顧及金屬低熔點的焊接裂紋形成分析及處理辦法

郭石宇 火箭軍士官學校

一、引言

焊接過程中存在破壞性應力和致脆性因素，焊接接觸點部位的金屬原子結構在被破壞后而形成的新的金屬構成面而產(chǎn)生的不連續(xù)，稱為焊接裂紋。一般情況下，這種不連續(xù)具有缺口尖銳、長寬比不均衡的顯著特點。不連續(xù)接觸面根據(jù)形成的原因，分為結晶裂紋、液化裂紋、冷裂紋、消除應力裂紋和層狀撕裂幾種，前兩者為最為典型的裂紋結構。本文以這兩種焊接裂紋為研究對象，重點考慮金屬的低熔點所引起的一系列的不良因素，對兩種裂紋的焊接方法、焊接環(huán)境、形成原因、處理方法進行分析，為進一步提高焊接水平，避免不良的焊接缺陷提供理論基礎。

二、不連續(xù)接觸面的形成原因

焊接過程中，由于電流和焊接速度的操作不當，焊接所產(chǎn)生的熱量會影響金屬的冷卻，而在固相線附近的部位溫度則更高，這里產(chǎn)生的裂紋一般被稱之為熱裂紋。此外，焊接接觸面在金屬進行結晶的過程中，由于受固相線溫度的影響，金屬受冷卻凝固的作用，加之金屬的液態(tài)補充不及時，使得接觸面言結晶界限開裂，所以稱之為凝固裂紋。

（一）結晶裂紋形成原因

金屬接觸面在結晶過程中，需要連接部位具有低溫的環(huán)境，溫度的高低將直接影響焊接面的結晶質(zhì)量。但是，由于結晶的形成物理過程屬于動態(tài)的過程，先結晶的金屬面純度較高，而后期成型的結晶體則純度較低，且伴隨較多金屬雜質(zhì)，受物理作用富集于接觸面的周圍。雜質(zhì)不同于焊接金屬，其一般具有較低的熔點，由于受低溫凝固的作用，這些雜質(zhì)形成共晶附著在接觸面，顯現(xiàn)為一種液態(tài)薄膜，在焊接應力的物理拉扯下，就會向接觸面的薄弱部位運動，進而形成結晶裂紋。因此，結晶裂紋多為縱向裂紋。

（二）焊接冷裂紋形成原因

焊接時，由于焊接操作不當，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勻，在接觸面進行冷卻時多會產(chǎn)生冷卻性裂紋，簡稱冷裂紋。冷裂紋一般在焊接完成后就會出現(xiàn)，但考慮金屬的不同結構，也可能會推遲數(shù)小時、數(shù)周或者更長的時間才會出現(xiàn)。金屬母材和焊接接觸面的的熔合線多為冷裂紋產(chǎn)生的集聚地，并且接觸面的裂紋由于冷卻的原因，多為斷口發(fā)亮的狀態(tài)，顯現(xiàn)為穿晶裂紋。

三、不連續(xù)面的處理辦法

（一）結晶裂紋的處理辦法

首先，應該控制縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量。根據(jù)焊接有關標準，焊接母材和材料的雜質(zhì)含量都有相應的數(shù)字標準，若超過此標準，焊接雜質(zhì)就會進一步影響焊接質(zhì)量，焊接裂紋的出現(xiàn)幾率也會增大；其次，改善焊縫凝固結晶，應向焊接縫隙中加入高質(zhì)量的細化元素，但必須嚴格施工標準執(zhí)行，如Mo、V、Ti、Nb、Al、Zr、稀土等；最后，在焊接流程上進一步規(guī)范，在參數(shù)的選擇、接觸面的形成、焊接的準備工作上充分考慮裂紋的因素。同時，要對焊接縫隙的成形系數(shù)和次序進行調(diào)整，著力調(diào)整焊接縫隙的形狀，避免使得柱狀晶的成長形成脆弱的接觸面，使得裂紋傾向增大。焊接次序應進行合理的選擇，進一步減少焊接應力或分散應力，使焊縫能在較小剛度的條件下焊接，減少裂紋傾向。

（二）冷裂紋的處理辦法

冷裂紋的處理方法較為傳統(tǒng)，一般從焊接準備、焊接工藝、焊接材料、焊接流程和后處理上進行綜合考慮。首先，考慮焊前預熱和焊后冷卻方法對裂紋的影響，使用焊前預熱對焊件進行總體加熱，也可以對焊接縫隙周邊部位進行局部加熱。焊后緩慢冷卻是降低裂紋產(chǎn)生的又一方法，一般采用包扎絕熱材料的方法，降低焊接熱影響區(qū)的硬度和脆性，提高焊接材料的可塑造性，并進一步加速接觸部位的氫向外流通；其次，焊接材料選擇上應著重考慮，要進一步減少氫氣的進入，不銹鋼不失為焊絲和焊條芯材料較為優(yōu)質(zhì)的選擇之一。在焊接過程中，不銹鋼的塑造性較好，使得因馬氏體所產(chǎn)生的應力得到抵消。加之不銹鋼的材料的特點，使得氫的溶解度較高，流通的速度較為緩慢，使氫不易向熱影響區(qū)擴散和聚集；最后，采用科學的工藝參數(shù)，適當減慢焊接速度，可使焊接接頭的冷卻速度慢些。過高的焊接速度易產(chǎn)生淬火組織。過低的焊接速度使熱影響區(qū)嚴重過熱，晶粒粗大，熱影響區(qū)的淬火區(qū)加寬，兩者都將促使冷裂紋的產(chǎn)生。因此，工藝參數(shù)應選得合理。同時，要適當對焊接的方向和流程進行調(diào)整，焊件在焊后及時進行熱處理，如進行高溫回火，也可改善接頭的組織和性能，減少焊接應力。

四、結束語

本文基于金屬低熔點的物理特性，進一步分析了常見的焊接裂紋的產(chǎn)生原因、形成過程及物理特點?？紤]焊接過程中存在的操作流程、技術工藝、材料選擇的具體影響，根據(jù)以上幾個方面的處理辦法，進一步給出處理辦法。