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焊接冷裂紋

發布時間:2025-01-21 瀏覽次數:48389次

定義:焊接冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度下(對于鋼來說大約在 Ms 點,即馬氏體轉變開始溫度以下)時產生的裂紋。它是一種延遲裂紋,有的在焊后幾小時、幾天甚至更長時間才出現。
1.1形成原因:焊接過程會產生多種應力,包括熱應力、組織應力和拘束應力。熱應力是由于焊接時局部加熱和冷卻不均勻造成的;組織應力是由于焊縫和熱影響區組織轉變(如奧氏體向馬氏體轉變)引起的體積變化產生的;拘束應力是焊件受到外部拘束(如夾具夾緊、結構自身的剛性約束等)而產生的應力。這些應力的疊加,使得焊接接頭在冷卻過程中處于較高的應力狀態。當應力超過焊接接頭在低溫下的強度極限時,就會產生冷裂紋。例如,在焊接厚壁壓力容器時,由于焊件自身的拘束度較大,焊接應力也較大,冷裂紋的產生概率就相對較高。
氫是導致焊接冷裂紋的關鍵因素之一。在焊接過程中,焊接材料中的水分、焊件表面的油污和鐵銹等都會在電弧高溫作用下分解出氫原子。氫原子的半徑很小,很容易在金屬晶格中擴散。在焊縫冷卻過程中,氫原子會向應力集中部位(如熔合線等)擴散聚集,當氫的濃度達到一定程度時,會結合成氫分子。氫分子的體積比氫原子大很多,會產生很大的壓力,使金屬的局部脆化,降低金屬的韌性,從而導致裂紋的產生。比如,在一些低合金高強鋼焊接中,如果沒有對焊件進行很好的預熱和脫氫處理,氫致裂紋就很容易出現。
當焊縫和熱影響區的冷卻速度過快時,容易形成馬氏體等淬硬組織。馬氏體的硬度高、塑性差。例如,在高強度鋼焊接中,如果焊接熱輸入過小,冷卻速度就會很快,熱影響區就會形成大量馬氏體。這些馬氏體組織在焊接應力的作用下,很容易產生裂紋。因為馬氏體的比容比奧氏體大,在馬氏體轉變過程中會伴隨著體積膨脹,這就會在周圍組織中產生很大的組織應力,與熱應力疊加后,導致裂紋的產生。
淬硬組織的形成、氫的作用、焊接應力的存在
防止措施:盡可能減少焊件的外部拘束,例如在設計焊接結構時,采用合理的接頭形式和結構形狀,避免過大的拘束應力。在焊接過程中,如果條件允許,可以適當松開夾具,減少拘束應力。
合理控制焊接電流、電壓和焊接速度等工藝參數。例如,適當增加焊接熱輸入,可以降低焊縫的冷卻速度,減少淬硬組織的形成。但熱輸入也不能過大,否則會導致焊縫金屬過熱、晶粒粗大等問題。同時,采用多層多道焊的方式,可以使焊縫和熱影響區的熱循環更加合理,降低焊接應力。
預熱是在焊接前對焊件進行適當加熱。對于易產生冷裂紋的材料,如某些高強鋼,預熱可以降低焊縫和熱影響區的冷卻速度,減少淬硬組織的形成。預熱溫度一般根據焊件的材質、厚度和拘束情況等來確定。后熱是在焊接完成后,立即對焊件進行加熱,其主要目的是使焊縫中的氫能夠充分擴散逸出,一般后熱溫度在 200 - 350℃左右,時間根據焊件厚度等因素確定。
應選擇低氫型焊接材料,例如在焊接低合金高強鋼時,使用低氫焊條或富氬氣體保護焊用焊絲。這些焊接材料中的含水量低,能夠減少焊接過程中氫的來源。
選用合適的焊接材料、預熱和后熱、控制焊接工藝參數、降低焊件拘束度。
經常產生區域:

熔合線附近:熔合線是焊縫金屬和母材金屬的交界區域。在這個位置,由于化學成分和組織性能的不均勻性較為明顯,容易產生冷裂紋。從化學成分來看,熔合線處的合金元素分布不均勻,可能會導致局部淬硬傾向增加。例如,在焊接低合金高強鋼時,熔合線處的母材部分由于熱影響,冷卻后可能形成馬氏體組織。同時,氫原子在熔合線處也容易聚集。因為熔合線是焊接過程中溫度梯度較大的區域,氫原子會在濃度差的驅動下向熔合線擴散,當氫含量達到一定程度,再加上熔合線處的組織應力和熱應力,就容易產生冷裂紋。

熱影響區“熱影響區中的粗晶區是冷裂紋的高發區域。在焊接過程中,這個區域受到的熱作用使晶粒長大,導致組織粗化。以鋼材焊接為例,熱影響區的粗晶區在快速冷卻后,容易形成粗大的馬氏體組織。這種組織硬度高、塑性差,并且由于晶粒粗大,晶界面積相對減小,晶界對裂紋擴展的阻礙作用減弱。而且,熱影響區在焊接過程中同樣會受到氫的侵入,氫原子在粗晶區的晶格缺陷處聚集,與組織應力和熱應力共同作用,促使冷裂紋在熱影響區產生。

焊縫根部:焊縫根部是焊接接頭的關鍵部位,也容易出現冷裂紋。在焊接過程中,根部的焊接質量受到多種因素的影響。例如,根部的熔透情況如果不好,會存在未焊透等缺陷,這些缺陷會造成應力集中。同時,根部的冷卻速度可能會因為散熱條件等因素而加快,導致淬硬組織的形成。而且,氫原子也容易在根部聚集,因為焊接時,保護氣體或者熔渣對根部的保護效果可能相對較差,外界的水分等含氫物質容易進入,從而增加了冷裂紋在焊縫根部出現的可能性。

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