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【技术科普】热裂纹的主要产生原因及预防措施

2020-09-02

裂纹是降低焊接结构使用性能最危险的焊接缺陷之一,焊缝中禁止出现任何形式的裂纹。焊接裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下,使材料的原子结合遭到破坏,形成新界面而产生的缝隙。按照焊接裂纹的产生条件,可以分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹,以下重点介绍最常见的裂纹形式——焊接热裂纹。


一、什么是热裂纹


热裂纹是在高温和熔池凝固过程中产生的裂纹,是焊接过程中最常见的裂纹类型,从低碳钢、低合金高强度钢,到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生焊接热裂纹的可能。热裂纹最常见于焊缝中心,属于结晶裂纹,其形成过程主要与低熔点共晶物和拉应力有关。

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二、影响热裂纹的主要因素


1、焊缝金属的化学成分

焊缝金属中C、S、P、Cu、Zn等低熔点元素及其化合物较多时,会促使形成热裂纹。在焊缝凝固过程期间,这些低熔点物质容易在焊缝中央聚集偏析,当焊缝边缘结晶凝固时,焊缝中心晶粒间杂质仍处于液态膜状态,在焊缝收缩产生的应力作用下产生裂纹。


2、焊缝横截面形状

当焊缝深度比宽度大时,会使凝固颗粒增长垂直于焊接中心,容易产生热裂纹,特别是高熔深的埋弧焊和药芯焊丝气保焊用于厚板窄间隙焊接时更容易发生。建议焊道宽深比(焊缝宽度/焊缝深度)在1~1.4之间有利于提高抗裂性。


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此外,凹形焊缝比凸形焊缝更容易产生裂纹,而高电压、焊接速度过快是凹形焊缝的主要成因,应尽量避免。


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3、焊接应力

焊件刚性大,装配和焊接时产生较大的焊接应力,会促使形成热裂纹。



三、预防热裂纹的主要措施


1、冶金控制方面

⑴控制焊缝中有害杂质含量

严格限制母材和焊接材料中的C、P、S等有害杂质含量。


⑵改善焊缝结晶组织

碳钢和低合金钢主要通过向焊缝添加某些合金元素,如Mo、V、Ti等,以改变结晶组织形态,细化晶粒从而提高抗裂性。不锈钢则通过加入Cr、Mo等铁素体形成元素,使焊缝中形成适量铁素体,以减少P、S等有害元素在晶界上的分布,同时细化晶粒,从而有效防止裂纹产生。


⑶限制稀释率

对于一些易于向焊缝转移某些有害杂质的母材,焊接时必须尽量减少稀释率,如开大坡口、减小熔深、堆焊隔离层等,尤其是中碳钢、高碳钢以及异种金属焊接时。


2、应力控制方面

⑴选择合理的接头形式


⑵确定合理的焊接顺序

总体原则是尽量使大多数焊缝在较小的刚度条件下焊接,避免焊接结构产生较大的拘束应力。


⑶确定合理的焊接参数

焊接工艺参数直接影响焊缝的横断面形状,适当减小电流可以减少焊缝厚度,改善焊缝形状;采用低电压有利于形成凸形焊缝;避免高速焊接可减小稀释率并促进形成凸形焊缝;必要时采取预热可以降低冷却速度并减少应力,也有助于减少热裂纹。


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