金屬焊接熱裂紋的形成機(jī)理及防止措施

龔東濤

【摘 要】 金屬焊接是工業(yè)生產(chǎn)的重要方式之一。在金屬焊接過程中，有時會產(chǎn)生缺陷，會破壞產(chǎn)品的安全性和美觀性。金屬焊接中出現(xiàn)的常見缺陷就是裂紋。裂紋主要分為兩種，一種是熱裂紋，另一種是冷裂紋。本文主要講述金屬焊接過程中產(chǎn)生熱裂紋的原因及其有效防止措施。

【關(guān)鍵詞】 金屬焊接 熱裂紋 形成機(jī)理 防止措施

焊接技術(shù)在工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用。作為工業(yè)中的重要技術(shù)之一的焊接技術(shù)的益處是：降低成本、提高生產(chǎn)率、可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，產(chǎn)品的質(zhì)量好。隨著金屬焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在工作中出現(xiàn)的問題也隨之而來，即生產(chǎn)中容易產(chǎn)生焊接裂紋。焊接裂紋分為多種：一種是冷裂紋，一種是熱裂紋，還有一種是再熱裂紋。焊接中出現(xiàn)熱裂紋是一種常見的焊接缺陷，還需要進(jìn)一步研究、探討其產(chǎn)生的原因。

1 焊接裂紋

1.1 熱裂紋的概念及產(chǎn)生原因

熱裂紋，又稱高溫裂紋。通常產(chǎn)生在焊縫金屬和焊熱影響區(qū)，也有可能產(chǎn)生在焊接熔合線的附近，它是一種溫度在300攝氏度范圍內(nèi)產(chǎn)生的沿晶裂紋。熱裂紋主要存在于焊縫或熱影響區(qū)。熱烈紋的特點(diǎn)是：裂口處有氧化現(xiàn)象，裂紋呈縱向分布并且在尾部呈圓形。

1.2 熱裂紋的分類及形成原因

熱裂紋也分為多種，其按照產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)等的不同可分為四種。凝固裂紋，是一種結(jié)晶裂紋，它產(chǎn)生于焊縫凝固過程快完成時期的區(qū)間。它是由于冷卻不均勻后的拉伸變形，在邊界形成開裂，其表面有氧化現(xiàn)象；液化裂紋的產(chǎn)生原因：金屬材料中含有的低熔點(diǎn)雜質(zhì)過多和加熱過程中一些金屬化合物擴(kuò)散慢，導(dǎo)致局部晶界液化；多邊化裂紋形成的原因是：由于受熱不均勻，使結(jié)晶的排列成亞晶界。當(dāng)與雜質(zhì)相遇時，就會形成多邊化裂紋；失塑裂紋形成的原因是：它的形成機(jī)制與裂紋形態(tài)不同，它是由于在熱循環(huán)的作用下使塑性降低，形成失塑裂紋，它一般發(fā)生在焊接接頭中。

1.3 熱裂紋的防止措施

凝固裂紋的防止措施：調(diào)整母材中所包含的合金成分、細(xì)化晶粒、控制低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)元素的含量、提高溫度區(qū)間的塑性、在設(shè)計(jì)中減少溫度區(qū)間的拉伸變量。

液化裂紋的防止措施：控制母材金屬的雜質(zhì)含量、選用合理的焊接材料、規(guī)范焊接工藝、控制溫度和平衡性、控制拉伸力。

多邊化裂紋的防止措施：加入可以提高多邊化的激活能合金元素。例如鎢、鋁等金屬元素；減少焊接應(yīng)力、控制溫度。

失塑裂紋的防止措施：精煉母材金屬、控制有害雜質(zhì)的元素、控制溫度防止塑性降低、選用對熱裂紋不敏感的材料。

2 14CrNi4MoV（中碳調(diào)質(zhì)鋼）

2.1 14CrNi4MoV鋼焊接中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋

14CrNi4MoV鋼中以Cr為主要元素，它可以提高回火的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和塑性。即使如此，在焊接過程中還是不免產(chǎn)生裂紋。

2.1.1 結(jié)晶裂紋形成機(jī)理

結(jié)晶裂紋的形成一般是由于結(jié)晶溫度區(qū)間后期抗皺能力減弱和拉伸應(yīng)力的下降、變形能力差、塑性減低造成的。合金元素、雜質(zhì)元素含量、應(yīng)變率增長、有害雜質(zhì)等都是影響結(jié)晶裂紋生成的因素。焊縫金屬在凝固過程中會形成薄膜，而這種液態(tài)薄膜的強(qiáng)度和塑性都很低所以在拉應(yīng)力的作用下就會形成斷裂。形成裂紋后，裂紋會隨著溫度區(qū)間而變化，裂紋就會增大。

2.1.2 結(jié)晶裂紋的形成條件

14CrNi4MoV鋼在焊縫中結(jié)晶裂紋形成的條件有許多。由于焊縫凝固后期有液態(tài)薄膜，而且受到拉應(yīng)力作用，所以當(dāng)拉伸應(yīng)變增大、變形能力減小、溫度低等因素都會有裂紋傾向。

2.1.3 結(jié)晶裂紋的防止措施

結(jié)晶裂紋是焊接中的缺陷。對于它的防止措施有兩大方面，一方面是從冶金方面，一方面是從工藝方面。從冶金方面來說：（1）嚴(yán)格按照國家的標(biāo)準(zhǔn)用料，因?yàn)椴牧腺|(zhì)量的好壞是焊接的關(guān)鍵；（2）控制母材有害元素含量，控制好有害元素可以加強(qiáng)塑性、降低腐蝕性；（3）提高抗結(jié)晶裂紋能力，可以防止減小裂紋程度或出現(xiàn)裂紋；（4）提高熔渣的堿度，可以提高焊縫的脫氧或脫硫。從工藝方面來說：（1）提高抗裂能力參數(shù)；（2）延長冷卻時間；（3）降低接頭剛性。這些都是防止出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的方法。

2.2 14CrNi4MoV鋼焊接中產(chǎn)生液化裂紋

2.2.1 液化裂紋的形成原因

14CrNi4MoV鋼焊接中產(chǎn)生的液化裂紋屬于高溫裂紋。它形成的溫度要比結(jié)晶裂紋略低，一般出現(xiàn)在低合鋼中。液化裂紋出現(xiàn)在焊縫熔合線（焊縫的凹處）和層間的熱區(qū)，它的形成與母材等因素相關(guān)。

2.2.2 液化裂紋的防止措施

在焊接中出現(xiàn)液化裂紋是一大缺陷，對于它的防止措施有：（1）選用對液化裂紋不敏感的母材。例如，含有Mn元素較高的母材；（2）將焊絲傾斜，減少焊縫的凹度；（3）提高母材的純度，以此來降低線能量。

2.3 14CrNi4MoV鋼焊接中產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋

2.3.1 消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生及特點(diǎn)

消除應(yīng)力裂紋是在焊后加熱條件下的溫度區(qū)間、融合區(qū)附近的粗晶區(qū)、焊縫中、應(yīng)力集中的地區(qū)等部位產(chǎn)生的一種裂紋。不同的材料產(chǎn)生的消除應(yīng)力裂紋的溫度不同。

2.3.2 防止消除應(yīng)力裂紋的措施

在焊接中出現(xiàn)應(yīng)力裂紋是一大缺點(diǎn)，對于它的防止措施有：（1）選用對消除應(yīng)力裂紋不敏感的母材；（2）控制材料的雜質(zhì)；（3）采用強(qiáng)度低、塑性高的焊接材料；（4）改進(jìn)接頭的形式，控制焊接殘余應(yīng)力。就工藝方面來說：（1）要進(jìn)行預(yù)熱，溫度在200～450攝氏度左右的效果最好，也可以適當(dāng)提高；（2）進(jìn)行后熱，與預(yù)熱效果一樣，它還可以降低預(yù)熱溫度。

3 結(jié)語

金屬在焊接過程中往往會產(chǎn)生各種焊接缺陷，最重要的缺陷之一就是焊接裂紋。相信隨著學(xué)者們對金屬焊接技術(shù)的研究、探討，焊接裂紋的問題也會被隨之改善，它的發(fā)展會越來越好。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭紹慶，徐文立，李曉紅，田錫唐.隨焊激冷防止高強(qiáng)鋁合金焊接熱裂紋的數(shù)值模擬[J].材料科學(xué)與工藝，2011年S1期.

[2]劉偉平，張修智，田錫唐.鋁合金焊接凝固過程應(yīng)力應(yīng)變及凝固裂紋數(shù)值模擬[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報；2012年02期.

[3]宋秀，王磊，趙卓，劉楊，馬慧萍.La對Ni-Cr-W-Mo耐熱合金1173K恒溫氧化行為的影響[J].材料研究學(xué)報，2011年03期.

[4]魏艷紅，董志波，劉仁培，董祖玨.焊接凝固裂紋數(shù)值模擬的研究進(jìn)展及前景展望[A].第十一次全國焊接會議論文集（第2冊）[C]，2011年.endprint