浅析焊接裂纹产生的原因分析及预防措施

摘 要：裂纹是焊接工艺中常见的缺陷，也是最危险的焊接缺陷之一，轻则影响生产活动，重则引发安全事故。为此，焊接裂缝问题引起了工程建设界的广泛关注。文章阐述了不同焊接裂纹产生的原因及主要预防措施，并结合具体工程案例，分析了引起焊接冷裂纹的原因、因素及对策，以预防焊接裂纹的出现。

关键词：焊接裂纹；接头；冷裂纹；热裂纹；预防措施

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）17－0010－02

焊接是当今工业生产中应用最为广泛的金属加工工艺之一，是被焊工件的材质通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的键和而形成永久性连接的工艺过程。焊接是一种有效降低成本、提高生产效率的手段，大到航天航空，小至微电子都离不开焊接技术。但是焊接过程中也会有很多质量缺陷问题，其中较为普遍而有十分严重的就是焊接裂纹。焊接裂纹不仅给生产带来困难，还可能带来灾难性的安全事故，因此，提高焊接质量和结构的可靠性，避免在焊接中产生裂纹，是值得探讨的话题。

1 焊接裂纹产生的原因及预防措施

按产生时的温度和时间的不同，裂纹可分为：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。

1.1 焊接热裂纹

焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区域时产生的裂纹，叫焊接热裂纹。

原因：由于焊接溶池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质。在一定条件下，当拉伸焊接应力足够大时，会将液态层间拉开或在其凝固过程中被拉断而形成热裂纹。

预防措施：调整焊缝金属的化学成分，细化焊缝晶粒，控制低熔点、共晶的有害影响；控制焊接规范，适当提高焊缝形状系数；正确选用焊接接头形式，合理安排焊接次序。

1.2 焊接冷裂纹

焊接接头冷却到较低温度（对钢来说在MS温度下）时产生的焊接裂纹，叫做焊接冷裂纹。

原因：冷裂纹是在焊后较低的温度下产生的，焊接中碳钢、高碳钢、低合金高强度钢、某些超高强度钢、工具钢、钛合金等材料时容易出现这种缺陷。

预防措施：选用优质低氢的焊接材料和低氢的焊接工艺方法；加入某些合金元素以提高焊缝金属的塑性；选择合理的焊接规范及焊接顺序；焊前预热，控制层间温度及焊后保温缓冷

或后热；焊后焊件应及时进行热处理。

1.3 再热裂纹

焊件焊后在一点温度范围再次加热（进行消除热应力热处理）时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，叫做再热裂纹，又叫消除应力裂纹（国外简称“SR”裂纹）。

原因：含有沉淀硬化相的焊接接头中，如存在较大的残余应力，并有不同程度的应力集中时，在热处理温度的作用下，如果粗晶区的蠕变塑性不足以适应应力松弛所产生的附加变形时，则沿晶界就会产生再热裂纹。

预防措施：控制母材及焊缝金属的化学成分；选择抵抗再热裂纹能力高的焊接材料；减少接头刚性和应力集中的可能，将焊缝及其与母材交界处打磨光滑；消除应力回火处理时应避开产生再热裂纹的敏感温度区。

1.4 层状撕裂

是指在焊接时，在焊接构件中沿钢板轧制分层而形成的呈台阶状的一种层状开裂。

原因：在沿焊件厚度方向的应力作用下，夹杂物界面开裂，从而在焊接热影响区及其附近的母材上，或远离热影响区的母材上，就会出现有阶梯状的裂纹，这种裂纹就是层状裂纹。

预防措施：调整焊缝金属的化学成分；改善接头形式及破口形状，从而防止应力应变集中；改善钢材的轧制条件和热处理；选用耐层状撕裂用钢等。

需要特别强调的是，焊接裂纹有时在焊接过程中产生，有时是放置一段时间后才出现的，也就是我们平时说的延迟裂纹，这种延时出现的裂纹在生产中无法检测，所以其危害更严重，在实践生产中对此也要有足够的重视。

2 具体案例分析

2.1 工程概况

某材质的钢制作变速操纵杆。在一次质检工程中，发现了配件焊接接头存在严重的裂纹问题。工作人员针对生产实际中出现的这个具体问题，全面分析了裂纹产生的原因，采取了有效的防治措施，效果良好，使产品的质量得到了保证。

2.2 裂纹的产生和裂纹的形态

变速操纵杆十字轴座体材料为ZG310－570，操纵杆材料为45#钢。焊接时，将两件放入夹具中，焊条型号选用E4303，焊条Φ3.2 mm。焊接电流90～120 A，电弧电压24～26 V，采用BX1－300交流弧焊机。焊接后发现零件产生裂纹，有的要经过一段时间后产生裂纹，甚至断裂。把焊件用手工锯开，制成试样，将试样在砂轮机上打平，先粗磨，再细磨，直磨到07#细砂纸，获得理想的样品后，再将磨平的试样在P－2型抛光机上抛光，直到满意的表层质量。用4%硝酸进行腐蚀，用酒精清洗吹干后，在XJL－02A立式金相显微镜下观察，通过对焊接接头切片进行金相检验，发现焊接裂纹严重，在铸钢母材金属一侧裂纹是起源于熔合线而延伸于热影响区和焊缝，其裂纹走向垂直于熔合区。

2.3 焊接裂纹产生的原因

焊接冷裂纹产生的原因与3种因素有关，即：焊接接头的含氢量，钢材的淬硬倾向及焊接应力。

氢的影响：氢对冷裂纹的影响明显。焊缝氢含量越高，裂纹的倾向就越大。焊接区扩散氢对焊接裂纹有直接的影响，因为氢的扩散性很强。该产品选用的E4303焊条，属钛钙型焊条，脱硫、磷能力差。另外，焊条的烘干温度不够。焊接时，焊条中的水份、电弧周围的水蒸气和母材表面的铁锈和油污等，都是氢的来源。在电弧高温气氛下，电弧中的溶滴和熔池从周围气氛中吸取氢，大量的氢溶解在熔池中。当熔池金属冷却结晶时，奥氏体转变为铁素体、珠光体和马氏体，引起氢的溶解度急剧降低。此时，氢来不及逸出熔池表面而残存在焊缝中，氢向含量较小的焊缝中的热影响区母材侧扩散，在熔合区的未混合区及半熔合区的液化了的晶界上，或形成的马氏体的晶界上，成为残余氢。当焊接接头冷却到室温附近时，这些残余氢便在三晶粒顶角的晶界部积累，形成微裂纹。当构件在受到外力的情况下，微裂纹便会迅速扩散，最后导致焊接接头脆性断裂。