我国高强度船体结构钢材使用探讨

摘 要：论文介绍了焊接裂纹的危害性，对焊接裂纹进行了分类并分析了一般特征。针对高强度船体结构钢厚板焊接过程中容易产生的热裂纹和冷裂纹进行了详细分析，分别从裂纹的特征、种类、尤其是其形成机理和影响因素等各个方面进行了深入的研究和阐述。

关键词：焊接裂纹 度船体结构

焊接裂纹的形成和预防

焊接裂纹分类及其一般特征

在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹。裂纹的形态和分布特征都是很复杂的，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区（HAZ）的横向、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（火口）裂纹。

值得注意的是，裂纹有时出现在焊接过程中，也有时出现在放置或运行过程中，即所谓延迟裂纹。因为这种裂纹在生产中无法检测，所以这种裂纹的危害性就更为严重。总而言之，焊接生产中所遇到的裂纹有多种多样，远非上述所能概括。但就目前的研究，如果按产生裂纹的本质来分，大体上可分为以下四大类：

（1）热裂纹（2）再热裂纹（3）冷裂纹（4）层状撕裂

焊接热裂纹

热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，从一般常用的低碳钢、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。

结晶裂纹的形成机理

结晶裂纹的这种分布，说明焊缝在结晶过程中晶界是个薄弱地带。从金属结晶学理论可以知道，先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，例如，当碳钢或低合金钢的焊缝含硫量偏高时，能形成FeS，并与铁发生作用而形成熔点只有988℃低熔点共晶。

在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此时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在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。

总括以上，产生结晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。

焊缝是否产生结晶裂纹主要决定于以下三个方面：

（1）脆性温度区TB的大小（2）在脆性温度区内金属的塑性（3）在脆性温度区内的应变增长率

以上三方面是相互联系和相互影响，但又相对独立。例如脆性温度区的大小和金属在脆性温度区内的塑性主要决定于冶金因素（化学成分、结晶条件、偏析程度、晶粒的大小和方向等）；而应变增长率主要决定于力的因素（被焊金属的热物理性质、焊件的刚度、焊接工艺和温度场的分布等）。

至于近缝区的结晶裂纹，原则上与焊缝结晶裂纹的机理是一致的，但也稍有区别。近年来在这方面己作了很多研究，形成了热裂纹的另一分支，即液化裂纹。

结晶裂纹的影响因素

从现象来看，影响结晶裂纹的因素很多，但从本质来看，主要可归纳为两方面，即冶金因素和力的因素。

各合金元素对铁结晶温度区间的影响

在船用高強度钢上的体现也尤其明显，通常在其化学成份也都添加了A1， Nb，V等能细化晶粒的合金元素，以降低结晶裂纹的敏感性，而且还对其添加量作了规定，如钢中Nb的含量应在0.02%至0.05%之间而V的含量则在0.05%至0.10%之间。从而通过细化晶粒来减少裂纹的倾向。

力学因素对产生结晶裂纹的影响

从上面冶金因素的讨论中可以知道，焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的范围宽是产生结晶裂纹的主要原因，这种条件虽很必要，但不充分。那么产生结晶裂纹的充分条件是什么呢？那就是必须要有力的作用。即“焊接时脆性温度区内金属的强度δm要小于脆性温度区内金属所承受的拉伸应力δo，即δm<δo”。

焊接冷裂纹

冷裂纹的一般特征

高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，Ms点附近或更近的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生具有缺口效应的焊接影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径，有时沿晶界扩展，有时穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织和应力状态，以及氢的含量等而定。这一点不像热裂纹那样，都是沿晶开裂，而是具有沿晶和穿晶的混合形态。

冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间（几小时，几天、甚至更长）才出现。开始少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是冷裂纹中比较普遍的一种形态。

由于延迟裂纹不是在焊后立即可以发现，需延迟一段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害性就更为严重。

冷裂纹主要发生在高、中碳钢、低、中合金高强钢的焊接的热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钦及钦合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中，

冷裂纹的种类

在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，结构的类型、刚度，以及施工的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹，这方面在前面的分类中已作了介绍。然而在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹，因此本节重点讨论低合金高强钢的延迟裂纹问题。

延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下三种：

（1）焊趾裂纹（2）焊道下裂纹（3）根部裂纹

以上是焊接生产中经常遇到的三种不同形态的延迟裂纹。当然，实际生产中远不止上述三种，例如某超高强钢筒形容器焊接后，在焊缝和母材均出现许多横向和纵向微裂纹，它们也具有延迟裂纹的特征，经过一定时间之后，有的已扩展为宏观裂纹。又如，15MnV钢多层焊压力容器，焊接时由于预热温度不足和没有及时进行焊后热处理，在焊缝的层面出现许多横向微裂纹，也是具有延迟的特征，应属延迟裂纹的一科，。

焊接冷裂纹的机理

大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。

以上就是淬硬倾向对产生冷裂的作用。为了识别淬硬的程度，常以硬度作为标志，所以在焊接方面常用热影响区的最高硬度Hmax作为评定某些高强钢的淬硬倾向。它既反映了马氏体含量和形态的影响，也反映了位错密度的影响，所以用硬度来衡量淬硬倾向是正确的。

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虞俊（1970.11-）.男， 汉，上海， 本科 二级实习指导教师 船舶焊接， 江南造船集团职业技术学校