焊接裂紋,就其本質而言,可分為熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、分層撕裂裂紋等。下面詳細介紹了各種裂縫的原因,特征和預防和控制。
1.熱裂紋
它是在焊接過程中在高溫下産生的,是以稱為熱裂紋,其特征是沿着原始奧斯威辛晶體邊界開裂。根據被焊接金屬的材料(低合金高強度鋼,不鏽鋼,鑄鐵,鋁合金和一些特種金屬等),熱裂紋的形式,溫度範圍和主要原因各不相同。目前,熱裂紋分為晶體裂紋、液化裂紋和多邊裂紋。

(1)結晶裂紋主要産生于雜質較多的碳鋼、低合金鋼焊縫(包括S、P、C、Si高)和單相澳大矽鋼、鎳基合金及部分鋁合金焊縫。這種裂紋是在焊接結晶過程中,在固相線附近,由于凝固金屬的收縮,殘留的液态金屬不足,不能及時填充,在應力下沿着晶體開裂。
防控措施有:在冶金因素上,适當調整金屬成分,縮短脆性溫度區範圍,控制焊接中硫、磷、碳等有害雜質的含量;
(2)近縫液化裂紋是一種沿澳大利斯晶體邊界開裂的微裂紋,其尺寸很小,發生在HAZ近接縫區或層之間。其原因一般是由于焊接近接縫區域金屬或焊縫層金屬,在高溫下使奧斯威辛集中營的這些區域的低熔點餘晶組成被重新熔化,在拉應力的作用下沿澳大拉索晶體裂紋形成液化裂紋。
這種裂紋的防控與結晶裂紋基本一緻。特别是在冶金中,盡可能降低硫、磷、矽、硼等低熔點餘晶元素的含量是非常有效的,在加工過程中,降低熔池熔融線的線能量和凹度。
(3)多邊化裂紋是由形成多邊化過程中高溫下可塑性低引起的。這種裂紋并不常見,其防控措施可以添加到焊縫中,以改善Mo,W,Ti等多邊集約化能元素。
2. 再熱裂紋
通常發生在某些含有沉澱增強元素的鋼和高溫合金中(包括低合金高強度鋼、珠光耐熱鋼、降水增強高溫合金和一些奧斯威辛不鏽鋼),它們在焊接時沒有發現裂紋,但在熱處理過程中會産生裂紋。再熱裂紋在焊接熱影響區域産生過熱的粗晶體,其方向是沿熔融線的澳大拉粗糙晶體邊界的膨脹。
防控再熱裂紋從選材上,可選擇細晶粒鋼。在工藝方面,選擇較小的線路能量,選擇較高的預熱溫度,并采用後期的熱措施,并選擇低比對的焊接材料以避免應力集中。
3. 冷裂紋
主要發生在高、中碳鋼、低、中合金鋼焊接熱影響區,但有些金屬,如一些超高強度鋼、钛和钛合金,有時在焊縫中也會出現冷裂紋。一般來說,鋼種的硬化傾向、焊接接頭的氫含量和分布以及接頭的結合應力狀态是焊接高強度鋼時産生冷裂紋的三個主要因素。焊接後形成的馬氏組織,在氫元素的作用下,與張力結合拉應力,形成冷裂紋。他的形成通常是晶體穿孔或沿着晶體。冷裂紋一般分為焊接腳趾裂紋、焊縫下裂紋、根裂紋。
冷裂紋的預防和控制可以從工件的化學成分、焊接材料的選擇和工藝措施開始。應盡可能選擇低碳當量材料,焊接材料應采用低氫焊條,焊接應用低強度比對,對于冷裂傾向較高的材料,也可選擇奧斯威辛集中營焊接材料,合理控制線路能量,預熱和後熱處理是防控冷裂過程的措施。
在焊接生産中,由于使用不同類型的鋼材,焊接材料,結構類型,鋼材程度,以及施工的具體條件,可能會出現各種形式的冷裂紋。然而,生産中的主要問題是延遲裂紋。
延遲裂縫有三種形式:
(1)焊接腳趾裂紋——這種裂紋起源于母材與焊縫的交界處,有明顯的應力集中。裂紋的方向往往平行于焊縫,通常從焊趾表面開始延伸到母材的深度。
(2)焊縫下方出現裂紋——這種裂紋常發生在焊接熱影響區域,硬化傾向高,含氫量高。一般來說,裂紋方向與保險絲線平行。
(3)根裂紋——這種裂紋是延遲裂紋中比較常見的形式,主要是在氫含量高、預熱溫度不足的情況下。該裂紋類似于焊趾裂紋,起源于焊縫根部應力集中最大的區域。根裂紋可能發生在熱影響區域的厚晶片或焊接金屬中。
鋼種的硬化傾向、焊接接頭的含氫量和分布以及接頭的結合應力狀态是焊接高強度鋼時産生冷裂紋的三個主要因素。這三個因素在一定條件下是互相關聯和相輔相成的。
鋼的硬化傾向主要由化學成分、厚度、焊接工藝和冷卻條件決定。焊接時,鋼種的硬化傾向越大,産生裂紋的可能性就越大。為什麼鋼在硬化時會開裂?可以歸納為以下兩個方面。
a:脆硬的Martite組織的形成——Martite是碳在鐵中的過飽和固溶體,碳原子在晶格中具有間隙原子,使鐵原子偏離平衡位置,晶格有很大的變形,導緻組織處于硬化狀态。特别是在焊接條件下,近接縫區域的加熱溫度非常高,使南方谷物生長嚴重,當快速冷卻時,大型南方人将變成大貂。從金屬強度理論可以看出,馬氏體是一種脆性和堅硬的組織,當發生斷裂時消耗的能量較少,是以當焊接接頭存在時,裂紋很容易形成和膨脹。
b:硬化會産生更多的晶格缺陷 - 金屬在熱不平衡下形成大量的晶格缺陷。這些晶格缺陷主要是空位和不對中。随着焊接熱影響區熱響應變量的增加,在應力和熱不平衡的條件下,空間和位錯都會移動和積累,當它們的濃度達到一定的臨界值時,就會形成裂紋源。在應力的不斷作用下,它将繼續膨脹并形成宏觀裂縫。
氫氣是高強度鋼焊接中引起冷裂紋的重要因素之一,它具有延時特性,是以氫氣引起的延時裂紋在許多文獻中被稱為"氫裂紋"。實驗研究表明,高強度鋼焊接接頭的氫含量越高,裂紋的敏感性越大,當部門中的氫含量達到一定門檻值時,裂紋開始出現,這稱為裂紋的臨界氫含量。
各種鋼的冷裂解值不同,與鋼的化學成分,鋼度,預熱溫度和冷卻條件有關。
1:焊接時,焊接材料中的水分,焊料坡口處的鏽蝕,油污和環境濕度都是焊縫中富氫的原因。一般來說,主要材料和焊絲中的氫氣量非常少,但焊錫條皮空氣中的水分和水分不容忽視,并成為氫化的主要來源。
2:氫在不同金屬組織中溶解和擴散的能力不同,氫在Austrac中的溶解程度比在鐵氧體中溶解更多。結果,當焊接過程中主體從奧氏體變為鐵素體時,氫的溶解度突然下降。同時,氫以相反的速率擴散,當它從奧氏體過渡到鐵素體時突然增加。
焊接在高溫的作用下,會有大量的氫氣溶解在熔池中,在随後的冷卻和凝固過程中,由于溶解度的急劇降低,氫氣劇烈地逸出,但由于冷卻速度快,使氫氣無法逸出并保留在焊縫金屬中形成擴散氫氣。
4. 層撕裂
是一種内部低溫開裂。厚闆的母材或焊縫熱影響區域僅限于厚闆,并且主要發生在"L","T"和"plus"連接配接器中。它被定義為母材中的階梯狀冷裂紋,其中厚闆的可塑性不足以承受該方向上的焊接收縮應變。一般由于鋼闆在軋制過程中較厚,鋼闆中的一些非金屬夾雜物平行于軋制方向的帶狀夾雜物,這些夾雜物在力學上引起鋼闆的各種引導。防止和控制層撕裂的材料可以選擇精制鋼,即選擇z-到高性能鋼闆,也可以改善接頭設計形式,避免單面焊接,或承受z-to-應力側的開口坡口。
層撕裂不同于冷裂紋,其生産與鋼種的強度水準無關,主要與鋼中的夾雜量和分布模式有關。一般軋制厚鋼闆,如低碳鋼、低合金高強度鋼,甚至鋁合金闆也會出現分層撕裂。根據分層撕裂的位置,有三大類:
第一種類型是由焊接腳趾或焊接根部的冷裂紋引起的分層撕裂,在焊接熱影響區域。
第二種是焊接熱影響區域沿間隙開裂,是工程中最常見的層撕裂。
第三類遠離熱影響區域的主要材料沿夾芯開裂,一般表現為MnS較為酥狀的夾層厚闆結構。
分層撕裂的形式與夾雜物的類型、形狀、分布和位置密切相關。當片狀的MnS夾雜物主要在滾動方向上時,分層撕裂具有清晰的階梯狀形狀,而當矽酸鹽夾雜物為主線時,如Al混合是主要的不規則階梯狀。
當厚闆結構焊接時,特别是T型和角型接頭,在剛性限制的條件下,焊縫在主材料厚度方向上收縮會産生很大的拉伸應力和應變,當應變超過主要金屬的塑性變形能力時,夾層和金屬基體會被分離和微開裂, 在應力的持續作用下,裂紋尖端将沿着夾雜物所在的平面膨脹,形成所謂的"平台"。
影響層撕裂的因素有很多,主要表現在以下幾個方面:
1:非金屬夾雜物的類型、數量和分布格局是形成層狀撕裂的根本原因,是鋼的各向異性和力學性能的根本原因。
2:Z結合應力 厚壁焊接結構在焊接後受到不同的Z結合應力、殘餘應力和載荷,這是導緻分層撕裂的力學。
3:氫氣的影響一般被認為是熱影響區域附近的一個重要因素,由冷裂紋誘導成層狀撕裂。
由于鋼層撕裂的影響,危害也非常嚴重,是以在施工前有必要判斷鋼層撕裂的敏感性。
常見的評估方法包括 Z 拉伸截面收縮率和銷 Z 臨界應力。為了防止層撕裂,斷面收縮率不宜低于15%,一般希望15~20%為宜,當25%時,則認為抗層撕裂優良。
防止分層撕裂的措施應主要在以下方面:
首先,精煉鋼廣泛采用鐵水預脫硫法,并進行真空脫氣,可聞到硫含量僅為0.003~0.005%的超低硫鋼,其截面收縮率(Z方向)可達23~25%。
其次,控制硫化物夾雜物的形式是将MnS轉化為其他元素的硫化物,使其在熱軋過程中難以伸長,進而降低各向異性。使用最廣泛的添加元素是鈣和稀土。經過上述鋼材處理後,可産生Z截面收縮率高達50~70%的防層撕裂鋼闆。
第三,從防止層撕裂的角度來看,在設計和施工過程中主要是避免Z向應力和應力集中,具體措施舉例說明:
(1)應盡量避免單面焊縫,采用雙面焊縫可以緩解焊縫根部區域的應力狀态,以防止應力集中。
(2)采用對稱角度焊縫用少量焊接代替焊接大量全焊縫,以免産生過大的應力。
(3)斜面應在Z方向應力作用下的一側打開。
(4)對于T型接頭,可以在橫闆上預焊接一層低強度焊接材料,以防止焊接根部出現裂縫,同時也減輕了焊接應變。
(5)為了防止冷裂紋引起的分層撕裂,應盡可能采取一些防止冷裂紋的措施,如減少氫氣量,适當提高預熱,控制層間溫度等。