手工电弧焊中焊接裂纹产生的原因及分析及预防措施

1、焊接裂纹形成原因

焊接中的常见焊接裂纹一般分为三大种类型:

1.1 热裂纹:热裂纹是在高温下产生的, 而且都是沿奥氏体晶界开裂,它的主要形态是结裂纹。即焊缝在结晶过程中,在固相线附近由于凝固金属的收缩,晶粒间的液态薄膜承受不了拉力,以致沿晶界开裂。

1.2 冷裂纹:是在相当低的温度(即在钢的马氏体转变温度附近,约200-300℃)由于约束应力,淬硬组织和氢的作用,焊接接头产生裂绞,即属于冷裂纹。

1.3 脆裂:在温度急剧下降时由于金属及焊缝变脆;而发的低应力破坏的现象,即称为脆裂。根据金属裂断前的总变形量(宏观变形),可把断裂分为延性断裂和脆性断裂两大类。延性断裂,金属在断裂前和断裂中发生显著塑性变形,一般在应力超过金属的强度极限{超载}后发生断裂。而脆性断裂,在断裂前几乎不产生明显塑性变形,通常在不超过金属屈服强度即断裂,因此亦称低应力破坏。

从以上讨论可以知道,在各种具体情况下产生裂纹的原因是不同的,有时可能是几种因素共同作用的结果。然而,不管是热裂纹,冷裂纹,脆裂,它们都具有一个共同的规律,即、焊接时由于各种原因在熔池内部常发生变化,在一定条件下会发生作用而形成裂纹。在手工电弧焊中我们要通过裂纹的特征来判断裂纹的类型，找出裂纹形成的原因,从而采取相应措施。

2、影响生成裂纹的因素及防止措施

2.1 热裂纹。主要讲结晶裂纹,它是热裂纹的一种普遍形态。影响结晶裂纹主要有下列因素:

2.1.1 结晶温度区的范围愈大,则增加脆性温度区,即增加裂纹倾向。结晶温度区大小与合金含量有很大关系;即随着合金成份的增加,结晶温度区间也增大。

2.1.2 碳当量愈大,则增加裂纹倾向,因为各种元素对结晶裂纹的影响不同,例如严重影响结晶裂纭纹的元素有C,S,P,Cn,Ni;少量影响不大,多量则促使裂纹的元素有Si,Mn,Cr等。为了相对判断焊缝金属裂纹倾向,建立了碳当量的计算方式,以便相应进行考察。

2.1.3 残液m形态,如为薄膜状则裂纹倾向大,如为球粒状则裂纹倾向小。

2.1.4 一次结晶组织,如粗大则裂纹倾向大,如为球粒状则裂纹倾向小。

2.1.5 力的因素对产生结晶裂纹也有影响,当焊的拉伸应力在某一温度区间超过了金属的晶间强度,即会产生晶向裂纹。 2.2 冷裂纹。冷裂纹可以在焊后立即出现,也可以是延迟裂纹,而后一种是冷裂纹中的比较普遍的形态。冷裂纹的产生与钢的碎硬倾向;焊接接头的氢含量及其分布;焊接接头的拘束应力有直接关系。并且这三者是相互促进和相互影响,在不同情况下,其中任何一个便可能为主要因素,但不是唯一因素:

2.2.1 钢的淬硬倾向,主要取决于钢种的化学成分,其次是焊接工艺,结构钢板厚度及冷却条件。钢种的淬硬倾向愈大,则愈容易产生冷裂纹。这是由于:容易产生冷裂纹。这是由于:容易形成脆性组织,如马氏体组织便是一种脆硬性组织,在一定应力作用下会发生脆性断裂。冷却速度愈快愈容易加大钢的淬硬性倾向:淬硬性倾向愈大的钢材,会产生较多的晶格缺陷,如空位和位错, 这些都会在焊接应力的作用下,发生移动和聚集,达到一定程度,便会产生裂纹源。

2.2.2 氢的作用,氢对冷裂纹的影响极为显著,氢在焊道或影响区的存在;可以形成氢脆;试验表明氢脆是冷裂纹的重要原因;在正常情况下钢中氢含量是极低的,但当焊接时,如果焊件处理不当,焊条中所含的水伤,焊接坡口附近的油污,其中铁锈(mFeO3•nH2O)的影响特别大。加热时铁锈进行下列反应 由于增加氧化作用,在结晶时就会促使生成H2气。铁锈中的结晶水(H2O),在高温时分解出氢气,增加了生成氢气孔的倾向。由此可见,铁锈是一个极其有害的杂质,对于氢气有敏感性,尤其在碱性焊条施焊的情况下,焊件表面氧化皮和铁锈、油污等杂质的清理要比酸性焊条要求更为严格,否则使焊缝产生氢,这些氢在电弧高殒温作用下, 分解成氢原子,不断进入焊接的熔池中。金属在熔融状态下熔氢量是比较高皈,但是在液相凝固时溶氢量则急剧降低,这时氢原子结合成氢分子而逸出。然而由亍焊接接头处冷却速度是极快的,大部分氢未来得及逸出而以过饱私状态熔于凝固了的焊缝中。溶于钢中的氢原子在应力梯度的推动下扩散至此, 聚集形成裂纹源。裂纹源渐渐就形成宏观裂纹。

2.2.3 应力作用,裂纹是在应力超过材料强度极限时,在材料内部发生的一种破断,因此任何裂纹都离不开应力。所以应力成为主要矛盾。因此必须设法保证焊接质量,要合理考虑设计接头,以避免裂纹的出现。防止冷裂纹一般应采取如下措施:选择合适的填充材料,即焊条,如选用碱性低氢型焊条,以减少从填充材料中带入氢。焊缝的强度要与母材相适应;采取减少氢的措施,如严格控制焊条的烘干温度,碱性焊条对氢的敏感性大,故需要更高的烘干温度350～450℃,保温1～2小时。而酸性焊条烘干到150～200℃,保温1～2小时即可, 改善接头设计, 减少应力集中;调节热循环,如采用淬硬程度,降低热应力和组织应力,提供让氢逸出焊接接头的机会;焊后热处理可以消除内应力,去氢以及使淬硬牲组织回火等以消除脆性,提高韧性。

2.2.4工艺因素,所谓工艺因素主要是指焊接规范、电流种类、电孤高低和操作技巧等方面对产生氢艺的影响。

因此: (1)适当降低焊接电流Ia,使熔滴变大,比表面积减小,吸收氢、氮、氧困难,减小产生裂纹倾向。反之若电流增大,使电阻热增大,药皮发红过早分解,使焊缝既无气体保护也无冶金反应,易产生大而多的穿透性气孔。从焊缝形状系数φ=B/H 考虑,当焊缝宽度B不变焊接电流增大时,熔深H增大,焊缝形状系数φ控制

在1～1.5。因此焊接电流千万不能无原则地增加,要视具体情况按规范选择最佳值。

(2)焊接速度Ua不宜过快。 熔池存在时间:

式中:I—电流(A);U―电孤电压(V);Ua―焊接速度(cm/s);K―常数,与被焊材料的热物理性质有关。

由式可知,当电孤功率不变,焊接速度Ua减小时,熔池存在时间tp增长,结晶速度减小,有利于气泡上浮,不易产生裂纹。从提高生产率考虑,应该在提高焊接速度的同时提高焊接电流和电孤电压,总之要使三者匹配,才能获得速度快、质量高的焊接接头。

2.3 脆裂:脆性破坏是材料还没有沿剪切面滑移之前,材料已达到破坏极限,因而材科是在没有变形的情况下产生的破坏,故称脆性破坏。材料产生脆裂与四个因素有关:第一, 温度降低的程度。当温度降低时,材料变形能力减少而抗拉强度和屈服强度增加,在某种称为临界温度时材料完全丧失变形能力,在某种称为临界温度时材料完全丧失变形能力,转变为脆性状态。第二,载荷速度增加的程度。增大加载速度,也会引起屈服限的增加,而使材料变脆,塑性降低。第三,应力及应力集中的程度。在有缺口的地方产生应力集中,能够导致脆性破坏。因为缺口处的应力集中,导致材料的破坏应力将比剪应力增加速度快,这四个因素同时作用,是产生脆性破坏的最危险状,为了不出现脆性破坏,就要尽力阻止这个危险状态出现。