焊接裂紋就其本質來分,可分為熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂等。下面僅就各種裂紋的成因、特點和防治辦法進行具體的闡述。
1.熱裂紋
熱裂紋是在焊接時高溫下產生的,故稱熱裂紋,它的特征是沿原奧氏體晶界開裂。根據所焊金屬的材料不同(低合金高強鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金和某些特種金屬等),產生熱裂紋的形態、溫度區間和主要原因也各不相同。目前,把熱裂紋分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊裂紋等三大類。
1)結晶裂紋主要產生在含雜質較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中(含S,P,C,Si偏高)和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁合金焊縫中。這種裂紋是在焊縫結晶過程中,在固相線附近,由于凝固金屬的收縮,殘余液體金屬不足,不能及時添充,在應力作用下發生沿晶開裂。
防治措施為:在冶金因素方面,適當調整焊逢金屬成分,縮短脆性溫度區的范圍控制焊逢中硫、磷、碳等有害雜質的含量;細化焊縫金屬一次晶粒,即適當加入Mo、V、Ti、Nb等元素;在工藝方面,可以通過焊前預熱、控制線能量、減小接頭拘束度等方面來防治。
2)近縫區液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋,它的尺寸很小,發生于HAZ近縫區或層間。它的成因一般是由于焊接時近縫區金屬或焊縫層間金屬,在高溫下使這些區域的奧氏體晶界上的低熔共晶組成物被重新熔化,在拉應力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。
這一種裂紋的防治措施與結晶裂紋基本上是一致的。特別是在冶金方面,盡可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶組成元素的含量是十分有效的;在工藝方面,可以減小線能量,減小熔池熔合線的凹度。
3)多邊化裂紋是在形成多邊化的過程中,由于高溫時的塑性很低造成的。這種裂紋并不常見,其防治措施可以向焊縫中加入提高多邊化激化能的元素如Mo、W、Ti等。
2.再熱裂紋
通常發生于某些含有沉淀強化元素的鋼種和高溫合金(包括低合金高強鋼、珠光體耐熱鋼、沉淀強化高溫合金,以及某些奧氏體不銹鋼),他們焊后并未發現裂紋,而是在熱處理過程中產生了裂紋。再熱裂紋產生在焊接熱影響區的過熱粗晶部位,其走向是沿熔合線的奧氏體粗晶晶界擴展。
防治再熱裂紋從選材方面,可以選用細晶粒鋼。在工藝方面,選用較小的線能量,選用較高的預熱溫度并配合以后熱措施,選用低匹配的焊接材料,避免應力集中。
3.冷裂紋
冷裂紋主要發生在高、中碳鋼、低、中合金鋼的焊接熱影響區,但有些金屬,如某些超高強鋼、鈦及鈦合金等有時冷裂紋也發生在焊縫中。一般情況下,鋼種的淬硬傾向、焊接接頭含氫量及分布,以及接頭所承受的拘束應力狀態是高強鋼焊接時產生冷裂紋的三大主要因素。焊后形成的馬氏體組織在氫元素的作用下,配合以拉應力,便形成了冷裂紋。它的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂紋一般分為焊趾裂紋、焊道下裂紋、根部裂紋。
防治冷裂紋可以從工件的化學成分、焊接材料的選擇和工藝措施三方面入手。應盡量選用碳當量較低的材料;焊材應選用低氫焊條,焊縫應用低強度匹配,對于高冷裂傾向的材料也可選用奧氏體焊材;合理控制線能量、預熱和后熱處理是防治冷裂的工藝措施。
在焊接生產中由于采用的鋼種、焊接材料不同,結構的類型、鋼度,以及施工的具體條件不同,可能出現各種形態的冷裂紋。然而在生產上經常遇到的主要是延遲裂紋。
延遲裂紋有以下三種形式:
1)焊趾裂紋——這種裂紋起源于母材與焊縫交界處,并有明顯應力集中部位。裂紋的走向經常與焊道平行,一般由焊趾表面開始向母材的深處擴展。
2)焊道下裂紋——這種裂紋經常發生在淬硬傾向較大、含氫量較高的焊接熱影響區。一般情況下裂紋走向與熔合線平行。
3)根部裂紋——這種裂紋是延遲裂紋中比較常見的一種形態,主要發生在含氫量較高、預熱溫度不足的情況下。這種裂紋與焊趾裂紋相似,起源于焊縫根部應力集中最大的部位。根部裂紋可能出現在熱影響區的粗晶段,也可能出現在焊縫金屬中。
鋼種的淬硬傾向、焊接接頭含氫量及其分布,以及接頭所承受的拘束應力狀態是高強鋼焊接時產生冷裂紋的三大主要因素。這三個因素在一定條件下是相互聯系和相互促進的。
鋼種的淬硬傾向主要決定于化學成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。焊接時,鋼種的淬硬傾向越大,越易產生裂紋。為什么鋼淬硬之后會引起開裂呢?可歸納為以下兩方面。
a:形成脆硬的馬氏體組織——馬氏體是碳在ɑ鐵中的過飽和固溶體,碳原子以間隙原子存在于晶格之中,使鐵原子偏離平衡位置,晶格發生較大的畸變,致使組織處于硬化狀態。特別是在焊接條件下,近縫區的加熱溫度很高,使奧氏體晶粒發生嚴重長大,當快速冷卻時,粗大的奧氏體將轉變為粗大的馬氏體。從金屬的強度理論可以知道,馬氏體是一種脆硬的組織,發生斷裂時將消耗較低的能量,因此,焊接接頭有馬氏體存在時,裂紋易于形成和擴展。
b:淬硬會形成更多的晶格缺陷——金屬在熱力不平衡的條件下會形成大量的晶格缺陷。這些晶格缺陷主要是空位和位錯。隨焊接熱影響區的熱應變量增加,在應力和熱力不平衡的條件下,空位和位錯都會發生移動和聚集,當它們的濃度達到一定的臨界值后,就會形成裂紋源。在應力的繼續作用下,就會不斷地發生擴展而形成宏觀的裂紋。
氫是引起高強鋼焊接冷裂紋重要因素之一,并且有延遲的特征,因此,在許多文獻上把氫引起的延遲裂紋稱為“氫致裂紋”。試驗研究證明,高強鋼焊接接頭的含氫量越高,則裂紋的敏感性越大,當局部地區的含氫量達到某一臨界值時,便開始出現裂紋,此值稱為產生裂紋的臨界含氫量[H]cr。
各種鋼產生冷裂的[H]cr值是不同的,它與鋼的化學成分、鋼度、預熱溫度,以及冷卻條件等有關。
1：焊接時,焊接材料中的水分、焊件坡口處的鐵銹、油污,以及環境濕度等都是焊縫中富氫的原因。一般情況下母材和焊絲中的氫量很少,而焊條藥皮的水分和空氣中的濕氣卻不能忽視,成為增氫的主要來源。
2：氫在不同金屬組織中的溶解和擴散能力是不同的,氫在奧氏體中的溶解度遠比鐵素體中的溶解度大。因此,在焊接時由奧氏體向鐵素體轉變時,氫的溶解度發生突然下降。與此同時,氫的擴散速度恰好相反,由奧氏體向鐵素體轉變時突然增大。
焊接時在高溫作用下,將有大量的氫溶解在熔池中,在隨后的冷卻和凝固過程中,由于溶解度的急劇降低,氫極力逸出,但因冷卻很快,使氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中形成擴散氫。
4.層狀撕裂
層狀撕裂是一種內部的低溫開裂。僅限于厚板的母材金屬或焊縫熱影響區,多發生于“L”、“T”、“+”型接頭中。其定義為軋制的厚鋼板沿厚度方向塑性不足以承受該方向上的焊接收縮應變而發生于母材的一種階梯狀冷裂紋。一般是由于厚鋼板在軋制過程中,把鋼內的一些非金屬夾雜物軋成平行于軋制方向的帶狀夾雜物,這些夾雜物引起了鋼板在力學性能上的各向導性。防治層狀撕裂在選材上可以選用精練鋼,即選用z向性能高的鋼板,也可以改善接頭設計形式,避免單側焊縫、或在承受z向應力的一側開出坡口。
層狀撕裂與冷裂不同,它的產生與鋼種強度級別無關,主要與鋼中的夾雜量和分布形態有關。一般軋制的厚鋼板,如低碳鋼、低合金高強鋼,甚至鋁合金的板材中也會出現層狀撕裂。根據層狀撕裂產生的位置大體可以分為三類:
第一類是在焊接熱影響區焊趾或焊根冷裂紋誘發而形成的層狀撕裂。
第二類是焊接熱影響區沿夾雜開裂,是工程上最常見的層狀撕裂。
第三類遠離熱影響區母材中沿夾雜開裂,一般多出現在有較多MnS的片狀夾雜的厚板結構中。
層狀撕裂的形態與夾雜的種類、形狀、分布,以及所處的位置有密切關系。當沿軋制方向上以片狀的MnS夾雜為主時,層狀撕裂具有清晰的階梯狀,當以硅酸鹽夾雜為主時呈直線狀,如以Al 夾雜為主時呈不規則的階梯狀。
厚板結構焊接時,特別是T型和角接接頭,在剛性拘束的條件下,焊縫收縮時會在母材厚度方向產生很大的拉伸應力和應變,當應變超過母材金屬的塑性變形能力時,夾雜物與金屬基體之間就會發生分離而產生微裂,在應力的繼續作用下裂紋尖端沿著夾雜所在平面進行擴展,就形成了所謂“平臺”。
影響層狀撕裂的因素很多,主要有以下幾方面:
（1）非金屬夾雜物的種類、數量和分布形態是產生層狀撕裂的本質原因,它是造成鋼的各向異性、機械性能差異的根本所在。
（2）Z向拘束應力 厚壁焊接結構在焊接過程中承受不同的Z向拘束應力、焊后的殘余應力及載荷,它們是造成層狀撕裂的力學條件。
（3）氫的影響 一般認為,在熱影響區附近,由冷裂誘發成為層狀撕裂,氫是一個重要的影響因素。
由于層狀撕裂的影響很大,危害也甚為嚴重,因此需要在施工之前,對鋼材層狀撕裂的敏感性作出判斷。
常用的評定方法有Z向拉伸斷面收縮率和插銷Z向臨界應力法。為防止層狀撕裂,斷面收縮率 應不小于15%,一般希望 =15~20%為宜,當25%時,認為抗層狀撕裂優異。
防止層狀撕裂應主要從以下方面采取措施:
第一,精練鋼 廣泛采用鐵水先期脫硫的辦法,并用真空脫氣,可以冶煉出含硫只有0.003~0.005%的超低硫鋼,它的斷面收縮率(Z向)可達23~25%。
第二,控制硫化物夾雜的形態 是把MnS變成其他元素的硫化物,使在熱軋時難以伸長,從而減輕各向異性。目前廣泛使用的添加元素是鈣和稀土元素。經過上述處理的鋼,可制造出Z向斷面收縮率達50~70%的抗層狀撕裂鋼板。
第三,從防止層狀撕裂的角度出發,在設計和施工工藝上主要是避免Z向應力和應力集中,具體措施按下例參考:
1)應盡量避免單側焊縫,改用雙側焊縫可緩和焊縫根部區的應力狀態,為防止應力集中。
2)采用焊接量少的對稱角焊縫代替焊接量大的全焊透焊縫,以免產生過大的應力。
3)應在承受Z向應力的一側開坡口。
4)對于T型接頭,可在橫板上預先堆焊一層低強的焊接材料,以防止焊根裂紋,同時亦可緩和焊接應變。
5)為防止由冷裂引起的層狀撕裂,應盡量采用一些防止冷裂的措施,如減少氫量、適當提高預熱、控制層間溫度等。