焊接“热裂纹”的成因及防止对策

热裂纹是在焊接过程的高温下产生的，又称高温裂纹。热裂纹一般出现在焊缝，有时也出现在热影响区，可产生在材料内部，也可产生在材料表面，是焊接中必须避免的一种缺陷。



热裂纹的微观特征是沿奥氏体晶界开裂。根据裂纹的形态、温度区间和主要成因，热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。



一、合金元素、杂质元素的影响

材料结晶温度区间随着合金元素含量的增加而扩大，同时脆性温度区的范围也增大，因此热裂纹（此处主要指结晶裂纹）的敏感性也是增加的。



裂纹的产生取决于材料本身在凝固过程中的变形能力。焊缝的凝固要经历从液-固态（液相为主）、到固-液态（固相为主）再到完全凝固的转变。



凝固时先结晶的部分较纯，后结晶的部分含杂质和合金元素较多，这种结晶偏析造成焊缝金属化学成分的不均匀性。



在凝固中后期，杂质会被不断排斥到晶界处或焊缝中心处。在已经凝固的晶粒相对较多时，这些残存在在晶界处的低熔相尚未凝固，并呈液膜状态散布在晶粒表面，割断了晶粒的一些联系。在冷却收缩引起的拉应力作用下，液膜承受不了这种拉应力，就在晶粒边界处分离形成了（结晶）裂纹。





其中，C极易发生偏析，和其他元素形成低熔共晶，是加剧热裂纹倾向的主要元素；S、P也极易引起结晶偏析，同时S、P还能形成多种低熔物；Mn具有脱硫作用，能改善硫化物的分布形态，能降低结晶裂纹倾向；Si是铁素体形成元素，少量Si有利于提高抗裂性能，但当Si>0.4%时，会形成硅酸盐夹杂物降低抗裂性能；Ni与Ni3S2共晶熔点仅645℃，会引起热裂纹；而Ti、Zr、RE等稀土元素能形成高熔点的硫化物，对于消除结晶裂纹有利。



二、结晶组织的影响

焊缝一次结晶组织的晶粒度越粗大，结晶方向性越强，越容易促进杂质偏析，在结晶后容易形成连续的液态共晶膜，增加热裂纹的倾向。在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、RE等，一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少杂质集中；另一方面可以打乱柱状晶的结晶方向，破坏液态膜的连续性，从而提高抗裂性能。

如果一次结晶组织是与结晶主轴方向大体一致的单相奥氏体γ，结晶裂纹倾向就很大。如果一次结晶组织为铁素体δ，或γ+δ同时存在的双相组织，结晶裂纹倾向就能减小。



三、力学因素

在脆性温度区材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一，如无拉伸应力引起的应变并达到一定应变量，也不会产生裂纹。这些应力主要是由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起的，如热应力、组织应力和拘束应力等。



四、热裂纹的防止措施

上面讨论了热裂纹成因，那么其防止措施也是显而易见的，主要包括：

1）、控制C、S、P等有害杂质元素；通过焊材过渡Mn、Ti、Zr等元素，克服S的不良作用。

2）、重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂，因为它们具有较强的脱硫能力。

3）、在焊缝金属或母材（选材）中加入细化晶粒的元素，可以提高抗裂性，也可以提高抗腐蚀性。

4）、控制焊缝形状

表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性好，而熔深较大的对接焊缝和角焊缝抗裂性较差，因为后面两者焊缝的收缩应力基本垂直于杂质聚集的结晶界面，热裂纹倾向较大。

5）、冷却速度过快会使焊缝金属的应变速率增大（材料塑性变形跟不上），容易产生裂纹，为此应采用缓冷措施，而预热能减慢冷却速度。另外，不可通过提高焊接热输入来达到缓冷，因为焊接热输入过大会促使晶粒长大，增加偏析倾向，适得其反。

6）、降低接头的刚度和拘束度，具体措施有设计上减小结构厚度，合理布置焊缝，合理安排装配、焊接顺序等。

7）、对于厚板焊接，可采用多层焊，裂纹倾向比单层焊有所缓和，但应注意控制各层的熔深。另外，避免焊接接头处的应力集中（如错边、咬肉、未焊透等缺欠引起的应力集中），也是降低裂纹倾向的有效办法。

热裂纹是焊接过程中出现的一种缺陷，产生的原因包括合金元素和杂质元素含量增多导致结晶温度区间扩大、凝固过程中杂质偏析、晶粒度粗大、结晶方向性强以及焊接引起的内部拉应力等。防止热裂纹的措施主要有控制有害元素、使用碱性焊条或焊剂、添加细化晶粒元素、控制焊缝形状、采用缓冷措施如预热、降低焊接结构的刚度和拘束度、采用多层焊接等。同时也要注意避免焊接接头处应力集中，减少裂纹产生的可能。
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