焊接热裂纹

一、产生原因

1.1化学成分的影响:硫（S）和磷（P）是产生热裂纹的主要有害元素。例如，在钢材焊接中，硫会与铁形成低熔点的硫化亚铁（FeS）。当焊缝金属凝固时，硫化亚铁会以液态薄膜的形式存在于晶界。由于其熔点低，在焊接过程中的高温下，这些液态薄膜会削弱晶粒之间的结合力。当焊缝冷却收缩时，在拉伸应力的作用下，液态薄膜所在的晶界就容易开裂，形成热裂纹。

碳（C）元素含量较高时，也会增加热裂纹的敏感性。因为碳含量高会使焊缝金属凝固区间变宽，凝固过程中会产生较大的收缩应力，同时也容易形成低熔点共晶物，从而促使热裂纹的产生。

1.2焊接应力的作用：焊接过程中，焊缝金属在冷却时会发生收缩。如果焊件的拘束度较大，例如在厚板焊接或者刚性固定的结构焊接时，焊缝金属不能自由收缩，就会产生较大的拉伸应力。这种拉伸应力作用在已经存在的薄弱晶界（如含有低熔点共晶物的晶界）上，当应力超过晶界的结合强度时，就会导致热裂纹的产生。不均匀加热也是产生焊接应力的一个重要因素。例如在电弧焊中，电弧的热量集中在焊缝区域，使焊缝附近的金属温度迅速升高，而远离焊缝的金属温度较低。这种不均匀的温度分布导致焊缝及其附近区域产生热膨胀和收缩的差异，从而产生焊接应力。

焊接工艺因素：焊接速度过快可能会导致热裂纹。当焊接速度太快时，焊缝的冷却速度也会加快。这会使得焊缝金属中的结晶方向不利于抵抗收缩应力，容易形成柱状晶，并且液态金属补充不及时，从而增加热裂纹产生的可能性。焊接电流过大也会有影响。较大的焊接电流会使焊缝熔深增加，熔池体积变大，在冷却过程中，熔池的凝固收缩应力增大。同时，过大的电流可能会使母材过度熔化，稀释焊缝金属，改变其化学成分，进而影响焊缝的抗裂性能。

二、热裂纹的分类

2.1结晶裂纹：这是最常见的热裂纹类型。它产生于焊缝金属凝固过程中的结晶后期。当焊缝金属结晶时，先结晶的部分比较纯净，后结晶的部分会富集一些杂质元素，形成低熔点共晶。这些低熔点共晶在晶界形成液态薄膜，在收缩应力的作用下，液态薄膜被拉开，形成结晶裂纹。结晶裂纹通常沿着焊缝的中心线或者柱状晶的边界分布。

液化裂纹：主要发生在近缝区的热影响区内。当焊接热循环使近缝区的金属加热到接近熔点的高温时，如果该区域存在一些低熔点的相或者杂质偏析，这些物质就会重新熔化，形成液态薄膜。在焊接应力的作用下，这些液态薄膜被破坏，产生液化裂纹。例如，在一些含有较多合金元素的钢材焊接中，合金元素的偏析可能会导致液化裂纹的出现。

三、防止热裂纹的措施

3.1控制化学成分：对焊接材料进行严格筛选，尽量降低硫、磷等有害元素的含量。例如，选用高质量的焊条或焊丝，其硫、磷含量通常会控制在较低的水平。在一些对焊接质量要求较高的场合，如压力容器焊接，会要求焊接材料中的硫、磷含量低于特定的标准值。适当调整焊缝金属的化学成分，加入一些能够细化晶粒的元素，如钛（Ti）、铌（Nb）等。这些元素可以改变焊缝金属的结晶形态，使晶粒细化，减少低熔点共晶在晶界的聚集，从而提高焊缝的抗裂性能。

3.2减小焊接应力：采用合理的焊接顺序可以有效减小焊接应力。例如，对于大型焊接结构，可以采用分段退焊法或者跳焊法。这样可以使焊接过程中产生的热量分布更加均匀，减少局部过热和过大的收缩应力。对焊件进行适当的预热也是减小焊接应力的有效方法。预热可以降低焊缝和母材之间的温度梯度，减小冷却速度，从而减小焊接应力。例如，在焊接一些淬硬倾向较大的钢材时，预热可以有效防止热裂纹和冷裂纹的产生。

3.3优化焊接工艺参数：合理控制焊接速度和焊接电流。根据焊件的材质、厚度等因素，选择合适的焊接速度和电流。例如，在焊接薄板时，一般采用较小的焊接电流和适当快的焊接速度，以防止烧穿和热裂纹的产生。调整焊缝的形状系数（焊缝宽度与焊缝厚度之比）。合适的形状系数可以保证焊缝有良好的结晶条件，一般形状系数应大于 1.3，这样有利于液态金属在焊缝凝固过程中的补充，减少热裂纹产生的可能性。