焊接科普—焊接缺陷之氫致冷裂紋

1、概述

氫致裂紋也可以稱(chēng)為冷裂或延遲裂紋。這種裂紋最經(jīng)常發(fā)生在鐵素體鋼，通常在焊接時(shí)或焊接結(jié)束后一段時(shí)間產(chǎn)生。

2、特征

根據(jù)以下特征的不同，氫致裂紋通常區(qū)分如下：

——在C-Mn鋼中，裂紋通常起源于熱影響區(qū)（HAZ），但可能延伸到焊縫金屬中（如圖1）。

——裂紋也可能發(fā)生在焊道中，通常垂直于焊接方向（橫向裂紋），與焊縫表面成45°角。它們沿著鋸齒形的擴(kuò)展，但是可能沒(méi)有分支。

——在低合金鋼中，裂紋垂直于焊接方向（橫向裂紋），垂直于焊縫表面，但是是非分支的，并且基本上是平面的。

圖中出現(xiàn)在熱影響區(qū)和焊縫中的氫致裂紋（注意，所顯示的裂紋類(lèi)型不會(huì)在同一焊縫中出現(xiàn)）

焊縫中的開(kāi)口裂紋（在任何熱處理之前），裂紋表面通常不會(huì)氧化，即使它們是露出到表面，它們是在焊縫處于或接近環(huán)境溫度時(shí)形成的。從預(yù)熱或焊接熱的影響可以看出輕微的藍(lán)色。

2.2金相

產(chǎn)生于熱影響區(qū)的裂紋通常與粗晶區(qū)有關(guān)（圖2）。裂紋可以是沿晶、穿晶或兩者的混合。在低合金和高碳鋼中形成的較硬的熱影響區(qū)組織中，晶間裂紋更容易發(fā)生。穿晶裂紋多見(jiàn)于C-Mn鋼結(jié)構(gòu)。

在角焊縫中，熱影響區(qū)的裂紋通常與焊縫根部相關(guān)，并與焊縫平行。在對(duì)接焊縫中，熱影響區(qū)裂紋通常與焊道平行。

圖中熱影響區(qū)中的粗晶組織區(qū)的裂紋

2.3原因

有三種因素共同導(dǎo)致開(kāi)裂：

— 焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣

— 易開(kāi)裂的結(jié)構(gòu)形式

— 作用在焊接接頭上的拉應(yīng)力

開(kāi)裂通常發(fā)生在正常環(huán)境溫度或接近正常環(huán)境溫度時(shí)。它是由氫擴(kuò)散到焊件的高應(yīng)力區(qū)、硬化部分引起的。

在C-Mn鋼中，由于在熱影響區(qū)形成脆性組織的風(fēng)險(xiǎn)較大，大部分氫裂紋都出現(xiàn)在母材中。正確選擇焊條后，焊接金屬的碳含量將比母材低，因此碳當(dāng)量（CE）也更低。

然而，焊縫金屬會(huì)產(chǎn)生橫向裂紋，尤其是在焊接厚截面構(gòu)件時(shí)；如果焊縫金屬碳含量超過(guò)母材的碳含量，則裂紋的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。

在低合金鋼中，由于焊縫金屬組織比熱影響區(qū)更敏感，焊縫可能出現(xiàn)裂紋。

影響開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的主要因素有：

— 焊接金屬中的擴(kuò)散氫

— 母材成分

— 母材厚度

— 焊接過(guò)程中作用于焊縫上的拉應(yīng)力或焊后施加的拉應(yīng)力

— 焊接熱量輸入

焊接金屬中的擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫的主要來(lái)源是焊條、焊劑中的水分，即MMA焊條的藥皮、藥芯焊絲中的焊劑和埋弧焊使用的焊劑。產(chǎn)生的氫氣量受焊條類(lèi)型的影響。堿性焊條通常比金紅石焊條和纖維素焊條產(chǎn)生的氫少。

需要注意的是，還有其他重要的氫來(lái)源，例如，來(lái)自材料的氫，在加工或使用過(guò)程中，鋼中含有大量來(lái)自大氣的氫氣或水分。氫也可以從材料或消耗品的表面獲得。

氫的來(lái)源包括：

— 油、油脂和污垢

— 銹

— 油漆和涂料

— 清洗液

母材成分對(duì)淬透性產(chǎn)生重大影響，在快速冷卻條件下，在熱影響區(qū)會(huì)形成淬硬組織。材料的淬透性通常用它的碳當(dāng)量來(lái)表示，當(dāng)考慮到其他元素對(duì)組織形成的影響時(shí)，它的碳當(dāng)量（CE）值根據(jù)下面公式計(jì)算：

CE值越高，發(fā)生氫致裂紋的風(fēng)險(xiǎn)越大。一般來(lái)說(shuō)，只要使用低氫焊接材料或工藝，CE值<0.4的鋼不易受到HAZ氫致裂紋的影響。

母材厚度材料厚度將影響冷卻速度，從而影響硬度水平、熱影響區(qū)中的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及焊縫中保留的氫含量。

接頭的“組合厚度”，即接頭處材料厚度的總和，將與接頭幾何形狀一起決定熱影響區(qū)的冷卻速度及其硬度。因此，如圖3所示，角焊縫可能比相同材料厚度的對(duì)接焊縫具有更大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖中對(duì)接接頭和T型接頭的組合厚度t=t1+t2+t3

作用在焊縫上的拉應(yīng)力裂紋更容易在應(yīng)力集中處產(chǎn)生，特別是在焊趾部位和焊縫根部。

焊接接頭收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力將受到外部約束、材料厚度、接頭幾何形狀和裝配的很大影響。角焊縫裝配不良（根部間隙過(guò)大）會(huì)顯著增加開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。由于制造的剛度增加，作用在接頭上的約束程度通常會(huì)隨著焊接的進(jìn)行而增加。

熱量輸入焊接過(guò)程中向材料輸入的熱量，以及材料厚度和預(yù)熱溫度，將決定焊接熱循環(huán)以及由此產(chǎn)生的熱影響區(qū)和焊接金屬的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和硬度。

增加熱輸入將降低硬度水平，從而降低熱影響區(qū)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于氫從焊道中逸出的擴(kuò)散距離隨著熱輸入的增加而增加，焊縫金屬開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。

每單位長(zhǎng)度的熱輸入通過(guò)電弧能量乘以熱效率系數(shù)計(jì)算，公式如下：

V = 電弧電壓 (V)

A = 焊接電流 (A)

S = 焊接速度 (mm/min)

k = 熱效率

在計(jì)算熱輸入時(shí)，必須考慮熱效率。

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