焊接裂纹

焊缝中原子结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，是不允许存在的。裂纹是一种面积型缺陷，它的出现将显著减少承载面积，更严重的是裂纹端部形成尖锐缺口，应力高度集中，很容易扩展以致破坏。裂纹的危害极大，尤其是冷裂纹，由于其延迟特性和快速脆断特性，产生的危害往往是灾难性的。实践经验表明，大部分电气设备焊缝的破坏都是由裂纹造成的。
裂纹按其产生的条件及时机不同，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等，因为焊接接头残留有较大的残余应力，因此因焊接残余应力导致的应力腐蚀裂纹有时也归入焊接裂纹。按产生的部位可以分纵向裂纹、横向裂纹、熔合线裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹、热影响区裂纹等。焊接裂纹的宏观形态及其分布。1) 热裂纹。
热裂纹是焊接时高温下产生的，故称热裂纹。热裂纹发生于焊缝金属凝固末期(液态金属一次结晶时)，敏感温度区大致在固相线附近的高温区。它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。不同金属材料产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。根据形成原因，热裂纹主要分为以下三种：
① 结晶裂纹：结晶裂纹是焊缝结晶过程中，在固相线附近由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。多数情况下，在发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色，说明这种裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中(含硫、磷、碳、硅偏高) 和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生。
② 高温液化裂纹：近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉应力作用下沿奥氏体晶界发生开裂。液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。母材和焊丝中的硫、磷、碳、硅偏高时，液化裂纹的倾向显著增高。
③ 多边化裂纹：焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位) 及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷的迁移和聚集便形成了二次边界，即所谓的多边化边界。因边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性很差，只要有轻微的拉应力，就会沿着多边化的边界开裂，即所谓的多边化裂纹。多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区，它属于热裂纹的类型。
（2) 冷裂纹。
冷裂纹是指焊接接头冷却至马氏体转变温度 Mₛ点(200~300℃) 以下产生的裂纹，一般是在焊后一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现，故又称延迟裂纹。冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是焊接后冷至较低温度下产生的。对于低合金高强钢来说，大约在马氏体转变温度 M₃附近，在拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用下产生的。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区。个别情况下，如焊接超高强钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝金属上。根据被焊钢种和结构不同，冷裂纹可分为以下三类：
① 延迟裂纹：这种裂纹是冷裂纹中的一种普通形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定的孕育期，具有延迟现象，故称为延迟裂纹。产生这种裂纹主要决定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。
② 淬硬脆化裂纹(或称为淬火裂纹)：一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下也能导致开裂。焊接含碳较高的 Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢以及异种钢等有可能出现这种裂纹。它完全由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，一般认为与氢的关系不大。这种裂纹没有延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上。一般来讲采用较高的预热温度和使用高韧性焊条，基本上可以防止出现这种裂纹。
③ 低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹。例如，铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金时，就会出现这种裂纹。由于是在较低温度下产生的，所以也是属于冷裂纹的一种形态，但无延迟现象。
（3) 再热裂纹。
再热裂纹是指焊接接头冷却后再加热至一定温度时产生的裂纹。厚板焊接结构并含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为再热裂纹，又称消除应力处理裂纹，简称SR裂纹。
再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约为 550~650℃。这种裂纹也是具有沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。
（4) 层状撕裂。
层状撕裂是在厚大构件中沿钢板的轧制方向分层出现的阶梯状裂纹。产生层状撕裂的主要原因是轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物(特别是硫化物、氧化物夹杂)，在受到焊接时产生的垂直于轧制方向的应力作用时，致使热影响区附近或稍近的地方产生呈“台阶”形的层状撕裂，并沿晶或穿晶扩展。
层状撕裂属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过400℃，但它的特征与冷裂纹截然不同。层状撕裂易发生在壁厚结构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型，甚至会造成灾难性事故。采用具有抗层状撕裂的 Z向钢是避免大型结构出现层状撕裂的普遍做法。
影响产生层状撕裂的因素很多，如钢板的材质、夹杂的分布及类别、焊接接头的含氢量、接头型式和受力状态，以及焊接施工的工艺等都有关系。此外，当焊接接头中存在其他缺陷时，如微裂纹、微气孔、咬边、未焊透等缺口效应都可能在应力作用下发展成为层状撕裂。