关于焊接裂纹

作者: panxinzjg 分类: 焊接,生涯 发布时间: 2018-10-11 15:29

焊缝内部或者在焊接热影响区经常会出现一些问题造成焊缝不连续,比如说气孔,夹渣,以及裂纹。在这其中,裂纹应当是最令人讨厌的一种缺陷。相对而言,焊缝对气孔或者夹渣是有一定容忍度的,但裂纹是坚决不允许存在的。对于在焊缝或者近缝区出现的裂纹一定要仔细分析并找出原因,同时采取必要的措施来弥补。

就本文而言,“裂纹”将与焊接失效区分开来。由于过载,设计不合理,或者疲劳,焊缝可能会失效。这里讨论的裂纹是由于凝固,冷却以及由于焊接收缩而产生的应力的结果。焊接开裂发生在制造时间附近。热裂纹是在高温下发生的,通常与凝固有关。冷裂纹是那些发生在焊接金属冷却到室温之后,并且可能与氢有关。以上都与服役载荷没有关系。

大多数形式的裂纹都是由于焊接金属冷却时产生的收缩应变造成的。如果收缩受到限制,则应变会导致残余应力,从而导致开裂。焊缝中存在两个相反的力量:一个是由金属的收缩引起的应力,另一个是母材周围的刚性。收缩应力随着金属收缩量的增加而增加,较大的焊缝尺寸和较深的焊缝熔深会增加收缩应变;较高强度的填充金属和母材带来较大应变,其引起的应力也将增加;屈服强度的提高,残余应力也将更高。

在拘束较高的情况下,必须采取额外的预防措施来克服下文所述的开裂倾向。高度关注焊接顺序,预热和层间温度,焊后热处理,接头设计,焊接程序和填充材料。在制造高拘束度的构件时,使用敲击作为焊接过程中的应力消除处理是比较有效的。

中心开裂

中心开裂是指焊缝中心处的开裂分离。对于单道焊接而言,中心裂纹就位于焊缝中心;对于多道焊,中心裂纹虽然常出现于焊道中心,但也可能不在焊缝几何尺寸的中心处(如图1)。

中心裂纹

图1  中心裂纹

中心开裂主要有以下三大原因:中心偏析,焊道形状,以及表面轮廓。这三种现象都以相同类型的裂缝形式表现出来,往往很难找出原因。而且,经验表明,经常会有两种甚至全部三种现象相互作用,并导致开裂问题。了解这些类型中心裂缝的开裂机制将有助于确定解决方案。

中心偏析诱导开裂:焊接过程中,混合物中的低熔点组分例如磷,锌,铜以及硫化物在凝固时发生分离,引起中心偏析而导致开裂。由于低熔点组份熔点低,在凝固过程中最后凝固,焊缝冷却后它们将被迫聚集到接头的中心,这些物质结合能力差,会随着焊缝金属凝固收缩而分离,从而在焊缝中心引起开裂,形成中心裂纹。

当中心裂纹是由中心偏析引起时,可以实施以下解决方案。如果是由于母材杂质含量高,那么首先要考虑的是限制杂质从母材进入焊缝。这可以通过降低熔深来降低熔合比,从而降低母材进入焊缝的比例。在某些情况下,可能需要对焊接接头形式进行重新设计。最简单的就是采用低焊接热输入来完成。

通过在焊缝与母材之间设置隔离层(过渡层)(图2)也可以有效地减少母材中杂质进入焊缝的量,同样的,隔离层(过渡层)的焊接也应当使用低热输入焊接,比如焊条手工焊。

图2  隔离(过渡)层

硫是引起中心偏析的重要元素之一,当硫以硫化亚铁(FeS)的形式存在时危害最大,其与液态铁可以无限互溶,但在室温下溶解度极低,极易引起偏析。在硫引起中心裂纹的情况下,可以通过优先形成硫化锰(MnS)来克服FeS的有害影响。当有足够的锰存在时,硫会先和锰反应生成MnS。MnS大部分进入熔渣,少量残留在焊缝中形成MnS夹杂物,由于熔点较高(1610℃),MnS夹杂物以点状弥散分布,危害较小。钢铁生产商在炼钢时利用这一原理来脱硫。在焊接时,可以使用锰含量较高的焊接材料来克服低熔点FeS的形成。不过,这个方法不能应用于硫以外的杂质。

焊道形状诱导开裂:图3简单描述了焊道形状的截面图,焊道形状诱导开裂主要是由较深的熔深引起的,主要涉及热输入较大的焊接方法如埋弧焊(SAW)CO2药芯气保焊(CO2 FCAW)。当焊缝具有较小的宽深比(W/D)时,即焊缝深度比宽度大较多时,垂直于熔合线生长的柱状晶在中间相交,但不会熔合。为了避免这种情况,必须控制宽深比(W/D),建议设置1:1到1.4:1的宽深比。在一个总焊缝构造中,如果采用多层多道焊,并且保证每道焊缝的宽深比,即使总焊缝深度比较大,也不会产生裂纹。

图3  焊道形状诱导开裂

当由于焊道形状诱导中心开裂时,最有效的解决方法是改变宽度与深度的关系。这可能涉及联合设计的改变。由于焊缝深度是和焊接熔透有关,所以建议减少熔透量。这可以通过低电流与大尺寸电极相匹配来实现,其原理是通过降低焊接电流密度。

表面轮廓诱导开裂:还有一种中心裂纹的形成是由于表面轮廓问题导致的。当焊接表面产生凹陷时,焊缝内部收缩力将使焊接金属在表面上受到拉伸。相反地,当焊接表面凸起时,内部收缩力将拉动表面压缩,如图4所示。焊接表面凹陷经常是较高电弧电压引起的,电弧电压的轻微下降将使焊道返回到略微凸起的轮廓,并消除了开裂倾向。较高的焊接速度也可能导致这种凹陷表面,焊接速度的降低可以增加填充量并使表面返回到凸形轮廓。垂直向下焊接也易产生凹面增加这类裂纹的敏感性,垂直向上焊接可以使焊道更凸来弥补这种情况。

图4  表面轮廓诱导开裂

热影响区开裂

热影响区(HAZ)开裂(图5)的特征是紧邻焊缝产生裂纹。尽管与焊接工艺有关,但裂缝发生在母材一侧,而不是在焊缝金属中。这种类型的裂纹也被称为“焊道下裂纹”,“焊趾裂纹”或“延迟裂纹”,因为这种焊缝是在冷却到大约200℃以下之后发生的,所以它也被称为“冷裂纹”。又由于它与氢有关,它也被称为“氢致裂纹”。

图5  热影响区裂纹

热影响区产生裂纹,必须同时满足三个条件:氢;敏感材料(组织);残余应力。三者相互叠加方能发生裂纹,只要有一个条件不具备,裂纹就不会发生。在实际焊接应用中,典型的方法是限制三个变量中的两个,即氢的水平和材料的敏感度。

氢可以从各种途径进入熔池,水分和有机物是氢的主要来源。它可能存在于钢板,焊接电极,焊剂中,并存在于大气中。焊剂成分,无论是在电极外面(药皮),电极芯内(药粉),还是埋弧焊或电渣熔剂(焊剂)形式,都会吸收水分,这主要取决于储存条件和处理方式。为了降低焊缝中的氢含量,必须妥善保存焊接材料,同时施焊工件必须保持清洁干燥。

热影响区开裂的第二个必要条件是敏感的微观组织。这些敏感组织出现在熔合线附近由焊接热循环产生的热影响区。该区域受焊接电弧加热,微观组织奥氏体化,在随后的冷却过程中,冷却速度将决定形成的组织结构,并决定HAZ性能。高冷却速度和高淬透性水平容易提高组织的“敏感性”,从而提高裂纹敏感性。低焊接热输入,厚板,以及较低母材温度都会提高冷却速度,缩短t8/5时间(t8/5怎么算?点我啊!),而较高的碳含量和/或合金含量会提高碳当量(又不会算?还是点我啊!),淬透性高。对于一个给定的母材,降低敏感组织最有效的办法就是降低焊后冷却速度,虽然热输入也对该区域的冷却速率有显着影响,但是预热还是最主要的手段。通过预热(想知道预热温度吗?参照此文),降低了温度梯度,降低了冷却速率,就限制了敏感微结构的形成。

焊接的残余应力可以通过消应力热处理来降低,但对于大多数结构应用来说,这在经济上是不切实际的。对于复杂的结构应用,在消应力退火时,必须考虑临时支撑和其他条件,因为在消应力温度下钢的强度容量将大大降低。一般来讲,对于实际应用,为了控制热影响区裂纹,有效的低氢处理和适当的预热是最常用的方法。

横向开裂

横向开裂的特征是垂直于焊接方向的焊缝金属内的裂纹(图6)。这类裂纹不怎么常见,通常与强度较高的焊缝金属有关,发生横向裂纹的焊缝一般属于高强匹配类型。这种类型的裂纹有些情况下也与氢有关,这种情况就和之前描述的热影响区裂纹类似了,氢+敏感组织+残余应力,不过这里的残余应力是纵向的。

图6  横向裂纹

焊缝纵向收缩时,周围的母材进入压缩状态来抵抗焊缝收缩。母材的高强度压缩限制了焊缝的收缩量,由于母材的约束,焊缝金属不能自由收缩而产生纵向拉应力,这非常有利于横向裂纹的发生。

当遇到横向裂纹时,首先应当排除氢的影响,焊材储存条件应仔细检查。如果问题依旧,那么适当降低焊缝金属强度通常可以解决横向开裂问题。尽管大多数横向开裂是由焊接金属超过匹配条件造成的,降低焊缝强度时仍必须满足设计要求。

预热可以用来缓解横向开裂。预热将有助于扩散氢气,另外焊后消氢处理有助于消除焊缝中的扩散氢,消氢处理一般在200℃左右进行,每25mm板厚保温1小时。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

标签云