹。 延迟裂纹有以下三种形式: 1、焊趾裂纹 这种裂纹起源于母材与焊缝交界处,并有明显应力集中部位。裂纹的走向经常与焊道平行,一般由焊趾外貌开始向母材的深处扩展。 2、焊道下裂纹 这种裂纹经常爆发在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行。 3、根部裂纹 这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态,主要爆发在含氢量较高、预热温度缺乏的情况下。这种裂纹与焊趾裂纹相似,起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能泛起在热影响区的粗晶段,也可能泛起在焊缝金属中。 钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其漫衍,以及接头所蒙受的羁绊应力状态是高强钢焊接时爆发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增进的。 钢种的淬硬倾向主要决定于化学身分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时,钢种的淬硬倾向越大,越易爆发裂纹。为什么钢淬硬之后会引起开裂呢?可归纳为以下两方面。 Part. 1 形成脆硬的马氏体组织——马氏体是碳在ɑ铁中的过饱和固溶体,碳原子以间隙原子保存于晶格之中,使铁原子偏离平衡位置,晶格爆发较大的畸变,致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下,近缝区的加热温度很高,使奥氏体晶粒爆发严重长大,当快速冷却时,粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道,马氏体是一种脆硬的组织,爆发断裂时将消耗较低的能量,因此,焊接接头有马氏体保存时,裂纹易于形成和扩展。 Part. 2 淬硬会形成更多的晶格缺陷——金属在热力不平衡的条件下会形成大宗的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要是空位和位错。随焊接热影响区的热应变量增加,在应力和热力不平衡的条件下,空位和位错都会爆发移动和聚集,当它们的浓度抵达一定的临界值后,就会形成裂纹源。在应力的继续作用下,就会不绝地爆发扩展而形成宏观的裂纹。 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一,并且有延迟的特征,因此,在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”。试验研究证明,高强钢焊接接头的含氢量越高,则裂纹的敏感性越大,政府部地区的含氢量抵达某一临界值时,便开始泛起裂纹,此值称为爆发裂纹的临界含氢量[H]cr。 种种钢爆发冷裂的[H]cr值是差别的,它与钢的化学身分、钢度、预热温度,以及冷却条件等有关。 焊接时,焊接质料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污,以及情况湿度等都是焊缝中富氢的原因。一般情况下母材和焊丝中的氢量很少,而焊条药皮的水分和空气中的湿气却不可忽视,成为增氢的主要来源。 氢在差别金属组织中的溶解和扩散能力是差别的,氢在奥氏体中的溶解度远比铁素体中的溶解度大。因此,在焊接时由奥氏体向铁素体转变时,氢的溶解度爆发突然下降。与此同时,氢的扩散速度恰好相反,由奥氏体向铁素体转变时突然增大。 焊接时在高温作用下,将有大宗的氢溶解在熔池中,在随后的冷却和凝固历程中,由于溶解度的急剧降低,氢尽力逸出,但因冷却很快,使氢来缺乏逸出而保保存焊缝金属中形成扩散氢。 4.层状撕裂 是一种内部的低温开裂。仅限于厚板的母材金属或焊缝热影响区,多爆发于“L”、“T”、“+”型接头中。其界说为轧制的厚钢板沿厚度偏向塑性缺乏以蒙受该偏向上的焊接收缩应变而爆发于母材的一种阶梯状冷裂纹。一般是由于厚钢板在轧制历程中,把钢内的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制偏向的带状夹杂物,这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。防治层状撕裂在选材上可以选用精练钢,即选用z向性能高的钢板,也可以改善接头设计形式,制止单侧焊缝、或在蒙受z向应力的一侧开出坡口。 层状撕裂与冷裂差别,它的爆发与钢种强度级别无关,主要与钢中的夹杂量和漫衍形态有关。一般轧制的厚钢板,如低碳钢、低合金高强钢,甚至铝合金的板材中也会泛起层状撕裂。凭据层状撕裂爆发的位置概略可以分为三类: 第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。 第二类是焊接热影响区沿夹杂开裂,是工程上最常见的层状撕裂。 第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂,一般多泛起在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。 层状撕裂的形态与夹杂的种类、形状、漫衍,以及所处的位置有密切关系。当沿轧制偏向上以片状的MnS夹杂为主时,层状撕裂具有清晰的阶梯状,当以硅酸盐夹杂为主时呈直线状,如以Al夹杂为主时呈不规则的阶梯状。 厚板结构焊接时,特别是T型和角接接头,在刚性羁绊的条件下,焊缝收缩时会在母材厚度偏向爆发很大的拉伸应力和应变,当应变凌驾母材金属的塑性变形能力时,夹杂物与金属基体之间就会爆发疏散而爆发微裂,在应力的继续作用下裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展,就形成了所谓“平台”。 影响层状撕裂的因素许多,主要有以下几方面: 非金属夹杂物的种类、数量和漫衍形态是爆发层状撕裂的实质原因,它是造成钢的各向异性、机械性能差别的基础所在。 Z向羁绊应力:厚壁焊接结构在焊接历程中蒙受差别的Z向羁绊应力、焊后的剩余应力及载荷,它们是造成层状撕裂的力学条件。 氢的影响:一般认为,在热影响区四周,由冷裂诱发成为层状撕裂,氢是一个重要的影响因素。 由于层状撕裂的影响很大,危害也甚为严重,因此需要在施工之前,对钢材层状撕裂的敏感性作出判断。 常用的评定要领有Z向拉伸断面收缩率和插销Z向临界应力法。为避免层状撕裂,断面收缩率应不小于15%,一般希望 为15~20%为宜,当25%时,认为抗层状撕裂优异。 避免层状撕裂应主要从以下方面接纳步伐: 第一,精练钢广泛接纳铁水先期脱硫的步伐,并用真空脱气,可以冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢,它的断面收缩率(Z向)可达23~25%。 第二,控制硫化物夹杂的形态是把MnS酿成其他元素的硫化物,使在热轧时难以伸长,从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢,可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。 第三,从避免层状撕裂的角度出发,在设计和施工工艺上主要是制止Z向应力和应力集中,具体步伐按下例参考: 1)应尽量制止单侧焊缝,改用双侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态,为避免应力集中。 2)接纳焊接量少的对称角焊缝取代焊接量大的全焊透焊缝,以免爆发过大的应力。 3)应在蒙受Z向应力的一侧开坡口。 4)关于T型接头,可在横板上预先堆焊一层低强的焊接质料,以避免焊根裂纹,同时亦可缓和焊接应变。 5)为避免由冷裂引起的层状撕裂,应尽量接纳一些避免冷裂的步伐,如减少氢量、适当提高预热、控制层间温度等。