焊接裂纹

焊接裂纹随着钢铁、石油化工、舰船和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向于向大型化、大容量和高参数方向发展，有的还在低温、腐蚀等环境下工作。

因此，各种低合金高强钢、高合金钢、合金材料的应用越来越广泛。

但是，随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产中带来了许多新的问题，其中经常遇到的一种最严重的缺陷就是焊接裂纹。

焊接裂纹是接头中局部区域的金属原子结合遭到破坏而形成的缝隙，缺口尖锐、长宽比大，在结构工作过程中会扩大，甚至会使结构突然断裂，特别是脆性材料，所以裂纹是焊接接头中最危险的缺陷。

5.1 焊接接头中裂纹的分布焊接生产中，由于钢材和结构类型不同，裂纹的分布是多种多样的，见图5-1。

各种不同类型的裂纹：①焊缝中纵向裂纹；②焊缝上横向裂纹；③热影响区纵向裂纹；④热影响区横向裂纹；⑤火口（弧坑）裂纹；⑥焊道下裂纹；⑦焊缝内部晶间裂纹；⑧焊趾裂纹；⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹5.2 裂纹的分类5.2.1 按裂纹分布的走向分①横向裂纹；②纵向裂纹；③星形（弧形裂纹）。

5.2.2 按裂纹发生部位分①焊缝金属中裂纹；②热影响区中裂纹；③焊缝热影响区贯穿裂纹。

5.2.3 按产生本质分类①热裂纹；②冷裂纹；③再热裂纹；④层状撕裂；⑤应力腐蚀裂纹。

（1）热裂纹（高温裂纹）产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段产生。

存在部位：焊缝为主，热影响区特征：宏观看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽；微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。

分类：①结晶裂纹②高温液化裂纹③多边化裂纹（2）再热裂纹（消除应力处理裂纹）原件结构焊后消除应力热处理中，在热影响区的粗晶部位产生裂纹，材质低合金高强钢，珠光体耐热钢、奥氏体、不锈钢、Ni基合金。

由于重新加热（热处理）过程中产生称再热裂纹—消除应力处理裂纹。

（3）冷裂纹产生温度：较低温度，在M S点以下的低温产生的存在部位：多发生在热影响区，但也有发生在焊缝。

特征：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征；微观看：常常是晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。

分类：①延迟裂纹焊趾裂纹这种裂纹起源于母材和焊缝交界处、并有明显应力集中的部位（比如咬边），它一般是由焊趾表面开始向母材深处扩展。

焊道下裂纹这种裂纹经常发生在脆硬性较大、含氢量较高的焊接热影响区，一般情况下裂纹走向和熔合线平行。

焊根裂纹它起源于焊缝根部应力集中最大的部位，可能出现在HAZ粗晶区，也可能出现在焊缝金属中。

主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。

②淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）③低塑性脆化裂纹（4）层状撕裂由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物（特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。

T<400℃发生在厚壁后构T型接头，十字接头、触头。

（5）应力腐蚀裂纹金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。

根据国外资料分析，焊接结构中，冷裂纹的问题约占90%，热裂纹问题约占10%，其它裂纹比较少见。

5.3 焊接热裂纹5.3.1 焊接热裂纹的类型所有焊接热裂纹的特征都是沿原奥氏体晶界开裂，但是所焊金属材料不同，热裂纹的形态、产生热裂纹的温度区间和主要原因是不同的。

所以，热裂纹又可进一步分类。

通常，人们把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类。

（1）结晶裂纹焊缝金属结晶过程中，在固相线附近，晶界残存低熔点的液态薄膜，在应力作用下形成的裂纹。

结晶裂纹主要发生在含（硫、磷、碳、硅等）杂质比较多的碳钢、低合金钢焊缝中，以及单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。

（2）液化裂纹它的产生机理和结晶裂纹基本相同，只是产生部位不同。

液化裂纹发生在近缝区或多层焊的层间部位，是在焊接热循环峰值温度作用下，由于被焊金属含有比较多的低熔点共晶而被重新熔化，在拉伸应力作用下，沿奥氏体晶界发生的开裂。

液化裂纹主要发生在含有铬、镍的高强钢、奥氏体钢、以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。

一般，母材和焊丝中硫、磷、碳、硅越高，液化裂纹倾向越高。

（3）多边化裂纹多边化裂纹大多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。

焊接时，在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷（主要是位错和空穴）以及严重的物理化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷迁移聚集，就形成了类似晶界的二次边界，也就是所谓的“多边化边界”。

因为边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生多边化裂纹。

三种裂纹中，结晶裂纹最为常见。

通常所说的热裂纹，如果不特别说明的话，就是指结晶裂纹。

5.3.2 结晶裂纹的特征产生温度：固相线以上稍高的温度。

断口特征：呈氧化颜色，没有金属光泽。

说明这种裂纹是在高温下产生的。

分布特征：宏观：一般发生在焊缝中心（横向、纵向都有）。

微观：具有晶间破坏的特征（发生在晶界，柱状晶之间）有宏观裂纹一般必有微观裂纹，但有微观裂纹不一定有宏观裂纹。

5.3.3 产生结晶裂纹的机理5.3.3.1 结晶裂纹的形成产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部分布在两树枝状晶体之间。

对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上。

某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。

从金属结晶学理论可以知道，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质比较多，并富集在晶界。

一般来讲，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点。

在焊缝凝固过程中，这些低熔点共晶被排挤到晶界就形成了所谓的晶间“液态薄膜”。

同时，焊缝凝固过程中由于收缩产生了拉应力，在拉应力作用下焊缝金属很容易沿液态薄膜拉开形成裂纹。

从上面的讨论可以知道，结晶裂纹产生在焊缝结晶过程中。

焊缝的结晶过程具体可以分为三个阶段：液固阶段、固液阶段和完全凝固阶段（图5-2）。

P--塑性；y--流动性；T B--脆性温度区T L---液相线温度；Ts—固相线温度图5-2 熔池结晶阶段及脆性温度区⑴液固阶段⑵固液阶段⑶完全凝固阶段产生结晶裂纹原因：①液态薄膜——根本原因；②拉伸应力——必要条件。

5.3.3.2 产生条件目前，一般都是根据前苏联学者普洛霍洛夫的观点用图5-3说明结晶裂纹的产生条件。

P--塑性；T B--脆性温度区T L---液相线温度；Ts—固相线温度图5-3 焊接时产生结晶裂纹的条件图5-3中，纵坐标是温度，横坐标表示在拉伸作用下金属所产生的应变e和焊缝金属所具有的塑性p，e和p都是温度的函数。

图中p=φ(T)曲线表明了在BTR区内焊缝金属所具有的塑性，BTR的上限是固液阶段开始的温度，下限在固相线T S附近，或稍低于固相线的温度（有些金属焊缝完全凝固后，仍然有一段温度内塑性很低，也会产生裂纹）。

当出现液态薄膜的瞬时，P存在一个最小值（P min）。

假设焊缝结晶过程中，拉伸应力引起的应变随温度按曲线1变化，那么在最容易出现裂纹的固相线附近，只产生了△e的应变量，此时焊缝仍然具有△eS 的塑性储备量（△eS= P min -△e）；当应变按曲线2变化时，由拉伸应力产生的塑性应变恰好等于焊缝的最低塑性值P min，△eS=0，这是临界状态；当应变按曲线3变化时，这时由拉伸应力产生的应变已经超过焊缝金属在脆性温度区内所具有的最低塑性值，这时必将产生裂纹。

产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性，或者说焊缝金属在BTR内的塑性储备△e S小于0时就会产生结晶裂纹。

5.3.3.3 影响结晶裂纹产生的因素①脆性温度区间大小②脆性温度区（T B）内金属的塑性③T B内随温度降低变形的增长率①②决定于冶金因素（化学成分、结晶条件、偏析程度、晶粒大小和方向等）③决定于力的因素（焊件刚度、焊拉工艺、金属的热物理性质等）5.3.4 影响结晶裂纹倾向性的因素5.3.4.1 冶金因素（1）结晶温度区间（2）合金元素的影响①S、P②C③Mn④Si⑤Ti 、Zr 和稀土元素⑥O一般认为，C 、S 、P 对结晶裂纹的影响最大。

图5-4 碳、锰、硫对产生结晶裂纹的影响日本JWS 临界应变增长率CSTCST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)×10-44105.6-⨯≥CST 时，可防止裂纹热裂敏感系数HCS 公式[]3103)100/25/(⨯++++++⨯=V Mo Cr Mn Ni Si P S C HCS当HCS<4时，可以防止裂纹。

（3）一次结晶组织的影响5.3.4.2 力学因素在焊接时脆性温度区内金属的强度要小于在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力，即σσ<m 产生结晶裂纹的充分条件m σ—在脆性温度区内金属的强度σ—在脆性温度内金属所承受的拉伸应力金属的强度m σ决定于G σ—晶内强度 0σ—晶间强度T ↑ G σ↓ 0σ↓T →0T 0σ=G σ0T —称金属的等强温度T>0T 时，G σ>0σ发生断裂晶间断裂若焊缝所受拉伸应力为2σ随温度变化始终不超过0σ，则不会产生结晶裂纹2σ<0σ 若焊缝的拉伸应力为1σ，1σ>0σ产生结晶裂纹产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可5.3.5 防止结晶裂纹的措施根据大量的生产实践和研究，证明防止焊接结晶裂纹可以从两个方面着手：5.3.5.1 冶金因素方面（1）严格控制母材和焊接材料中的C 、S 、P 含量（2）改善焊缝一次组织①细化晶粒②双相组织5.3.5.2 工艺因素方面用工艺方法防止结晶裂纹主要是改善焊接时的应力状态。

正确选择焊接工艺和规范、合理选择接头形式、正确选择焊接顺序等等减小焊接应力的措施都有利于防止产生焊接热裂纹。

5.3.6 近缝区液化裂纹产生部位及材料通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也可产生在多层焊缝的焊层之间，液化裂纹属于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间开裂特征。

液化裂纹多发生在铬、镍的高强钢、奥氏体钢、镍金合金等。

产生原因1）近缝区晶界处存在低熔点杂质，被重新加热（次要因素）如FeS 熔点1190℃，23S N i 熔点为645℃，P F e 3熔点为1160℃，造成晶界局部熔化2）近缝区存在晶间液膜（低熔点共晶体）（主要因素）低熔点共晶体一般组成物为S 、P 等杂质，碳化物如N b C 、M 6C 、MC 碳氮化合物、硼化物等。

在较大焊接线能下的焊接条件下，由于不平衡的快速加热过程，近缝区的晶界发生迁移，晶界恰好与富集溶质部位重合时，晶界显著发生偏析，易发生液化现象，晶间液膜主要形成于晶界碳化物MC 或MbC 的周围部位。