试述钢结构焊接裂纹的防治措施

摘 要：随着我国经济建设的不断发展，钢铁工业在社会建设中的作用越来越重要。焊接结构方面都趋于大型化，大容量和高参数主向发展。一旦这些重大的焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视，本文主要介绍了钢结构焊接裂纹的防治措施，旨在为相关从业人员提供经验和帮助。

中图分类号：TG43文献标识码： A 文章编号：

随着科技水平的不断提高，钢结构焊接技术也在不断发展，同时一些相关问题也会产生。焊接裂纹是指在焊接时,由于焊接应力及其他致脆因素的共同作用下,焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征,是焊接结构中最危险的焊接缺陷之一。

1 焊接裂纹的分类

焊接裂纹可以从不同角度进行分，这里仅从裂纹产生机理方面划分。按焊接裂纹产生机理方面划分，在裂纹产生的区域上可分为热裂纹（包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹）、冷裂纹（包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹等）、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等5 类。本文仅对焊接热裂纹产生机理及防治措施进行阐述。

2 焊接热裂纹

在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区，所产生的焊接裂纹称热裂纹。焊接热裂纹可分成结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类，但根据各自形态和产生形式的不同，对结构的危害也有相应的差异。

3裂纹的危害

焊接裂纹种类繁多，产生的条件和原因各不相同。有些裂纹在焊后立即产生，有些在焊后延续一段时间才产生。裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。它对焊接结构危害影响较大，主要有以下几方面和危害。

3.1减少了焊接构件的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力，造成结构不能满足正常设计荷载要求，留下事故隐患。

3.2构成了严重的应力集中。裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切口。具有高的应力集中，既降低结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏，容易引起结构发生突发性事故。

3.3造成泄露。用于承受高温高压的焊接锅炉或压力容器，用于盛装或输送有毒的、可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道等，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏，在工程上是绝对不允许的。

3.4 表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构的腐蚀。

3.5 留下隐患，使结构变得不可靠。延迟裂纹产生的不定期性，以及微裂纹和内部裂纹易于漏检。漏检的裂纹即使很小，在一定条件下会发生扩展，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。

4 结晶裂纹成因分析与防治

结晶裂纹又称凝固裂纹，是在焊缝凝固过程的后期形成的裂纹。它是生产中最为常见的热裂纹之一。

4.1 结晶裂纹的一般特征

结晶裂纹只产生在焊缝中，多呈纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧，而且这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布。通常纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。这些结晶裂纹尽管形态、分布和走向有区别，但都有一个共同特点，即所有结晶裂纹都是沿一次结晶的晶界分布，特别是沿柱状晶的晶界分布。焊缝中心线两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱状晶晶界上形成的。在焊缝中心线上的纵向裂纹恰好是处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化的色彩，说明了它是在高温下产生的。在扫描电镜下观察结晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒表面圆滑。

4.2 结晶裂纹的形成机理

从焊接凝固形态得知，焊缝结晶时先结晶部分较纯，后结晶部分的杂质和合金化元素较多，这种结晶偏析造成了化学不均匀。随着柱状晶长大，杂质合金化元素就不断被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线上，它们与金属形成低熔相或共晶。在结晶后期已凝固的晶粒相对较多时，这些残存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，割断了一些晶粒之间的联系。在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，这些远比晶粒脆弱的液膜承受不了这种拉伸应力，就在晶粒边界处分离形成了结晶裂纹。

4.3防治措施

结晶裂纹是一种较常见的裂纹之一，防治措施可从冶金和施工工艺两方面着手进行。

4.3.1冶金方面

1）尽量控制母材和焊接材料中硫、磷、碳的含量。由于控制焊接含有硫、磷、碳等有害杂质，这几种元素不仅能形成低熔相或共晶，而且还能使偏析，从而增大结晶裂纹的敏感性。重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。

2）在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Nb等元素，改善焊缝结晶形态，以提高其抗裂性能，增强焊接体的韧性。

3）利用“愈合”作用。晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因，但当易熔共晶增多到一定程度时，反而使结晶裂纹倾向下降，甚至消失。这是因较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙，即所谓的“愈合”作用。但须注意，晶间存在过多低熔将会增大脆性，影响接头性能，因此要控制得当，才能达到既降低裂纹产生的机率，又能使材料不因控制不当造成焊缝具有较大脆性。

4.3.2 工艺方面

主要指从焊接参数、预热、接头设计和焊接顺序等方面去防治结晶裂纹。

1）合理的焊缝形状。焊接接头形式不同，将影响到焊缝的受力状

态、结晶条件和热的分布等，因而结晶裂纹的倾向也不同。表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较好，熔深较大的对接焊缝和角焊缝抗裂性能较差，实际上，结晶裂纹和焊缝的成形系数有关。一般可提高焊缝成形系数可以提高焊缝的裂性能。

2）为了控制成形系数，必须合理调整焊接参数。平焊时，焊缝成形系数随焊接电流增大面减少，随电弧电压的增大而增大。焊接速度提高时，不仅焊缝成开系数减小，而且由于熔池形状改变，焊缝的柱状晶呈直线状，从熔晶边缘垂直地向焊缝中心生长，最后在焊缝中心线上形成明显偏析层，增加了结晶裂纹倾向。预热以降低冷却速度。熔晶膜冷却速度升高，焊缝金属的应变速率也增大，容易产生裂纹。

5 液化裂纹成因分析与防治

5.1 液化裂纹的基本特征

在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹称液化裂纹。与结晶裂纹不同，液化裂纹产生的位置是在母材近缝区或多层焊的前一焊道上。

5.2 液化裂纹的形成机理

液化裂纹形成机理在本质上与结晶裂纹相同，都是由于晶间有脆弱低熔相或共晶，在高温下承受不了应力的作用而开裂。区别仅在于结晶裂纹是液态焊缝金属在凝固过程中形成的，而液化裂纹则是因态的母材受热循环的峰值温度作用下，使晶间层重新熔化后形成的。

5.3 防治措施

防治液化裂纹的措施与防治结晶裂纹的一致。最主要的是尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量。在焊接工艺方面不能随便加大焊接热输入，因为热输入越大，输入热量越多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间就越长，液化裂纹的倾向就越大。此外，要通过改变工艺参数去调整和控制焊缝形状，如埋弧焊和气体保护焊，往往因电流密度过在大，易得到蘑菇状的焊缝，这种焊缝的熔合线呈凹陷状，凹进部位因过热而易形成液化裂纹。

结语：焊接裂纹在焊接工作中是危害最大的缺陷,会引起应力集中使焊接结构承载后造成断裂,使焊接的安全性、可靠性受到威胁,甚至会引起重大人身伤害及设备损坏事故。所以做好焊接裂纹的检测修复及预防在工作中至关重要。

参考文献

[1]韩佳泉.焊接基础与实践[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990.

[2]赵永宁,邱玉堂.火力发电厂金属监督[M].北京:中国电力出版社,2007.