金属焊接热裂纹的形成机理及防止措施

龚东涛

【摘 要】 金属焊接是工业生产的重要方式之一。在金属焊接过程中，有时会产生缺陷，会破坏产品的安全性和美观性。金属焊接中出现的常见缺陷就是裂纹。裂纹主要分为两种，一种是热裂纹，另一种是冷裂纹。本文主要讲述金属焊接过程中产生热裂纹的原因及其有效防止措施。

【关键词】 金属焊接 热裂纹 形成机理 防止措施

焊接技术在工业中已被广泛应用。作为工业中的重要技术之一的焊接技术的益处是：降低成本、提高生产率、可制造结构复杂的产品，产品的质量好。随着金属焊接技术的广泛应用，在工作中出现的问题也随之而来，即生产中容易产生焊接裂纹。焊接裂纹分为多种：一种是冷裂纹，一种是热裂纹，还有一种是再热裂纹。焊接中出现热裂纹是一种常见的焊接缺陷，还需要进一步研究、探讨其产生的原因。

1 焊接裂纹

1.1 热裂纹的概念及产生原因

热裂纹，又称高温裂纹。通常产生在焊缝金属和焊热影响区，也有可能产生在焊接熔合线的附近，它是一种温度在300摄氏度范围内产生的沿晶裂纹。热裂纹主要存在于焊缝或热影响区。热烈纹的特点是：裂口处有氧化现象，裂纹呈纵向分布并且在尾部呈圆形。

1.2 热裂纹的分类及形成原因

热裂纹也分为多种，其按照产生机理、形态等的不同可分为四种。凝固裂纹，是一种结晶裂纹，它产生于焊缝凝固过程快完成时期的区间。它是由于冷却不均匀后的拉伸变形，在边界形成开裂，其表面有氧化现象；液化裂纹的产生原因：金属材料中含有的低熔点杂质过多和加热过程中一些金属化合物扩散慢，导致局部晶界液化；多边化裂纹形成的原因是：由于受热不均匀，使结晶的排列成亚晶界。当与杂质相遇时，就会形成多边化裂纹；失塑裂纹形成的原因是：它的形成机制与裂纹形态不同，它是由于在热循环的作用下使塑性降低，形成失塑裂纹，它一般发生在焊接接头中。

1.3 热裂纹的防止措施

凝固裂纹的防止措施：调整母材中所包含的合金成分、细化晶粒、控制低熔点共晶杂质元素的含量、提高温度区间的塑性、在设计中减少温度区间的拉伸变量。

液化裂纹的防止措施：控制母材金属的杂质含量、选用合理的焊接材料、规范焊接工艺、控制温度和平衡性、控制拉伸力。

多边化裂纹的防止措施：加入可以提高多边化的激活能合金元素。例如钨、铝等金属元素；减少焊接应力、控制温度。

失塑裂纹的防止措施：精炼母材金属、控制有害杂质的元素、控制温度防止塑性降低、选用对热裂纹不敏感的材料。

2 14CrNi4MoV（中碳调质钢）

2.1 14CrNi4MoV钢焊接中产生结晶裂纹

14CrNi4MoV钢中以Cr为主要元素，它可以提高回火的稳定性、强度和塑性。即使如此，在焊接过程中还是不免产生裂纹。

2.1.1 结晶裂纹形成机理

结晶裂纹的形成一般是由于结晶温度区间后期抗皱能力减弱和拉伸应力的下降、变形能力差、塑性减低造成的。合金元素、杂质元素含量、应变率增长、有害杂质等都是影响结晶裂纹生成的因素。焊缝金属在凝固过程中会形成薄膜，而这种液态薄膜的强度和塑性都很低所以在拉应力的作用下就会形成断裂。形成裂纹后，裂纹会随着温度区间而变化，裂纹就会增大。

2.1.2 结晶裂纹的形成条件

14CrNi4MoV钢在焊缝中结晶裂纹形成的条件有许多。由于焊缝凝固后期有液态薄膜，而且受到拉应力作用，所以当拉伸应变增大、变形能力减小、温度低等因素都会有裂纹倾向。

2.1.3 结晶裂纹的防止措施

结晶裂纹是焊接中的缺陷。对于它的防止措施有两大方面，一方面是从冶金方面，一方面是从工艺方面。从冶金方面来说：（1）严格按照国家的标准用料，因为材料质量的好坏是焊接的关键；（2）控制母材有害元素含量，控制好有害元素可以加强塑性、降低腐蚀性；（3）提高抗结晶裂纹能力，可以防止减小裂纹程度或出现裂纹；（4）提高熔渣的碱度，可以提高焊缝的脱氧或脱硫。从工艺方面来说：（1）提高抗裂能力参数；（2）延长冷却时间；（3）降低接头刚性。这些都是防止出现结晶裂纹的方法。

2.2 14CrNi4MoV钢焊接中产生液化裂纹

2.2.1 液化裂纹的形成原因

14CrNi4MoV钢焊接中产生的液化裂纹属于高温裂纹。它形成的温度要比结晶裂纹略低，一般出现在低合钢中。液化裂纹出现在焊缝熔合线（焊缝的凹处）和层间的热区，它的形成与母材等因素相关。

2.2.2 液化裂纹的防止措施

在焊接中出现液化裂纹是一大缺陷，对于它的防止措施有：（1）选用对液化裂纹不敏感的母材。例如，含有Mn元素较高的母材；（2）将焊丝倾斜，减少焊缝的凹度；（3）提高母材的纯度，以此来降低线能量。

2.3 14CrNi4MoV钢焊接中产生消除应力裂纹

2.3.1 消除应力裂纹的产生及特点

消除应力裂纹是在焊后加热条件下的温度区间、融合区附近的粗晶区、焊缝中、应力集中的地区等部位产生的一种裂纹。不同的材料产生的消除应力裂纹的温度不同。

2.3.2 防止消除应力裂纹的措施

在焊接中出现应力裂纹是一大缺点，对于它的防止措施有：（1）选用对消除应力裂纹不敏感的母材；（2）控制材料的杂质；（3）采用强度低、塑性高的焊接材料；（4）改进接头的形式，控制焊接残余应力。就工艺方面来说：（1）要进行预热，温度在200～450摄氏度左右的效果最好，也可以适当提高；（2）进行后热，与预热效果一样，它还可以降低预热温度。

3 结语

金属在焊接过程中往往会产生各种焊接缺陷，最重要的缺陷之一就是焊接裂纹。相信随着学者们对金属焊接技术的研究、探讨，焊接裂纹的问题也会被随之改善，它的发展会越来越好。

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