钢结构焊接裂纹的产生及预防.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除1. 钢结构焊接裂纹的产生及预防 摘要：指出了焊接接头的含氢量、材质的淬硬倾向和约束应力的影响是焊接裂纹特别是冷裂纹产生的主要原因，提出通过采用预热和后热、保持焊条的干燥和清洁、合理的焊缝设计和焊接工艺方法耒预防裂纹的产生。关键词：焊接裂纹；氢含量；淬硬；约束应力；焊接工艺1.1. 引言钢结构具有强度高、重量轻、塑性和韧性好，且工业化程度高，可以成批大件生产、施工速度快等特点。在工程中特别是电厂得到广泛应用和迅速发展。近年来，低合金高强钢中厚板在工程中使用趋于普遍，但较厚的钢板与较薄板比较，由于钢板厚度加大时存在冶金缺陷的成分可能加大，同时厚板辊轧次数减少，颗粒一般较薄板粗糙，所以中厚板在焊接中就会带来一系列问题，较为严重而又十分普遍的就是裂纹。1.2. 焊接裂纹的产生裂纹是焊接连接中最危险的缺陷。按产生的时间不同，可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的，后者是焊缝冷却过程中或冷却后产生的。在电厂钢结构中，使用过程中产生冷裂纹往往是很严重的质量问题。冷裂纹的产生和发展一般都比较隐蔽、时间较长，平时不会引起操作人员的注意，但一旦发生其后果却是灾难性的。在焊接生产过程中，由于采用的焊接材料不同，结构类型、刚度以及施工、安装的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹，比较常见的有焊趾裂纹、焊道裂纹、根部裂纹等。冷裂纹大多数具有一定的延时性即是一种延迟裂纹，一般是在有载荷的使用过程中产生的，裂纹发生之前有一段潜伏期，然后是裂纹的扩展，最后发生脆性断裂，因此危害性很大。大量的实践和理论研究表明，冷裂纹产生的原因主要有以下几种：焊接接头含氢量、材质的淬硬倾向现象以及约束应力的影响等。1.2.1. 氢对焊缝的影响焊接时，焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、焊丝和母材表面上的铁锈油污等杂质，在施焊时经电弧热分解而给焊缝中带入氢，而氢是引起焊接延迟裂纹的主要因素之一。焊接时，在高温条件下，大量的氢溶解在溶池中，在随后的冷却过程中，由于溶解度的急剧降低，氢将极力逸出，但因焊接时冷速过快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力扩散，焊缝中的含氢量是随时间而变化的。随着放置时间的增加，部分氢从焊缝中逸出，部分氢则扩散到钢微缺陷处，成为残余氢，而这些残余氢继续对焊缝起作用，成为冷裂纹的罪魁祸首。氢是钢中扩散最快的元素，其扩散的速度与温度的高低成正比，温度升高，氢扩散得越快。焊后焊件在较高温度停留时间长些或设法使焊件冷却得慢些就可以使氢充分扩散到焊件外面，使焊缝中的氢含量减少。焊前进行预热，或者焊后热处理使焊件在焊后缓慢冷却，都可以使氢充分逸出减少冷裂纹。1.2.2. 材质的淬硬倾向对冷裂纹的影响钢的淬硬倾向主要决定于其化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。2. 焊接裂纹随着钢铁、石油化、，舰船和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低、深冷、腐蚀介质等环境下工作。因此，各种低合金高强钢，中、高合金钢，超高强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。但是随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产上带来了许多新的的问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。2.1. 焊接裂纹的危害性焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事帮。据统计，世界上焊接结构所出现各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题之外，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏。因此，裂纹是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。压力容器的破坏事帮常常造成巨大的损失。焊接结构中裂纹问题危害甚大，已造成世界各国所关注的课题。2.2. 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别征都是很复杂的，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向、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，也就是所谓的延迟裂纹。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，按产生裂纹的本质来分，林体上可分为五大类。2.2.1. 热裂纹(Hot Cracking)热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。特征：是沿原奥氏体晶界开裂，根据所焊金属的材料不同(低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等)。产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同。因此，又把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。a：结晶裂纹焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。多数情况下，在发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色，说明这种裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中(含S、P、C、Si偏高)和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生。b：高温液化裂纹近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。母材和焊丝中的S、P、C、Si偏高时，液化裂纹的倾向将显著增高。c：多边化裂纹焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，就是所谓“多边化边界”。因边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边界开裂，产生所谓“多边化裂纹”(Polygonixation Cracking)多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区，它是属于热裂纹的类型。2.2.2. 再热裂纹厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”又称“消除应力处理裂纹(Stress Relief Cracking)，简称SR裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约在550650。这种裂纹也是具有沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。2.2.3. 冷裂纹冷裂纹(Cold Cracking)是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是焊后冷至较低温度下产生的。对于低合金高强钢来讲，大约在钢马氏体转变温度Ms附近，由拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用下而产生的。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区。个别情况下，如焊接超高强钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝金属上。根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹也有不同的类别，大致分为三类：1. 延迟裂纹这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是有一定育孕期，具有延迟现象，故称延迟裂纹。产生这种裂纹主要决定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。2. 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下也能导致开裂。焊接含碳较高的Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢，以及异种钢等有可能出现这种裂纹。它完全是由冷却对马氏相变而产生的脆性造成的，一般认为，与氢的关系不大。这种裂纹基本上没有延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上。一般来讲，采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条，基本上可以防止这种裂纹。3. 低塑性脆化裂纹某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹。例如铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金时，就会出现这种裂纹。由于是在较低的温度下产生的，所以也是属于冷裂纹的另一形态，但无延迟现象。2.3. 层状撕裂：近年来在建造大型采油平台和厚壁压力容器的过程中，有时出现平行于轧制方向的阶梯形裂纹，即所谓层状撕裂(Lamellar Tear)产生层状撕裂的主要原因是轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物(特别是硫化物，氧化物夹杂)，在焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方，产生呈“台阶”形的层状开裂，开头可穿晶扩展。层状撕裂是属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过硬400，但它的特征与冷裂纹截然不同。层状撕裂易发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型，甚至会造成灾难性事故。因此，世界各国对层状撕的问题都十分重视，一些工业发达的国家，为发展海洋工程，建造大型采油平台和厚壁容器的需要，已采用具有抗层状撕裂的Z向钢。影响产生层状撕裂的因素很多，如钢板的材质、夹杂的分布及类别、焊接接头的含氢量、接头的型式和受力状态，以及焊接施工的工艺等都有关系。此外，当焊接接头中存在有其他缺陷时，如微裂纹、微气孔、咬边、未焊透等缺口效应都可能在应力作用下发展成为层状撕裂。2.4. 应力腐蚀裂纹Stress Corrosion Cracking焊接构件，如容器、管道等在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下(包括工作应力和残余应力)产生一种延迟破坏的现象，称为应力腐蚀裂纹，简称SCC裂纹。随着石油化工工业的发展，在各种腐蚀介质条件下工作的焊接构件(容器、管道等：)使用不到23年就发生了应力腐蚀破坏，造成了结构的早期失效。从解剖应力腐蚀部位的金相照片来看，SCC裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。一般情况下，低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、a黄钢和镍基合金等，SCC裂纹大多属于晶间断裂性质，少数也有穿晶断裂。从断口来看，为典型的脆性断口。影响应力腐蚀裂纹的因素有结构的材质，腐蚀介质的种类、结构的形状、受力状态、制造和焊接工艺、焊接材料及消除应力的程度等。应指出，应力腐蚀裂纹是在服役过程中产生的，因此会带来更大的危害性。总括以上，简要介绍了各种焊接裂纹的一般特征，在生产实际中裂纹的种类还有许多，如疲劳裂纹、碳锰钢的应变时效裂纹、珠光体而热钢、不锈钢的苛性脆化裂纹等。2.5. 各种裂纹分类表裂纹分类基本特征敏感的温度区间被焊材料位置裂纹走向热裂纹结晶裂纹在结晶后期，由于低熔共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结，在拉伸应力下作用下发生开裂在固相线温度以上稍高的温度(固液状态)杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金及铝在焊缝上沿奥氏体晶界多边化裂纹已凝固的结晶前沿，在高温和应力的作用下，晶格缺陷发生移动和聚集，形成二次边界它在高温处于低塑性状态，在应力作用下产生的裂纹固相线以下再结晶温度纯金属及单相奥氏体合金焊缝上，少量在热影响区沿奥氏体晶界液化裂纹在焊接热循环峰值温度的作用下，在热影响区和多层焊的层间发生重熔，在应力作用下产生的裂纹固相线以下稍低温度含S、C、P较多奥氏体合金热影响区及多层焊的层间沿晶界开裂再热裂纹厚板焊接结构消除应力处理过程中，在热影响区的粗晶区存在不同程度的应力集中时，由于应力松弛所产生附加变形大于该部位的蠕变塑性则发生再热裂纹600700回火处理含有沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等热影响区的粗晶区沿晶界开裂冷裂纹延迟裂纹在淬硬组织、氢和拘束应力的共同作用下而产生具有延迟特征的裂纹在Ms点以下中、高碳钢，低、中合金钢、钛合金等热影响少量在焊缝沿晶及穿晶淬硬脆化裂纹主要是由淬硬组织，在焊接应作用下产生的裂纹在Ms点附近含碳的NiCr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢热影响区少量在焊缝沿晶及穿晶低塑性脆化裂纹在较低温度下，由于被焊材料的收缩应变，超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹在400以下铸铁、堆焊硬质合金热影响区及焊缝沿晶及穿晶层状撕裂主要是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物(沿轧制方向)，在焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使在热影响区或稍远的地方，产生“台阶”式层状开裂约400以下含有杂质的低合金高强钢厚板结构热影响区附近沿晶及穿晶应力腐蚀裂纹某些焊接结构(如容器和管道等)，在腐蚀介质和应力的共