一文搞定焊接延迟裂纹

延迟裂纹的危害

        在焊接生产过程中，由于钢种和焊接结构类型不同会出现各种裂纹。裂纹的形态和分布特征是很复杂的，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向裂纹、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弧坑裂纹。值得关注的是，裂纹有时出现在焊接过程中，有时会出现在焊接完成后放置过程的几小时或几天后，也有的在运行过程中几年，甚至十几年后才出现。裂纹开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展，这类裂纹就是延迟裂纹。延迟裂纹在制造过程中没被发现，在使用过程中就可能造成极其严重的后果，所以比一般裂纹的危害性更大。

    延迟裂纹的产生和发展是缓慢的、间歇式的，它不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事故。氢致延迟裂纹而导致的事故在国内外都常有发生，据1965年英国的统计，在英国发生破坏的132台压力容器中，由于延迟裂纹引起的破坏就有118台，占破坏总数的89.3%。日本的焊接技术在国际上处于非常高的水平，但是其某公司生产球罐144台，在使用过程中从45台球罐中检测出裂纹1471条，其中属于延迟裂纹的就有1248条。

延迟裂纹的形成机理

    延迟裂纹的形成与钢的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头的应力状态有关。延迟裂纹有的沿晶界扩展，有的穿晶前进，这与焊接接头的金相组织、应力状态以及氢的含量有关。一般延迟裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒），其成因是由于焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时的体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或是由于焊缝中的氢原子相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时形成巨大的内应力与焊接拘束应力的共同作用下致使焊缝开裂（称为氢致裂纹）。

    1.延迟裂纹的分类

    延迟裂纹分为焊趾裂纹、焊道下裂纹和根部裂纹。

    （1）焊趾裂纹产生于母材与焊缝交界处，有明显的应力集中倾向，裂纹走向一般与焊道平行。

    （2）焊道下裂纹发生在淬硬倾向较大，含氢量较高的焊接热影响区，裂纹走向一般与熔合线平行。

    （3）根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶区域，也可能出现在焊缝金属中，取决于母材和焊缝的力学性能及焊缝根部的形状。

    2.产生延迟裂纹的原因

    钢的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头的应力状态是中高强度低合金钢产生延迟裂纹的三个要素。它们相互作用、相互影响，必然有一种或两种起主导作用，其中关键性的因素是含氢量。焊缝中的氢是在潮湿气氛中、在焊接的高温下以原子的状态溶入焊缝金属的，冷却后钢对氢的溶解度变小，氢原子聚集分布广，已无法逸出焊缝，便形成巨大的内应力，致使裂纹开裂。断口上常有白色斑点，称为氢白点。因此，延迟裂纹也称为氢致裂纹。

    （1）金属的淬硬程度 焊接过程中，在焊接热循环作用下，金属热影响区和半熔化区易形成马氏体等淬硬组织，在近缝区由于加热温度高，晶粒粗大，使这里的焊缝组织塑性大大降低，焊接接头性能脆化。在焊接拘束应力作用下，产生巨大的内应力，使晶粒内部破裂，形成开裂。

    （2）焊缝接头的应力状态 焊接接头的应力来自三方面：①焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中产生的热应力。在焊接时，焊接区由于受热面发生膨胀因而承受压应力，冷却时受热面收缩承受拉应力。应力的大小与母材和填充金属的热物理性质有关，也与结构的刚度有关，在应力作用下，会引起氢的聚集，诱发氢致裂纹。②焊接接头不均匀的组织转变所引起的组织应力。高强钢奥氏体分解时（析出铁素体、珠光体和马氏体），引起体积膨胀，而转变后的组织都具有较小的膨胀系数，会减轻焊后收缩时产生的拉伸应力，从这点看相变时产生的应力会降低裂纹倾向。③焊接接头受焊接刚性拘束产生的拘束应力。这种应力与结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件自重以及载荷情况等因素有关。

    3.熔敷金属中扩散氢的含量

    延迟裂纹的产生与焊接接头的含氢量有直接关系，温度是影响焊接接头氢扩散、逸出的重要因素。在焊接过程中，液态金属所吸收的氢，有一部分在熔池结晶过程中可以逸出，但熔池的结晶速度很快，还有相当多的氢来不及逸出，而被留在固态焊缝金属中。这对焊缝的性能会产生很大的影响，形成巨大的内应力，致使焊缝开裂。实际上真正导致产生延迟裂纹的氢被称为扩散氢，因其能在固态金属中自由扩散而得名。扩散氢是导致氢白点、氢脆、氢致裂纹即延迟裂纹等缺陷产生的重要因素。

    4.焊缝中氢的来源

    焊接过程中进入熔池的氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气的水蒸气、焊丝和母材坡口表面上的水、铁锈及油污等杂质。

    焊接时焊缝和热影响区吸收了氢，而焊接接头又存在复杂的应力，特别是当焊缝存在微小裂纹和夹渣时，会造成三向应力区，在三向应力区存在的应力梯度，促使氢的扩散，使氢逐渐向三向应力区集中。当三向应力区的含氢量达到临界浓度后，金属原子键破裂，裂纹扩展。随着裂纹扩展，该区应力释放，多余的氢由新的裂纹面向外扩散，在新的裂纹端再重复上述过程，直至裂纹开裂。氢的扩散、聚集和诱发需要时间，因此产生延迟。

延迟裂纹的防止措施

    1.工艺方面

    建立低氢的焊接环境，选用低氢焊接材料和低氢焊接工艺，如采用CO2气体保护焊可获得低氢焊缝。

    尽量选择低强焊材，以降低焊接接头的应力，当焊接接头的强度低于母材时，拉伸应力可通过塑性变形释放。

    采用合理的焊接顺序，焊接时先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，使焊缝能够自由收缩，以降低焊接拘束应力。

    （1）制定合理的焊接规范及热输入，控制冷却时间，可以改善焊缝及热影响区的组织和性能。

    （2）焊前预热，控制层间温度，降低冷却速度，以便氢的扩散，可有效地防止延迟裂纹的产生。

    （3）低温消氢处理加速氢的扩散。延迟裂纹一般在焊后几小时或几天之后才会产生。若能在产生裂纹以前及时对焊缝进行后热处理（消氢处理），在300℃对焊缝进行加热，使残留在固态焊缝金属中的氢加速扩散和逸出，可在一定程度上起到降低焊接残余应力的作用，改善焊接接头组织，有效防止延迟裂纹。

    （4）对厚钢板采用多层多道焊。前一层对后一层预热，后一层对前一层起热处理作用，降低了残余应力的作用，改善了焊接接头组织。

    （5）锤击焊缝表面，使其产生压应力，以改善焊缝应力场，减小延迟裂纹产生的几率。

    （6）对有延迟裂纹倾向的材料，应在焊后24h进行检测，以防止延迟裂纹的漏检。

    2.冶金方面

    （1）控制氢的来源。尽量选择低氢或超低氢焊材，焊材使用前要烘干，清理焊丝、焊缝坡口上的水、铁锈和油污等杂质。

    （2）选用碱性低氢焊条，药皮中加氟石可降低焊缝中的氢含量。

    （3）合理选择焊缝金属的合金成分，适当加入某些合金元素，提高焊缝金属的韧性和焊缝抗裂能力。

    （4）对难焊和易开裂的钢，选用奥氏体不锈钢焊条，由于奥氏体对氢的溶解度大，没有氢焊缝就不会产生开裂。

    3.降低焊接应力

    （1）设计合理的焊接接头，多采用对接接头，避免搭接接头，焊缝外形设计应合理，焊缝布置应尽可能远离截面突变处，焊缝余高不能过高，焊缝接头截面要圆滑过渡，以减小焊缝拘束度，避免过高的应力集中。

    （2）避免密集焊缝，采用合理的焊接顺序，以减少焊缝刚度。

结语

    影响延迟裂纹的原因很多，它与设计、材料、工艺、焊接、维护保养及使用管理等各方面的因素有关。正确地选择预热、后热和焊后热处理可有效地防止延迟裂纹，而对设备每年的检验、检修是发现事故隐患，防止、杜绝延迟裂纹的发展、断裂，引起事故的重要措施。应从全方位进行综合控制，使设备处于良好的工作状态，对防止设备因延迟裂纹而引起失效或推迟设备失效的时间是可行的.