高强度钢结构焊接裂纹浅析

李学成

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

高强度钢结构焊接裂纹浅析

Analysis of high-strength steel welding crack

李学成

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

低合金高强度钢在产品中应用越来越广泛，特别是焊接结构。本文重点论述低合金钢焊接结构的裂纹产生及预防措施。

焊接；低合金高强度钢；裂纹；预防措施

低合金高强度结构钢是含碳量Wc≤0.20%的碳素结构钢基础上，并加入少量的合金元素。如钒、铌、钛、铝和稀土（RE）等微量元素。其基本牌号有Q295，Q345，Q390，Q420，Q46等钢级表示。另外，此类钢中还含有铬、镍、铜等耐腐蚀元素。同碳素结构钢比，具有强度高、综合性能好、应用范围广、经济性良好等优点，同时具有良好的焊接性能、冷变形加工性能和一定的耐腐蚀性。该钢被广泛用于桥梁、压力容器、汽车制造、石油化工、海洋工程、航空航天及核能工业中。

我国的低合金高强度钢在开发和应用上引进和消化国外先进技术的基础，发展更为迅速，并受到世人的瞩目。但低合金高强钢在焊接结构上，还存在有一定的焊接缺陷，特别是焊接裂纹影响最大。

1 低合金高强钢的焊接裂纹分析

1.1 焊接裂纹及危害

焊接裂纹，是焊接结构中最常见的一种严重缺陷，是一种非常危险的工艺缺陷。焊接裂纹不仅发生于焊接过程中，有的还有一定的潜伏期。

裂纹不仅给结构带来应力集中，消弱结构的承载能力。而且使用后期可能成为各种断裂的断裂源，造成设备的低应力断裂，影响其安全使用。裂纹按其形成的条件，可分为热裂纹、冷裂纹、层状裂纹和再热裂纹。

1.2 裂纹产生原因

（1）热裂纹。杂质元素及硫化夹杂物等在结晶过程中会形成低熔点共晶体，结晶时被挤到晶界上，凝固收缩时，焊缝在拉应力作用下形成热裂纹。高温下形成，有氧化色彩；但有时也能在低于固相线的温度下产生。热裂纹通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属内，焊后立即产生。低熔点共晶体是产生结晶裂纹的内因，焊接拉应力是产生结晶裂纹的外因。

（2）冷裂纹。焊接接头冷却到马氏体转变点附近或在300 ℃以下的裂纹。随着钢材强度的提高，或碳当量大于0.40%钢，淬硬程度增加，裂纹出现倾向也增强。主要产生在热影响区以及焊缝金属内，裂纹走向为沿晶或穿晶，严重时造成整个结构断裂。最常见的是延迟裂纹，延迟时间不定，由几分钟到几年不等，不易检测，因此冷裂纹是焊接结构最危险的裂纹形式。形成的主要因素有:①金属材料的含氢量偏高，结晶过程中氢向热影响区扩散、聚集；②冷却速度过快，得到马氏体淬硬组织；③强行装配、焊接顺序不合理形成残余应力。

（3）层状裂纹。主要产生于厚板角焊缝，主要接头形式为T型接头、角接头等。其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向在焊接应力，所以引起层状撕裂，且难以修复。

（4）再热裂纹。焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹称为再热裂纹。再热裂纹通常发生在熔合线附近的粗晶区中，从焊趾部位开始，延向细晶区停止。

①低熔点杂质及锡、铅等微量元素偏析于晶界处，重新加热出现熔化。②钢中铬、钼、钒、铌、钛等元素形成了金属化合物强化了晶内，而使晶界承载了更大的应力，会促使形成再热裂纹。③与加热速度和加热时间有关，不同的钢种存在不同的易产生再热裂纹的敏感温度范围。

2 裂纹的预防措施

2.1 冷裂纹的预防措施

（1）结构设计，选择拘束小的接头形式。

（2）坡口制备，严格按照WPS要求，控制坡口尺寸及组装。冷却速度很快，容易产生裂纹。

（3）焊前预热，温度比较低及厚板环境下，预热是必须的。还要严格控制预热温度，层间温度；焊后立即进行保温缓冷或后热，降低冷却速度，加速氢的扩散逸出。

（4）焊材匹配，尽量选择低氢型焊材；严格进行烘烤。

（5）选择低氢型的焊接方法和工艺。

（6）选择合理的焊接规范，减慢焊接接头的冷却速度改善焊缝及热影响区淬硬组织状态；选择合理的焊接顺序，减小焊接内应力。

（7）焊后热处理，以消除内应力，改善其韧性；进行消氢处理。

2.2 热裂纹的预防措施

（1）设计均布焊缝，满足强度要求时，减少焊缝数量和密集程度，从而减小焊接应力。

（2）严格控制热输入量。

（3）焊缝金属化学成分，限制钢材易偏析的元素和有害杂质的量，特别应控制硫、磷的含量和降低含碳量，碳＜0.15%，硫＜0.045%，磷＜0.055%。

（4）焊接材料，焊芯的碳＜0.10%，硫＜0.03%，磷＜0.03%，焊接高合金钢时更应严格控制。焊条或焊剂尽量选择碱性，提高脱硫、脱磷的能力。

（5）采用多焊道方法，改善焊缝组织，细化焊缝品粒，以提高其塑性，减少或分散偏析程度，控制低熔点共晶体的有害影响。

（6）合理安排焊接次序，使焊缝尽可能在较小的刚度下焊接，使各焊缝能焊自由收缩。

（7）焊前预热和焊后缓冷。

2.3 层状裂纹的预防措施

（1）设计上避免应力集中（尽量不采用T型接头等）；避免单侧焊缝，改为双侧焊缝；满足强度的基础上减少焊缝尺寸。

（2）选用具有抗层状撕裂的钢材，降低钢中的硫、氧、硅及夹杂物的含量。

（3）严格控制零件下料尺寸，尽量做到装配侧平整平齐。下料时考虑钢板的轧制方向。

（4）降低焊缝含氢量，提高预热温度，控制层间温度。

（5）预堆焊层，在横板上焊一层低强度的熔敷金属，提高熔敷金属的塑性。

2.4 再热裂纹的预防措施

（1）预热。若焊后能及时后热，可适当降低预热温度。

（2）选用合适的焊接材料，提高金属在消除应力热处理温度时的塑性，以提高承担松弛应变的能力。

（3）减少焊接应力，合理地安排焊接顺序，减少余高，避免咬边及根部未焊透等缺陷以减少焊接应力。

（4）采用正确的热处理规范和工艺，严格控制在敏感温度的停留时间及尽可能加快升温速度。尽量不在热敏感区长时间停留。

（5）减小热影响区的过热倾向，细化奥氏体晶粒。

3 结论

本文论述了高强度结构钢中焊接时存在的各种裂纹形式、产生的原因及预防措施。可以指导实际生产制定详细的工艺规程，有助于焊接作业的安全生产，有助于提高产品焊接质量。

[1] 焊接手册[M]. 机械工业出版社，2008.

[2] GB/T1591—2008. 低合金高强度结构钢.

[3] 陈裕川. 焊接工艺设计与实例分析[M]. 机械工业出版社，2009.11.

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.017

李学成（1968-），男 ，高级工程师，主要从事金属材料、焊接技术教学及科研工作。

2015-11-10