45#钢管焊接热裂纹产生的原因及对策

赵志强

摘 要： 45#钢总体来说焊接性不算好，若焊材的选择不当或工艺处理不当都会导致焊接热裂纹的出现，热裂纹的产生主要与焊材或母材中碳、硫、磷含量过高有关，为避免热裂纹的出现，必须减少碳、硫、磷溶入焊缝，采用抗裂性好碱性焊条焊接或TIG。

关键词：45#钢 热裂纹 原因 对策

1.引言

为了进一步与企业产品接轨，学校购进一批5mm厚，管径为114mm，材质为45#钢的钢管，同时也购了几箱E4303焊条，对学生进行水平固定管焊的实习，但是在实习过程中却出现了裂纹的现象，裂纹集中出现在打底层焊道的母材与焊缝的结合位置，特别是未填满的弧坑处。熄弧后，稍微冷却即可看到弧坑处有裂纹产生，清除熔渣，露出焊缝外表面的裂纹断面有明显的氧化色彩。据此我们判断裂纹是焊缝处于较高温度时产生的，属于热裂纹。它是焊接接头中最危险的焊接缺陷，其危害性极大，解决这个问题，对于企业的液压件产品的焊接有重要的意义。

2.热裂纹产生的原因分析

2.1理论分析

从金属材料断裂理论可知，焊接热裂纹具有高温沿晶断裂的性质，发生高温沿晶断裂的条件是：在高温阶段晶间延性或塑性变形能力δmin不足以承受焊缝金属凝固和高温冷却过程积累的应变量ε，即ε≥δmim时产生的。对于碳钢来说产生热裂纹都与焊缝金属中低熔点共晶体形成的液膜有关，焊接接头随着结晶过程温度下降，累积应变也开始产生，并随着温度下降而增大，此时晶间残存的液膜强度很低，使应变集中，同时其变形能力又很差，因而固液区间塑性很低，当应变量ε>δmim时，即会有热裂纹产生。而晶间液膜的产生与焊缝中存在较多杂质元素硫、磷和含碳量较高有着直接的关系。为此，我们对母材及焊材进行了化学成分分析。

2.1.1母材及焊材的化学成分进行分析

（1）母材：45#钢管的化学成分及焊接性分析

C：0.46%、Si：0.27%、Mn：0.65%、S：0.035%、P：0.035%、Gr：0.25%、Ni：0.2545%

国际焊接协会推荐的估算碳钢和低合金钢的碳当量公式：CE =C+Mn6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15（%），45#钢的CE=（0.46+0.656+0.255+0.254515）% = 0.8626%

根据经验：CE=0.8626% > 0.6%时，淬硬倾向更强，属于较难焊的材料，需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施。

（2）焊材：焊条的成分分析

焊芯：C 为0.20%、S为0.049%、P为0.045%；药皮：C为0.58%、S为0.20%、P为0.43%。

2.1.2 小结

钢管中含碳量较高、硫、磷略高；焊条焊芯的硫、磷含量偏高，且含碳量也明显偏高；据此我们判断焊条选用不当，焊条中碳、硫、磷含量过高是产生热裂纹的原因之一。

2.1.3 造成焊缝热裂纹原因

碳、硫、磷元素过高，溶入焊缝而造成焊缝热裂纹原因如下：

（1）45#钢属于中碳钢，含碳量较高，液-固相区间大，偏析较严重，增大了焊缝金属的结晶温度区间，产生裂纹倾向增大。碳钢中影响结晶裂纹的主要元素是C、S、P。因为结晶温度区间△Tf与熔质元素含量Xo有下列關系：△Tf =rf·w（Xo），熔质（rf）系数：C为322、S为295、P为121.1；可以看出，C、S、P的rf数值都很高，含量很低时就使得△Tf增加。（2）S、P极易产生偏析，并形成低熔点共晶体。（3）含碳量较高，加剧了硫、磷的有害作用。另外，热裂纹的产生也与积累应变量大小有直接的关系，焊接结构刚性过大和焊接接头冷却速度过快都会促使应变量增大，从而增加热裂纹的倾向。

2.2 工艺分析：（1）发现坡口角度过小，坡口面角度只有25°左右，这样会造成、焊缝成形系数小，使低熔点共晶体聚集在焊缝的中间。（2）定位焊缝的尺寸主要是指焊缝过长，厚度太厚，对正式焊缝的收缩约束力过大，使焊缝的残余应力过大从而促使热裂纹的产生。（3）根部间隙的预留太大，达到了4.0mm-4.5 mm，使收缩应力过大促使焊缝热裂纹的产生。（4）焊接电流达到了115A-120 A，电流过大，焊件熔入焊缝金属较多，使焊缝中含碳量增加。（5）没有采用抗裂性较好的碱性焊条。（6）焊前没有对焊件进行彻底的清理。（7）没有采取焊后保温缓冷。

3. 实验方案

3.1 实验方案（一）：采用碱性焊条打底

3.1.1 实验过程 ：（1）采用碱性焊条焊接，并且焊条进行350-400℃的烘干并保温2h，以增强对焊缝金属的脱磷脱硫能力。（2）坡口面角度为30°，增加熔合比，减少焊件熔入量。（3）用手砂轮将坡口面上的氧化皮及坡口两侧的油、锈、污物清理掉，直至露出金属光泽。（5）对母材预热100℃-150℃，并保持层间温度不低于200-250℃；焊后保温缓冷。（6）整个打底层的过程中不要间断，前半圈焊完后迅速将接头修磨成斜坡状随后开始完成后半圈。（7）焊接工艺参数不宜过大，尽量采用小电流、以减小焊件熔入焊缝金属中比例（减小熔合比），熄弧时，填满弧坑，并回焊熄弧以防止弧坑裂纹的出现。（8）制定焊接工艺规程：焊条：E5015 φ3.2； 焊丝：H08Mn2SiA φ1.2； 坡口角度：α=60°±5，P=0～1mm b=3.2～3.5mm； 焊接方法：打底层用焊条电弧焊； 盖面层用二氧化碳气体保护焊； 焊接电源：手弧焊采用ZX7-400 型焊机（直流反接），二氧化碳气体保护焊采用YD-500型焊机； 焊接参数：打底层为100—105 A，盖面层为110-115 A，电弧电压为18-19 V。

3.1.2.实验结果分析：通过采取以上工艺措施和按照以上工艺规程，进行焊接后，经外观检验后没有发现热裂纹的产生，经X射线探伤后除了有几个点状夹渣、条状夹渣外没有发现其它缺陷。

3.2.实验方案（二）：采用TIG焊打底

3.2.1.实验过程：焊前准备：⑴焊机： 型号为ZX7-315⑵焊材：焊丝H08Mn⑶喷嘴直径：8号喷嘴⑷保护气：采用纯氩气且纯度大于99.5%⑸钨极：采用铈钨极，直径为2.5mm

TIG焊接工艺：⑴极性采用直流正极性⑵氩气流量为：8-10L/min⑶钨极修磨：锥角=30°⑷焊接电流：95-100A⑸钨极的伸出长度：2-3mm ⑹送丝方法：点状断续送丝法 ⑺焊接的清理及保温、缓冷同手弧焊。

3.2.2.结果分析：焊后进行外观及经X射线探伤后没有任何缺陷。

4.结论

通过以上两种方案打底层都避免了焊接热裂纹的出现，当到外地售后服务时，如果没有氩弧焊设备可采用碱性焊条焊接；在企业生产可采用氩弧焊打底，可有效的防止油缸漏油，降低返修率，同时为了提高生产率采可采用气保焊进行盖面。

参考文献：

[1]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.机械工业出版社，2000.5.

[2]邱葭菲.焊工工艺学.中国劳动社会保障出版社出版，2005.6.