焊接裂纹的分析与处理

1、焊接裂纹的分析与处理我们在厂修车体、车架、转向架构架时经常会遇到焊缝或母材的裂纹。我们已经讲过裂纹的判断，判断出裂纹以后就需要对裂纹进行处理。如果我们在处理之前对裂纹没有一个准确的分析，就不可能制定出最佳的处理方案。因此必须要对裂纹进行认真的分折。根据焊接生产中采用的钢材和结构类型不同，可能遇到各种裂纹，裂纹多产生在焊缝上，如焊缝上的纵向裂，焊缝上的横向裂。也可以产生在焊缝两侧的热影响区，焊缝热影响区的纵向裂，焊接影响的横向裂纹，焊接热影响区的焊缝贯穿裂纹，有时产生在金属表面，有时产生在金属内部，如焊缝根部裂、焊趾裂，有的裂纹用肉眼可以看到，有的则必须借助显微镜才能发现，有的裂纹焊后立即出现，

2、有的则是放置或运行一段时间之后才出现。1.焊缝裂纹的分类根据裂纹的本质和特征，可分为五种类型：即热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹。1.1热裂纹热裂纹是在高温情况下产生的，而且是沿奥氏体晶界开裂，就目前的理解，把裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹三类。（1）结晶裂纹结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，即处于焊缝金属的凝固末期固液共存阶段，由于凝固金属收缩时残存液相不足，致使沿晶开裂，故称结晶裂纹，由于这种裂纹是在焊缝金属凝固过程中产生的，所以也称为凝固裂纹。结晶裂纹的特征：存在的部位主要在焊缝上，也有少量的在热影响区，最常见的是沿焊缝中心长度

3、方向上开裂，即纵向裂，断口有较明显的氧化色，表面无光泽，也是结晶裂纹在高温下形成的一个特征。（2）液化裂纹焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属以及母材近缝区金属中，由于晶间层金属被重新熔化，在一定的收缩应力的作用下，沿奥氏体晶界产生的开裂，称为“液化裂纹”也称“热撕裂”。液化裂的特征：易产生在母材近缝区中紧靠熔合线的地方（部分溶化区），或多层焊缝的层间金属中。裂纹的走向，在母材近缝区中，裂纹沿过热奥氏体晶间发展；在多层焊缝金属中，裂纹沿原始柱状晶界发展，裂纹的扩展方向，视应力的最大方向而定，可以是横向或纵向；并在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂

4、纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。从被焊的材料上看，液化裂纹主要发生在含有铬、镍的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金等材料中。（3）多边化裂纹-焊接时，焊缝或近缝区在固相线以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)和严重的物理及化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界，即所谓的“多边化边界”这个边界上堆积了大量的晶格缺陷，所以他的组织疏松，高温时的强度、塑性都很低，只要此时受少量的拉伸变形，就会沿着多边化的边界开裂，即所谓多边化裂纹。又称高温低塑性裂纹。多边化裂纹的特征：裂纹多发生在受热的金属中，其部位并不都紧靠熔合线(或焊缝层

5、间的重熔线)。1.2、冷裂纹冷裂纹在相当低的温度（大约在钢的马氏体转变温度），由于拘束应力、淬硬组织和氧的作用下，在焊接接头产生的裂纹即属冷裂纹。冷裂纹分三类（1）延迟裂冷裂纹中较普遍的形态不是在焊后出现，有一端孕育期，产生延迟现象。延迟裂产生的不同部位可分成三种形态 焊趾裂这种裂纹起源于焊缝和母材的交界处，并有明显的应力集中的地方，裂纹取向经常与焊缝纵向平行，一般由焊趾的表面开始，向母材深处延伸。(见照片1、照片2) 趾根裂裂 照片1 焊趾裂 照片2 焊道下裂纹-这种裂经常发生在淬硬倾向较大，含氢量较高钢种的焊接的影响区，一般情况下裂纹取向与熔合线平行，但也有时垂直与熔合

6、线。根部裂纹这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在使用含氢量较高的焊条和预热温度不足（或根本不预热）的情况下。这种裂纹与焊趾裂相似，起源于焊缝根部的最大应力集中处，根部裂可能发生在焊接热影响区(粗晶区)也可能发生在焊缝的金属内，这决定于母材和焊缝的强度、塑性以及根部的形状。 (2)淬硬脆化裂纹（淬火裂）-有些钢种由于淬硬倾向比较大，即便在没有氢的条件下，仅由拘束应力的作用，也能导致开裂。这种裂纹除了出现在热影响区之外，还有时出现在焊缝上，这种裂纹主要是由淬硬组织引起的，故又称淬火裂纹，是冷裂纹的一种形态，它基本是没有延迟时间，焊后就裂。(3)低塑性脆化裂纹-某些材料焊接时，在比较低

7、的温度下，由于收缩应力超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹称为低塑性脆化裂纹，如铸铁和某些脆性材料焊接，在热影响区常常出现边焊边裂几乎没有延迟现象。堆焊硬质合金和某些淬硬性较高的高强度钢时，也常出现这种低塑性脆化裂纹。低塑性裂是冷裂纹的又一种形态，它与一般延迟裂纹不同的是，这种裂纹前圆钝，裂纹本身具有一定宽度，走向直通，似乎有些脆断的特征。综上所述总结，冷裂纹一般特征如下：从冷裂纹形成时期看，它是在焊后较低的温度下发生的，对于易淬硬的高强钢来讲，冷裂一般是在焊后冷却过程中，马氏体附近或200300以下温区间发生。从断口看，宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征，是一种无分叉的纯断裂并呈人字形

8、发展。从裂纹出现的时间看，冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时经过一段时间（12小时、几天、甚至更长的时间才出现），（即所谓的延迟裂纹）冷裂纹主要发生在高碳钢、中碳钢、低合金或中合金钢的热影响区，但有些金属，如某些金属成分较高的超高强钢，钛及钛合金等有时也产生在焊缝金属上。冷裂纹是目前生产中影响较大的一种缺陷，甚至造成灾难事故。 1.3、再热裂纹焊接后，焊接接头金属处于残余应力作用的状态中，焊后需要进行消除残余应力热处理时，（或不经热处理的焊件，处在一定温度下服役的过程），在一定条件下产生的沿奥氏体晶界发展的裂纹，称为再热裂纹。由于这种裂纹是在重新加热（热处理或高温服役）过程中产生的，故称“再热裂

9、纹”，又称“消除应力处理裂纹”。再热裂纹的特征：在通常的情况下，再裂纹都起裂于焊趾，焊根等由几何形状发生变化引起的应力集中处。再热裂纹的产生与加热温度和加热时间有密切关系，存在与最易于产生再裂纹的敏感温度范围。如低合金高强度钢一般在500700之间，钢种不同，易产生再热裂纹的敏感温度并不相同。再热裂纹的产生必须有大的残余应力和应变为先决条件。因此，再热裂纹最易于产生在大拘束度的厚件或应力集中部位。再热裂纹多发生在低合金高强度钢珠光体耐热钢，奥氏体不锈钢以及镍基合金含有沉淀化元素的钢种的焊接接头中。1.4、层状撕裂在大型焊接结构件中特别是厚板（30100名木甚至更厚的轧制钢板）的焊接结构，如果焊

10、接时在钢材厚度方向承受较大的拉伸拘束应力，就可能在热影响区或靠近热影响区的部位，平行于钢材的轧制方向产生具有阶梯状宏观形貌裂纹。这类裂纹称为层状撕裂。层状撕裂大多发生在大厚度高强度钢材的焊接结构。在无损探伤的条件下，层状撕裂往往不容易发现。由于层状撕裂常常发生在装焊结构完成之后，因而是一种难以修复的结构破损甚至造成灾难性的事故。层状撕裂的特征：发生的位置出现在母材和热影响区中，焊缝金属中不可能出现层状撕裂，在裂缝形态上看，裂缝平行于母材轧制方向。就接头形式而言，容易产生的接头一般是T型，角接或十字型接头，一般对接头很少发现，但是在焊趾和焊根处由于冷裂的诱发也会出现。层状撕裂与冷裂不同，它的产生

11、与钢种强度无关。1.5应力腐蚀裂金属材料在某些特定介质和控应力联合作用下所产生的延迟裂现象，称为应力腐蚀裂。应力腐蚀裂的特征-应力腐蚀裂纹所造成的危害很大。应力腐蚀裂纹形态从表面看，无明显均匀腐蚀的痕迹，裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂形式，断断断续续，而且以近似横向的裂纹占多数，金腐内部的腐蚀裂纹，它的形态如同树根一样，并且总是由表面向纵深方向往里发展，其裂位的深与宽比值很大，细长而带有分支。焊缝裂是由多种因素造成的，有的是设计结构不合理、有的是组焊工艺不合理、有的是施焊过程中，由于规范不合适或操做不当造成各种缺陷，在机车运用中引发疲劳裂纹或应力腐蚀裂。如果这些裂纹没能及时发现将引发母材裂，会

12、造成很大的结构破坏和损失。因此我们在厂修车发现裂纹时要做具体分析，然后制定可行的施修方案。2.设计结构不合理设计结构不合理会使钢性不够造成焊缝或母材裂。这种裂的特征通长是同位置形成批量。横梁盖板拉臂座 照片3 照片4例如北京型构架试生产初期，75号车以前的转向架构架，车轴齿轮箱拉臂座裂。就是由于设计不合理造成的同位置形成批量。原设计采用钢板组焊件，立板、盖板与筒体连接位形成高应力集中区，同时钢性和强度严重下降，造成疲劳焊缝、母材裂。后耒更改了设计，将钢板组焊件改为铸钢件。得到彻底解决。(见照片4)3.组焊工艺不合理组焊工艺不合理造成的焊缝裂及母材裂也是重要原因之一。它的特征也同样是会形成批量的

13、。例如北京型构架横粱，(见照片3)最初工艺规定，箱形结构梁先组装下盖板和立板，然后对下盖板和立板、立板和隔板内部进行勾焊。最后组装上盖板施焊外侧角焊缝。上盖板，中间弯曲直径420mm压型不合适。在组装时需用卡具强制压卡，在焊接后产生较大的应力集中区，尽管采用了整体退火，由于内部没有勾焊，在运用中造成焊缝母材撕裂。最严重时下盖板、两侧立板母材完全贯穿裂。当时北京型是客运主型机车，是相当危险的。后来对工艺进行了更改，先组装上盖板和立板，然后对上盖板和立板、立板和隔板内部进行勾焊。使这一严重的质量问题得到彻底解决。 图1再如东风7D型构架，99年底金成江、麻尾段构架批量裂。就是因为即有设计、工艺和施

14、工的等问题综合原因所造成的。通过（图一）的分析，我认为主要是补板组装顺序不对，立板与隔板、立板与盖板在没有进行施焊的状态下组装的加强补板。由于机车在山区小半径运行，构架两侧箱形结构侧梁，内部的隔板与外立板没有焊接，使机车运行过弯道时横向拉力严重下降，产生了较大的颤动，造成构架焊缝、母材的疲劳撕裂。导致全部更新为加强型转向架。损失剧大，教训极为深刻。4.焊接缺陷造成的焊缝裂无间隙焊缝我们在钢结构件施焊中的焊接缺焰，咬边、气孔、收缩裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等都会埋下裂的陷患。 照片5 照片6无间隙焊缝裂 照片7例如（照片5、照片7）就是我厂生产的电力机车司机室面板在组对时没有预留间隙，即行焊接。

15、焊后进行打磨失去了有效焊肉造成的焊缝裂，第一台焊缝裂38处，第二台裂100余处。造成了很大返工。例如5130厂修车（照片8）就是由于T形焊缝交点接头处弧坑所引发的立板对接焊缝边缘裂，下底板引发的母材裂。接头缺陷母材裂接头弧坑 照片8 照片9例如5130厂修车（照片9）就是因为两条角焊缝的连接点间断没有封死引发的母材裂。再例如5236厂修机体（照片11）可以看到原焊缝裂，用角型砂轮采用冷消除法打开后，发现焊缝内部较大的气孔缺陷造成的焊缝裂。5.对焊缝裂进行分析有针对性的制定方案 对厂修车钢结构件发现的焊缝裂或母材裂，必须要做认真的初步分析，有针对性的制定有效施修方案才能取得好的效果。气孔裂裂焊缝

16、裂 照片10 照片11例如厂修5130车架（照片10）是车架侧梁中立板对接焊缝裂。从照片上我们可以看到显示的是焊缝中间裂，从焊缝表面看焊缝没有任可缺陷，很完美。我们初步分析，并不属于前边我们讲到的热裂纹的结晶裂。结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段。理论上并不存在延迟裂的可能，如果按结晶裂的特征表现，因该发生在新造车交检交验就有所表现。经查此台车是92年出厂，正是我厂焊接质量滑波期，因此我们怀疑是对接焊缝背面的质量问题，针对这一分析制定施修方案，将车架边梁顶板切开一个窗口，探查内侧发现：原新造时，中立板对接焊缝背面跟本没焊，而且对接缝间隙过大并加了8mm的铁条。(

17、技术文件规定对接焊缝严禁加充填物)外侧焊缝没有焊透，导致运用中的断裂。5.裂纹的处理裂纹的处理很关键。其工序包括：打止裂孔及裂纹的消除、预制坡口和间隙、焊前准备处理、焊接及过程应力消除、焊后修整等。其中任何一个环节，没按工艺要求严格执行都会产生新的裂纹。5.1打止裂孔及裂纹的消除 裂纹的消除可采用电弧气刨或角型砂轮打磨、风铣刀消磨的冷消除法。建议重要件的裂纹消除尽量采用冷消除，尽可能的减少受热。浅表性裂纹可不做止裂孔，裂的深度、宽度较大必须处理前在裂纹的终端10mm以内，预制58mm的止裂孔，防止裂纹的延伸。5.2预制坡口和间隙 我们在处理厂修车车架、构架的裂纹时，因为是中厚钢板，所以对对接焊

18、缝要求焊透。一般采用60度V型坡口，预留2mm间隙。对于重要部位，裂纹较严重的T形接头或角接接头，建议对立板开30度V型坡口，这样才能保证熔合质量。5.3焊前准备处理 处理裂纹我们建议采用426焊条，提高抗裂性和韧性。焊前要求对焊条预热200-250，使用温度不底于150。环境温度不低于5度。 要求对坡口表面及施焊表面20mm区域内砂轮打磨。坡口表面不充许存在2mm以上沟槽，金属表面无油污、氧化物、铁锈见金属光泽。5.4焊接及过程应力消除 我们在施焊时应该选择合理的焊接规范，对接角焊缝不能一次填充过多，采用多层焊，不得少于三层。每层的起弧和收弧位要错开不少于20mm。尽量避开死角位及终端起弧或收弧。 图2 采用合理的焊接顺序，正确安排焊接