顾及金属低熔点的焊接裂纹形成分析及处理办法

郭石宇 火箭军士官学校

一、引言

焊接过程中存在破坏性应力和致脆性因素，焊接接触点部位的金属原子结构在被破坏后而形成的新的金属构成面而产生的不连续，称为焊接裂纹。一般情况下，这种不连续具有缺口尖锐、长宽比不均衡的显著特点。不连续接触面根据形成的原因，分为结晶裂纹、液化裂纹、冷裂纹、消除应力裂纹和层状撕裂几种，前两者为最为典型的裂纹结构。本文以这两种焊接裂纹为研究对象，重点考虑金属的低熔点所引起的一系列的不良因素，对两种裂纹的焊接方法、焊接环境、形成原因、处理方法进行分析，为进一步提高焊接水平，避免不良的焊接缺陷提供理论基础。

二、不连续接触面的形成原因

焊接过程中，由于电流和焊接速度的操作不当，焊接所产生的热量会影响金属的冷却，而在固相线附近的部位温度则更高，这里产生的裂纹一般被称之为热裂纹。此外，焊接接触面在金属进行结晶的过程中，由于受固相线温度的影响，金属受冷却凝固的作用，加之金属的液态补充不及时，使得接触面言结晶界限开裂，所以称之为凝固裂纹。

（一）结晶裂纹形成原因

金属接触面在结晶过程中，需要连接部位具有低温的环境，温度的高低将直接影响焊接面的结晶质量。但是，由于结晶的形成物理过程属于动态的过程，先结晶的金属面纯度较高，而后期成型的结晶体则纯度较低，且伴随较多金属杂质，受物理作用富集于接触面的周围。杂质不同于焊接金属，其一般具有较低的熔点，由于受低温凝固的作用，这些杂质形成共晶附着在接触面，显现为一种液态薄膜，在焊接应力的物理拉扯下，就会向接触面的薄弱部位运动，进而形成结晶裂纹。因此，结晶裂纹多为纵向裂纹。

（二）焊接冷裂纹形成原因

焊接时，由于焊接操作不当，或者焊接的器件存在物理缺口，甚至是器件的物理表面分布不均匀，在接触面进行冷却时多会产生冷却性裂纹，简称冷裂纹。冷裂纹一般在焊接完成后就会出现，但考虑金属的不同结构，也可能会推迟数小时、数周或者更长的时间才会出现。金属母材和焊接接触面的的熔合线多为冷裂纹产生的集聚地，并且接触面的裂纹由于冷却的原因，多为断口发亮的状态，显现为穿晶裂纹。

三、不连续面的处理办法

（一）结晶裂纹的处理办法

首先，应该控制缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量。根据焊接有关标准，焊接母材和材料的杂质含量都有相应的数字标准，若超过此标准，焊接杂质就会进一步影响焊接质量，焊接裂纹的出现几率也会增大；其次，改善焊缝凝固结晶，应向焊接缝隙中加入高质量的细化元素，但必须严格施工标准执行，如Mo、V、Ti、Nb、Al、Zr、稀土等；最后，在焊接流程上进一步规范，在参数的选择、接触面的形成、焊接的准备工作上充分考虑裂纹的因素。同时，要对焊接缝隙的成形系数和次序进行调整，着力调整焊接缝隙的形状，避免使得柱状晶的成长形成脆弱的接触面，使得裂纹倾向增大。焊接次序应进行合理的选择，进一步减少焊接应力或分散应力，使焊缝能在较小刚度的条件下焊接，减少裂纹倾向。

（二）冷裂纹的处理办法

冷裂纹的处理方法较为传统，一般从焊接准备、焊接工艺、焊接材料、焊接流程和后处理上进行综合考虑。首先，考虑焊前预热和焊后冷却方法对裂纹的影响，使用焊前预热对焊件进行总体加热，也可以对焊接缝隙周边部位进行局部加热。焊后缓慢冷却是降低裂纹产生的又一方法，一般采用包扎绝热材料的方法，降低焊接热影响区的硬度和脆性，提高焊接材料的可塑造性，并进一步加速接触部位的氢向外流通；其次，焊接材料选择上应着重考虑，要进一步减少氢气的进入，不锈钢不失为焊丝和焊条芯材料较为优质的选择之一。在焊接过程中，不锈钢的塑造性较好，使得因马氏体所产生的应力得到抵消。加之不锈钢的材料的特点，使得氢的溶解度较高，流通的速度较为缓慢，使氢不易向热影响区扩散和聚集；最后，采用科学的工艺参数，适当减慢焊接速度，可使焊接接头的冷却速度慢些。过高的焊接速度易产生淬火组织。过低的焊接速度使热影响区严重过热，晶粒粗大，热影响区的淬火区加宽，两者都将促使冷裂纹的产生。因此，工艺参数应选得合理。同时，要适当对焊接的方向和流程进行调整，焊件在焊后及时进行热处理，如进行高温回火，也可改善接头的组织和性能，减少焊接应力。

四、结束语

本文基于金属低熔点的物理特性，进一步分析了常见的焊接裂纹的产生原因、形成过程及物理特点。考虑焊接过程中存在的操作流程、技术工艺、材料选择的具体影响，根据以上几个方面的处理办法，进一步给出处理办法。