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焊接生成热裂纹的原因有哪些?如何预防和解决热裂纹问题?

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。



二、热裂纹的影响有哪些?


热裂纹会对材料的性能和使用安全造成严重影响,主要危害或影响包括:

  1. 结构破坏:热裂纹可能导致结构件的破坏,使得其失去承载能力,严重时可能引发事故。

  2. 寿命减少:热裂纹会缩短材料的使用寿命,降低其耐久性,影响设备或构件的可靠性。

  3. 材料性能下降:热裂纹会使材料的强度、韧性等力学性能受损,降低其性能指标。

  4. 生产效率降低:在制造过程中,热裂纹的出现会导致材料损耗增加,生产效率下降,成本增加。

  5. 安全隐患:热裂纹存在的材料或构件可能在使用过程中突然失效,给人员和设备带来安全隐患。

  6. 维修和更换成本增加:一旦出现热裂纹,修复或更换材料或构件的成本通常较高,会增加维护和维修的费用。



三、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。

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。



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。



四、预防热裂纹的主要措施


1)冶金控制方面:


  1. 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。

  2. 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。

  3. 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:


  1. 优化焊接设计:在设计焊接结构时考虑到焊接应力的影响,采用合适的接头形式、减小焊接变形、优化焊缝形状等措施,以减少焊接应力的产生和积累,从而预防热裂纹的发生。

  2. 降低残余应力:采用适当的预热和后热处理方法,以减少焊接过程中产生的残余应力。预热可以使焊接区域温度均匀,减少温度梯度,有利于减轻焊接应力。后热处理则可以通过改变组织结构和释放应力来降低残余应力。

  3. 采用适当的焊接序列:通过合理的焊接顺序和焊接层数来控制焊接过程中的应力分布,减少焊接应力的积累。通常采用从焊接中心向两侧交替进行的焊接序列可以有效减少热裂纹的产生。

  4. 控制焊接速度和焊接温度:适当控制焊接速度和焊接温度,避免过快的焊接速度和过高的焊接温度造成焊接区域的应力集中和过大的残余应力。

  5. 采用适当的焊接工艺参数: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。



五、总结


综上所述,热裂纹是焊接过程中常见的质量问题,其主要产生原因包括焊缝金属的化学成分、焊缝横截面形状以及焊接应力等因素。为了有效预防热裂纹的产生,我们可以采取控制焊接应力、优化焊接工艺参数、合理设计焊接结构等预防措施。通过这些措施的实施,可以有效减少热裂纹的发生,提高焊接质量和工件可靠性,从而确保焊接工程的顺利进行和安全运行。


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