4.2 焊接热裂纹

B. 力学因素对产生结晶裂纹的影响
金属的强度决定于 其 晶 内 断 裂 强 度 σG 和 晶 间断裂强度σ0，它们都随 温度升高而降低，其中σ0 下降更快。当温度达到T0 时，σG=σ0 ，为等强温度。 当温度高于T0 时，σG>σ0 ， 此时如发生断裂必然是晶 间断裂，焊接时的热裂纹 就属于这种性质。
多数情况下，结晶裂纹发生在焊缝断面 上，可以看到有氧化色彩，表明这种裂纹是 在高温下产生的。结晶裂纹大部分沿焊缝树 枝状结晶的交界处产生和发展，最常见于沿 焊缝中心长度方向开裂。
1）机理
焊缝结晶过程中，因合金的选分结晶， 先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质较 多，并富集于晶界上，且这些杂质大都具有 较低的熔点。 例如，一般碳钢和低合金钢的焊缝含硫 量较高时，能形成硫化铁（FeS），而FeS又 能与Fe形成熔点只有988℃的低熔点共晶。 钢中的磷、硅等也具有形成低熔点共晶 的作用，此外在不锈钢和耐热钢中，硫、磷、 硼、锆等也都能形成低熔点共晶。
合金因素方面
• 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量
为了消除它们的有害作用，应尽可以限制母 材和焊接材料中的硫、磷、碳的含量，S、P的含 量不得超过0.03~0.04%。用于低碳钢和低合金钢 的焊丝含碳量一般不得超过0.12%。焊接高合金 钢时要求更加严格，硫、磷含量必须控制在 0.03%以下，焊丝中的含碳量也要严格限制，甚 至要求采用超低碳焊丝（0.03~0.06%）。
表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝（图a，b）抗裂性较高； 在焊接熔深较大的对接和各种角焊缝（包括搭接、T型接头和 外角接焊缝等）时，如图c、d、e、f所示，因为这些焊缝所承 受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，故易引起裂纹。
•
焊接次序
施工时焊接次序是很重要的，同 样的焊接方法和焊接材料，只是因为 焊接次序不同，可能具有不同的结晶 裂纹倾向。总的原则是尽量使大多数 焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使 焊缝的受力较小。
工艺因素方面
焊接规范、预热、接头型式和焊接 次序等，改善焊缝上的应力状态。
•
焊接工艺规范
适当增加焊接热输入和提高预热温 度，可以减小焊接应力，从而降低结晶 裂倾向。但增加E会使近缝区的金属过热， 提高预热温度又会恶化劳动条件，所以 采用这种方法是有限度的。
•
接头型式
焊接接头型式将影响接头的受力状态、熔池的结 晶条件和热的分布等，因而会影响结晶裂倾向，这一 点在设计和施工时应特别注意。
2） 影响结晶裂纹的因素
影响结晶裂纹的因素可归纳为冶金因 素和力学因素两个方面。
A. 冶金因素对产生结晶裂纹的影响 被焊金属的合金状态图类型、化学成 分和焊缝的组织形态等对结晶裂纹有 重要影响。
a)
合金状态图类型和结晶温度区间
随着合金元素含量的增加，结 晶温度区间增大，同时脆性温 度区的范围（图中的阴影部分） 也增大，因此热裂纹倾向也会 增加。一直到S点，此时结晶 温度区间最大，脆性温度区也 最大，裂纹倾向亦最大。当合 金元素进一步增多时，结晶温 度区间和脆性温度区反而减小， 所以裂纹倾向也降低。
•
硅
硅是δ相形成元素，利于消除结晶裂纹， 但硅含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹 杂，从而增加了裂纹倾向。
• 钛、锆和稀土 钛、锆和镧、铈等稀土元 素能与硫形成高熔点的硫化物。例如，TiS的 熔 点 为 2000~2100℃ 、 ZrS 熔 点 为 2100℃ 、 La2S3 的 熔 点 为 2000℃ 以 上 、 CeS 的 熔 点 为 2450℃，这些硫化物的熔点比MnS（熔点为 1650℃）还要高，消除热裂纹的效果也更好。 • 镍 镍在低合金钢中易与硫形成低熔共晶 （Ni—Ni3S2 共晶的熔点仅为650℃），因而 会引起热裂纹。但钢中加入锰、钛等合金元 素后，可以抑制硫的有害作用。
T
T
e P
ΔTf
e1
e2
e3
x0
ΔTB
e（焊缝金属的应变曲线）
x/ %
P （焊缝金属的塑性）
• e=e1 时，在TS 附近焊 缝的应变为e，此时 焊缝的塑性储备为 Δe=Pmin-e>0 ， 不 会 产生裂纹； • e=e2时，Δe=0，此时 处于临界状态； • e=e3时，Δe<0，焊缝 金属的应变大于其具 有的最小塑性，必然 产生裂纹。
σ σG
σ0
T0
T
• 液态薄膜、脆性温度区间是产生结晶裂纹的 条件，但如果没有焊接应力导致的焊缝金属 的应变，是不会产生裂纹的。 • 焊缝金属所具有的塑性为P＝f(T)，在固相线 附近，金属的塑性最低为Pmin； • 焊缝金属在冷却过程中所产生的拉应力导致 的应变为e=f(T)，随温度降低应变增大； • 当焊缝的应变大于金属的最低塑性值时，将 产生裂纹。
T
TL e
P
TS
e1
e
e2
Pmin
e3
产生裂纹的必要条件为焊 缝的塑性储备小于０。
e（焊缝金属的应变曲线） P （焊缝金属的塑性）
3） 防止结晶裂纹的措施
焊接生产时产生结晶裂纹的影响因素 很多，因此应抓住具体情况下的主要矛盾。
从冶金上减小熔池的结晶温度区间， 控制液态薄膜的数量；
另一方面在焊接工艺上尽量减少焊接 应力。
4.2 热裂纹
在高温下产生的沿A晶界开裂。 从低碳钢、低合金钢，到奥氏体不 锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热 裂纹的可能 。
• 结晶裂纹 • 液化裂纹
• 多边化裂纹
4.2.1结晶裂纹 Solidification Cracking
焊缝结晶过程中，在固相线 附近，由于凝固金属的收缩，残 余的液体金属不足，不能及时填 充，在拉应力作用下发生沿晶开 裂，故称结晶裂纹。
4.2.2 液化裂纹 Liquation Cracking
在焊接热循环作用下，母材上近 缝区和多层焊的层间金属中，因含有 低熔共晶（S、P、Si、Ni等）被重新 熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体 晶间产生开裂。 液化裂纹是在高温下产生的，并 沿A晶间断裂，故是热裂纹的一种。
液化裂纹主要发生在含Cr、Ni的高强 钢，A钢及某些Ni基合金的近缝区或多层焊 层间的金属中，若母材或填充金属中S、P、 Si、C含量偏高，液化裂纹倾向会增加。 这种裂纹一般产生于HAZ靠近熔合线 处，沿A晶间开裂，长度和深度在一个到几 个晶粒范围内，常小于0.5mm，大多不超过 1mm。 液化裂纹常为冷裂纹的裂纹源。
在焊接生产中由于钢种和结构类 型的不同，可能出现各种裂纹。裂纹 的形态和分布很复杂，有焊缝的表面 裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向 裂纹、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的 深埋裂纹，也有在弧坑处出现的所谓 弧坑裂纹。
按照裂纹产生的本质，可以将焊 接裂纹分为五大类。
• • • • •
热裂纹 再热裂纹 冷裂纹 层状撕裂 应力腐蚀破裂
在焊缝金属凝固的过程中，低熔点共 晶被排挤在晶界上形成一种所谓“液态薄 膜” 。在焊缝金属结晶的过程中，由于 收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液 态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作 用下就有可能产生开裂而形成结晶裂纹。
• •
拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件； 液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因； 当液态薄膜的数量超过一定的界限之后， 反而具有“愈合”裂纹的作用。也就是说，低 熔共晶数量较多时，反而不产生裂纹，它可以 自由流动，填充有缝隙的部位。 例如，焊接某些高强铝合金时，为了防止 热裂纹，常采用含硅5%的铝硅合金焊丝，就 是利用低熔共晶的“愈合”作用来消除裂纹的。
结晶裂纹只有在一定的温度区间内 才会产生，该温度区间称 脆性温度区间
• 当熔池开始结晶时，有较多的液态金属， 它们可以在晶粒间自由流动，此时虽然 有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及 时地被流动着的液态金属填满，因此不 会产生裂纹。
• 当熔池结晶进入到固液阶段时，由 于液态金属少（主要是那些低熔点 共晶），温度较低流动性变差，无 法填充在拉伸应力作用下产生的缝 隙，因而易产生裂纹，这个区称为 “脆性温度区”。 • 熔池金属完全凝固之后形成的焊缝， 受到拉伸应力时，表现出有较好的 强度和塑性，不易产生开裂。
•碳
碳是钢中影响结晶裂纹的主要元素， 并能加剧其它元素的有害作用，因而常采用 碳当量作为评价钢种焊接性的尺度。
碳在钢中的含量大于0.17%（包晶点） 时，随含碳量的增加，结晶温度区间是增加 的，因而增大了结晶裂纹的敏感性。此外， 当含碳量大于0.17%时，磷的有害作用显著， 故也增大了结晶裂纹的倾向。
• 硫和磷
S、P在钢中能形成多种低熔共晶， 使结晶过程中极易形成液态薄膜，因而几 乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向。 S和源自文库在钢中还是一种极易形成偏析的元 素，几乎对各种焊接裂纹都比较敏感，因 而，用于焊接结构的钢材都要对硫磷严格 控制。近年来出现的细晶粒钢和控轧钢， 都具有较高的抗裂性能，因为这些钢中的 含硫、磷和碳都很低。
虽然合金状态图的类型各有不同，但对产生 结晶裂纹的倾向却都有共同的规律，即裂纹 倾向随结晶温度区间（即脆性温度区）的增 加而增大 。
b) 合金元素
合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂， 但又非常重要，是影响裂纹的最本质 的因素。应当指出，多种元素的相互 影响，往往比单一元素复杂的多，有 时甚至是彼此矛盾的。这里仅就碳钢 和低合金钢中合金元素对结晶裂纹的 影响作一概括介绍。
一些重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂， 以有效地控制有害杂质，防止结晶裂纹。
• 改善焊缝组织、细化晶粒
向焊缝中加入细化晶粒的元素，如Mo、V、 Ti、Nb、Al、稀土等。在焊接奥氏体不锈钢时， 为了提高抗裂性、抗腐蚀性，希望得到δ+A双 相焊缝组织（δ相控制在5%左右）。
焊接某些结晶裂倾向较大的材料（如高强 铝合金）时，特意增多焊缝中易熔共晶的数量， 使之具有“愈合”裂纹的作用，也是防止结晶 裂纹的有效方法。
焊接裂纹
随着各种HSLA钢，中、高合金 钢，以及各种合金材料的广泛应用， 在焊接生产上带来了许多新的问题， 其中较为普遍而又十分重要的是焊 接裂纹。
焊接裂纹不仅给生产带来许多 困难，而且可能带来灾难性的事故。
据统计，世界上焊接结构所 出现的各种事故中，除少数是由 于设计不当、选材不合理和运行 操作上的问题外，绝大多数是由 裂纹而引起的脆性破坏。 因此，裂纹是引起焊接结构 破坏的主要原因。
锰具有脱硫的作用，同时也能改善硫化物的 分布状态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而 提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的热裂纹， 随着钢中含碳量的增加，要相应增加Mn/S 的比 值。
wC≥0.1%，Mn/S≥22 wC%（0.11,0.125），Mn/S≥30 wC%（0.126,0.165），Mn/S≥59 当含碳量超过包晶点后，因P的作用超过了S， 故再增加Mn无意义。
H: 0.10%
J: 0.17% B: 0.53%
δ
A
δ相和A相中硫、磷的最大溶解度是不同的。
硫和磷在钢中的溶解度
元素最大溶解度 %
硫 磷
δ 0.18 2.8
A 0.05 0.25
随着含碳量的增加，初生相由δ相转为A 相，硫和磷的溶解度降低，析出的硫、磷会 富集于晶界上，从而增加裂纹倾向。
•
锰
c) 焊缝的组织形态
焊缝结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出 的初生相等对抗裂纹都有很大的影响。
晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生热裂 纹的倾向就越大。在焊缝及母材中加入一些可以细化 晶粒的合金元素（如Ti、Mo、V、Nb、Al及Re等）， 一方面可以破坏液态薄膜的连续性，另一方面还可以 打乱柱状晶的方向。 焊接奥氏体不锈钢时，希望得到δ+A双相焊缝组 织，因为焊缝中有少量δ相可以细化晶粒，还打乱了 奥氏体粗大柱状晶的方向性，所以能够提高焊缝的抗 裂性。
4.2.3 多边化裂纹
焊缝或近缝区在固相线温度以下的高 温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格 缺陷和严重的物理和化学不均匀性，在一 定温度和应力作用下，因晶格缺陷的移动 和聚集，便形成了二次边界（多边化边 界），在此边界上堆积了大量的晶格缺陷、 组织疏松，高温时强度和塑性都很低，只 要此时受少许拉伸变形，就会沿多边化的 边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温低 塑性裂纹。
多边化裂纹是热裂纹的一种，它 的产生与液态薄膜无关，是由于晶格 缺陷的存在使金属在高温下塑性低 （失塑），在应力作用下产生的。