談談焊接裂紋的產生原因和防止措施3 S4 l0 A& Q* x9 i. ?1 F
焊接是現代工業生產中最重要的加工工藝之一，它已廣泛應用于制造和修理各種結構和設備。焊接作為一種降低成本、提高生產效率的有效新手段，用它不僅可以得到優質、可靠的工件，而且可以創制出原則上完全新穎的產品。大如航空航天和核動力裝置，小至微電子以及超精器件，如果沒有焊接技術，很難想像將會遇到多少困難，甚至無法制造出來。因此完全可以說，沒有焊接就沒有今天這樣的現代工業，焊接為今天這樣的現代文明起到了它應有的作用。+ C& w0 {- N+ O" |: v
隨著現代工業的發展，在焊接結構方面都趨向大型化，大容量和高參數的方向發展。有的還在低溫、深冷、腐蝕介質等環境下工作。因此各種低合金高強鋼，中、高合金鋼，超高強鋼，以及各種合金材料應用的日益廣泛。但是隨著這些鋼種和合金材料的應用，在焊接生產上帶來了許多新的問題，其中較為普遍而又十分嚴重的就是焊接裂紋。
1 ^% j4 W2 e9 M* K& ]焊接裂紋不僅給生產帶來了許多困難，而且可能帶來災難性的事故。據統計絕大多數是由裂紋而引起的脆性破壞。因此，裂紋是引起焊接結構發生破壞事故的主要原因。焊接結構中裂紋問題危害甚大，已成為世界各國所關注的課題# `$ S) Q3 P- b' a# q: Y
常見的焊接裂紋根據生成時的溫度，可分成熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋等幾類。焊接結構中，焊接裂紋以冷裂紋最為常見，其次為熱裂紋，本次論文將以這二者為重點，簡單說明一下冷裂紋和熱裂紋。* n1 n; z8 a% i/ Q
一、 首先我們來談一談焊接冷裂紋。
0 I. o5 u* H& i( C: V3 T5 k 焊接冷裂紋指焊接接頭冷卻到較低較低溫度時所產生的裂紋。冷裂紋包括：延遲裂紋、淬硬裂紋、低塑性脆化裂紋等，正常所說的冷裂紋指的是延遲裂紋。
" \9 q m' T2 ?6 I6 C 一般情況下，焊接低中合金高強鋼，高中碳鋼等易淬火鋼時容易產生冷裂紋。- X R- P' Y2 I! c7 x o& r
1冷裂紋產生的原因1 u$ o2 |$ C; P( T' y7 d/ @. n
大量的生產實踐和理論研究證明，鋼種的淬硬傾向、焊接接頭、含氫量及其分布，以及焊接接頭所承受的應力狀態是產生焊接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。* L& V. d9 F8 ~4 D3 l
（1）含氫量的影響6 M \ }/ F% }" @5 v$ ~7 y
鋼中含氫時，塑性降低脆性增加，當鋼中含氫量越多時，塑性降低脆性增加，在電弧作用下，水分解為氫原子進入熔池，隨著金屬的冷卻，氫的溶解量下降，氫逐漸析出，殘存在固態金屬中，形成氫分子，造成很大的內應力，容易產生裂紋。
1 {9 w6 F9 U; H( E, A' o根據融合區氫濃度的聚集，預熱對冷裂紋敏感性有較大的影響，在不預熱的情況下熔合區的氫濃度在焊后4天達到最高值。而采用預熱后的氫的集聚時間和最高濃度值得到大幅度降低，有利于防治冷裂紋。類似的焊后緊急加熱可加速H的擴散，也是防治冷裂紋的有效措施之一。
4 |& J3 {5 `* G4 _1 o, d/ x（2）淬硬作用# F( f5 `# p5 A/ @4 t5 w" `% S4 l2 O
焊接裂紋傾向隨著淬硬傾向的增加而增加，其原因是淬硬鋼焊接接頭的淬火區組織脆硬塑性低劣，這樣的地區難承受焊接應力應變，易于導致耗能極少的脆性斷裂，從而使裂紋易于生成和擴張。
4 I7 `4 c f: \. A 對組織情況以及裂紋傾向的評估可借助該鋼種的SH-CCT（溫度、時間和裂紋分布）圖，SH-CCT圖不僅可用于預測給定鋼種在某種規范或工藝條件下焊接是否出現冷裂紋，生產上另一重要用途是用來焊前制定該鋼種不生成冷裂紋的焊接工藝。如必須采用長段多層焊接淬硬傾向較大的鋼種時，經常采用諸如焊前預熱、層間溫度控制、焊后緩冷、后熱等其他措施與之配合。
6 F( Q: x& i9 Q% B8 o （3）拘束應力+ L! c& F9 s/ {
構件焊接時，由于焊接區變形，受到周圍金屬的拘束而產生應力，稱此應力為拘束應力，分為內應力和外應力。內應力包括熱應力和相變應力，外應力包括剛度，拘束程度、接頭形式和坡口形式。
- ?9 l7 x- j) [6 M1 C! p 拘束應力- F! [5 h! W) _& M* j) K1 i5 k. W
бw = mR
7 h |1 P0 x" x& l5 T# jбw——拘束應力
* N5 j! Z7 Y8 A3 S( fm——比例系數。與金屬的熱物理性質如膨脹系數、熔點比熱容，以及接頭形式、坡口的角度等因素有關。
6 F2 |+ k$ y3 Q9 c# DR——拘束度, \* d( ^7 v8 W: \% t
2冷裂紋的防止措施
, X, i8 O& a& S `" _3 L3 i 防止冷裂紋生成原則上不外乎減少接頭的淬硬、含氫量和拘束，其防治措施也應建基于此。
9 Z o: ~# Y6 c, z* H, {2 q（1）母材和焊接材料的選擇
! H6 n& E" d- G! l$ I |" I5 n2 g2 w; c1 ua母材應降低其淬硬性，所以來講，母材應含C量低，雜質小。
$ D1 }8 N- j3 w$ U* ab焊接生產中，母材多半以給定，因而對焊材選用更加實際。
9 t: C8 B; e1 g) o% ]首先應使焊材的含H量低，例如使用低氫型或超低氫型，焊前必須烘干，去除油銹。對于敏感于冷裂的接頭，焊接時盡量降低焊縫金屬的強度。例如在修復高強度構件的少量缺陷時。采用J427焊條（E4315）常較采用強度級別更高的J507（E5015）、J557（E5515）焊條等效果優越。厚板焊接時，在最易啟裂根部焊道采用低匹配，按等強原則選擇焊接材料，是防止冷裂且能保證接頭強度的可取工藝。采用A焊材，焊接高淬硬性鋼材是防治冷裂紋的有效措施，在修復中高碳鋼或合金鋼構件時應用尤多。. U. _# O7 n5 L' m! ?0 Z) _
（2）工藝措施, E* d' b- K! ^
從防治冷裂紋觀點，焊接熱循環首先應謀求緩冷，如采用小的線能量+To（預熱），預熱固然可以有效的防治冷裂紋，但增加了構件制作工序，同時惡化的勞動條件，因此在生產中應盡量降低預熱溫度。由于冷裂紋經常具有延遲性。其另一有效防治措施是焊后緊急后熱，同樣焊后保溫也有助于防治冷裂紋的產生。
0 ~, ]! a+ d0 d" K" n（3）結構設計* Q4 I* N6 r( N) Q! e' O
制定工藝，必須盡量降低焊接應力，避免應力集中。例如應當合理安排裝配焊接順序，使接頭在最小的拘束條件下施焊，必要時可以采取分區對稱、分段、反向等焊法，以降低焊接應力。同樣從焊接角度來看，焊接線能量不宜選擇過大，焊接熱量更不應長時間集中于局部地區。 |
發表于 2009-3-13 09:21:21
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