焊接热裂纹
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第57页（3869字）
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。
1．热裂纹产生的部位
热裂纹大都是沿着焊缝树枝状结晶的交界处产生和发展的，见图2－11，最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂，有时也分布在两个树枝状晶体之间或焊缝表面及弧坑上。
图2－11 热裂纹产生的部位
2．拉应力和晶间薄膜
产生裂纹的实质是局部的断裂，局部断裂必然要有拉应力的作用。焊接过程是一个局部的不均匀的加热和冷却过程，熔池在结晶过程中必然会受到拉应力的作用，因此，焊接熔池在结晶过程中就具备了产生裂纹的力学条件。
其次，从熔池的结晶过程理论可知，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质较多，而且这些杂质往往会形成一些熔点较低的共晶物，这些熔点较低的共晶物称为低熔点共晶体。如含硫量较高的熔池，常会形成熔点仅为988℃的FeFeS低熔点共晶。在熔池金属结晶过程中，低熔点共晶常被排挤在晶界形成一种所谓“晶间薄膜”，见图2－12，结果在晶界形成一个薄弱地带，热裂纹往往就产生于此。
图2－12 晶间薄层示意图
3．热裂纹产生的过程
当熔池开始冷却结晶时，就受到拉应力的作用，但这时晶粒刚开始生成，液体金属比较多，流动性还比较好，可以在晶粒间自由流动，而由拉应力造成的晶粒间的间隙都能被液体金属所填满，所以不会产生热裂纹。当温度继续下降时，柱状晶体继续生长，拉应力也逐渐增大，如果此时熔池中有低熔点共晶存在，就会在已结晶的固态金属层间形成晶间薄膜，结果在拉应力的作用下，在晶间薄膜内会造成空隙，而低熔点共晶又不足以填充此空隙，因而就形成了裂纹。由此可见，热裂纹是拉应力和低熔点共晶两者联合作用而形成的。增大任何一个方面的作用，都有可能促使在焊缝中形成热裂纹。
4．热裂纹的分类
热裂纹是在高温下产生的，而且都是沿奥氏体晶界开裂，但是，随着各种金属材料的广泛应用，产生热裂纹的形态、机理和温度区间等也各有不同，目前主要把热裂纹分成下列三种类型：
(1)结晶裂纹：焊缝在结晶过程中，在固相线附近由于凝固金属收缩时，残余液相不足，致使沿晶界开裂，故称结晶裂纹。这种裂纹在显微镜下观察时，可以发现具有晶间破坏的特征，多数情况下在裂纹断口上发现有氧化色彩，说明裂纹是在高温下产生的。结晶裂纹主要出现在含杂质较多的碳钢焊缝中和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝及铝合金的焊缝中。
(2)高温液化裂纹：在焊接热循环峰值温度作用下，焊接接头的热影响区和多层焊缝的层间金属中，由于含有低熔点共晶物而被重新熔化，在收缩应力的作用下，沿奥氏体晶间发生开裂，称为高温液化裂纹。这类裂纹是在高温下产生的，并且是沿奥氏体晶界断裂，因此也是属于热裂纹的一种形态。高温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的热影响区或多层焊层间的金属中。当母材及焊丝中的硫、磷、硅、碳的含量偏高时，高温液化裂纹的倾向将显着增加。
(3)多边化裂纹：焊接时，焊缝或热影响区在固相线温度以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的偏析，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“多边化边界”，这个边界上堆积了大量晶格缺陷，组织疏松，高温时的强度和塑性都很低，此时受到少许的拉伸变形，就会沿着多边化的边界开裂，即形成多边化裂纹，又称高温低塑性裂纹。这类裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝或热影响区中。
3．影响产生热裂纹的因素
(1)化学成分对产生热裂纹的影响：化学成分是影响热裂纹倾向的最本质的因素，其中S、P、C、Si、Mn等的影响较为突出。
1)硫和磷：由于硫和磷在钢中易于形成低熔点共晶和造成偏析，所以在各类钢中，都是强烈促使形成热裂纹的有害元素，并且其有害作用随着含碳量的增加而加剧，当钢中含碳量小于0．16%时，磷的有害作用比硫要小一些。
2)碳：碳是钢中促使形成热裂纹的主要元素，因为碳极易发生偏析，和钢中某些其他元素形成低熔点共晶，其次，碳会降低硫在铁中的溶解度，而促成硫与铁化合生成FeS，因而形成的Fe－FeS的低熔点共晶量随之增多，两者均促使在钢中形成热裂纹。
3)硅：当钢中含硅量小于0．4%时，有利于消除热裂纹；当含硅量大于0．4%时，容易形成低熔点的硅酸盐夹杂，从而增加了形成热裂纹的倾向。
4)锰：锰具有脱硫作用，能置换FeS而形成MnS，并且锰能改善硫化物的分布形态，使之由FeS的薄膜状变成球状硫化物，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的结晶裂纹，并随含碳量的增加，则Mn／S的比值也应随之增加：
C≥0．1%时，Mn／S≥22；
C=0．11～0．125%时，Mn／S≥30；
C=0．126～0．155%时，Mn／S≥59。
当含碳量超过包晶点(C：0．16%)时，磷对产生结晶裂纹的作用就超过了硫，相应地Mn／S的比值就失去了意义，因此必须严格控制焊缝中的含磷量。
5)钛、错和稀土元素：钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点约为2000～2100℃、ZrS的熔点为2100℃、La2S3的熔点大于2000℃、CeS的熔点为2450℃，它们比锰的效果还要好，对消除结晶裂纹有良好作用。
6)镍：镍在低合金钢中易于与硫形成低熔点共晶，Ni与Ni3S2共晶的熔点仅645℃，因此会引起热裂纹的产生。
(2)一次结晶组织对热裂纹倾向的影响：熔池金属在一次结晶过程中，晶粒的大小、形态和方向对焊缝金属的抗裂性有很大的影响，一次晶粒越粗大，柱状晶的方向性越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。
(3)力学的因素对产生热裂纹的影响：熔池结晶时所受到的拉应力是焊缝产生热裂纹的必要条件。拉应力的大小和一系列因素有关，其中主要的因素是结构形式、接头刚性、熔池冷却速度和焊接顺序等。
4．预防热裂纹的措施
(1)冶金措施：
1)控制焊缝中有害杂质的含量及破坏性作用：焊接低碳钢、低合金钢时，最有害的元素是S、P、C。为了消除它们的有害作用，除限制被焊金属中S、P的含量外，还应限制在焊接材料中S、P的含量。同时通过焊接材料过渡Mn、Ti、Zr等合金元素，克服硫的不良作用，提高焊缝的抗热裂纹能力。
2)改善熔池金属的一次结晶：细化晶粒可以提高焊缝金属的抗裂性，广泛采用的方法是向焊缝加入细化晶粒的元素，即进行变质处理。当焊接铬镍不锈钢时，为了提高抗裂性和抗腐蚀性，希望得到γ+δ双相组织的焊缝，也是改善一次结晶的重要方面。
(2)工艺措施：
1)预热：预热是防止生成热裂纹的有效措施，其作用主要是通过减小焊接熔池的冷却速度来减小焊接应力。
2)控制焊缝形状：窄而深的焊缝，杂质将集中在柱晶对接的部位，这种焊缝抵抗应变的能力特别弱，在较小的拉应力作用下，就有可能造成焊缝中间的裂纹；而宽而浅的焊缝柱晶往上生长，杂质大部分被推向表面，拉伸应变集中的现象就明显减弱，焊缝的抗裂性大为提高。
3)采用碱性焊条和焊剂：碱性焊条和焊剂的熔渣具有较强的脱硫能力，因此具有较高的抗热裂能力。
4)采用收弧板：在焊接将要终了时，应逐渐断弧，并填满弧坑，必要时可采用收弧板，将弧坑移出工件外，可以避免弧坑裂纹在工件上的发生。