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。
杂质或合金元素对材料热裂纹敏感性的影响可以用下面两个式
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。