焊道开裂
发布时间:2017-05-22
此文的目的在于:将“开裂”从不良焊道中分辨出来。由于超负荷,设计不良或是疲劳,焊道可能会失败。这儿所讨论的开裂是凝固,冷却,以及由于焊道收缩而产生应力的结果。

中心线开裂

中心线开裂的特征为:在给定的一块焊道中央开裂。如果焊道正好在接头的中央,正如在单焊道上的那个例子,中心线开裂也会发生在接头的中央。在多焊道的例子中,每一层可能会有许多焊道,中心线开裂可能不在接头的几何中心,尽管它总会在焊道的中心。

中心线开裂是由下列现象中的一种而产生的:偏析诱导开裂,焊道形状诱导开裂或是表面成形诱导开裂。不幸的是,这三种现象都揭示了开裂的相同类型,并且很难识别原因。而且。经验表明这些现象中的两种或是所有的这三种会相互作用并形成了开裂问题。理解了中心线开裂的每一种基本机能,会帮助我们决定正确的解决方法。

在焊道凝固过程中,低熔点的组成物例如磷,锌,铜和硫复合物分离,这样就发生了偏析诱导开裂。熔融金属中的低熔点组成物在凝固的过程中会强制进入接头中央,因为它们是最后需要凝固的,而且随着凝固金属从含有低熔点组成物的中央区域内收缩,焊道就趋向于分离。

当经历了由偏析诱导的中心线开裂,可以实行许多解决方法。因为污染通常来自于母材,所以首要的考量就是要限制从母材中选出的污染量。这个可以通过限制焊接方法的熔透来完成。在一些例子中,人们想要接头设计。由于某些方法承受的额外熔透是不必要的而且可以被减少的,这个可以通过使用较低的焊接电流来实现。

一种焊接材料的界面层,使用一种低能量的方法焊接,例如手工电弧焊而熔填,可能会有效的减少进入焊道混合物中的污染物。

在硫的例子中,通过形成MnS,可以克服FeS的有害影响。当锰足量存在,并反作用于硫时,就产生了MnSMnS的熔点为2,900℉.这种情况下,焊道金属开始凝固之前,MnS形成,不会发生偏析。当较高程度的硫遭遇到铁矿石时,钢材生产商可利用这一概念。在焊接过程中,使用较高程度的锰的填充材料来阻止FeS的形成是有可能的。不幸的是,这种概念不能被应用于污染物中,更别提硫了。

第二种中心线开裂称为:焊道形状诱导开裂。图3 有进行阐释,并且与深熔透的方法,例如SAW和CO2遮护的FCAW相联系的。当焊道是这样一种形状:对于焊道横截面,深度大于宽度,凝固晶粒垂直增长到钢材表面并与中间相交,但是不能与接头熔合。为了纠正此条件,独立的焊道至少必须使宽度与深度一致。宽度/深度的比率建议从1:1 到1.4:1 变化,以修正此条件。焊道的总体整合,可能会包含了许多独立的焊道,这样的话,就可能形成一种总体效果:即深度大于宽度。如果在这样的状况下使用多道焊接,并且每个焊道的宽度大于深度,那么就能形成一种无裂焊道。

当遇到了由于焊道形状而造成的中心线开裂,显著的解决方法为:改变宽度与深度的关系。 这可能涉及到接头设计的改变。因为深度是熔深的一项功能,所以建议减少熔透量。这个可以通过使用较小的焊接电流和较大线径的焊条来实现。所有的这些尝试都会减少电流密度和限制熔透量。

最后一项引起中心线开裂的机制为表面成形条件。当形成凹下去的焊道表面,内部的收缩应力会使表面的焊道金属处于紧张状态。相反地,当形成凸出的焊道表面,内部的收缩压力会推动表面使其处于压缩状态。这些情形如图4所示。凹下去的焊道表面是高电弧电压所造成的结果。电弧电压的轻微减少会使焊道回到一种轻微的突出形状并清除了开裂的趋势。高的行进速度也可能导致这样的整合。降低行进速度会增加填充量并且会使表面返回到凸出的形状。立下焊也有一种引起这些开裂致敏,凹陷表面的趋势。立上焊可通过提供一种更凸的焊道来弥补这种情形。

热影响区开裂

热影响区开裂是以在焊道附近区域发生的相互分离为特征的。尽管与焊接方法有关,,但是开裂是发生在母材上,而不是焊接材料。这种类型的开裂也称为“焊道下开裂”,“趾裂”或是“推迟开裂”。因为在大约400℉以下的钢材冷却之后就会发生这种类型的开裂,可称为“冷裂”,因为它是与氢相关联的,也可叫做“氢助开裂”。

要使热影响区发生开裂,三个条件必须同时存在:必须有充足的氢含量;必须有充足的敏感性材料,而且必须要有充足的高残留含量或是应力。充分减少或消除这三种变素中的一种,一般就可以消除热影响区开裂。在焊接应用中,典型的方式是限制三种变素中的两种,即:氢含量和材料的敏感性。

氢可以多种渠道进入焊道熔池。水分和有机复合物是氢的主要来源。存在于钢材,焊条,遮护材料中,并且也存在于大气中。药粉成分,无论是在焊条外面的,还是在焊芯中,或是以埋弧或电渣焊剂的形式,都可以凭借存储条件和处理实践来吸收水分。为了限制熔填焊道中的氢含量,必须适当的维护焊接材料,而且焊接必须在干净,干燥的表面上进行。

热影响区开裂的第二个必要条件是致敏微观组织。具有优势的区域是指经历了熔核周围区域的热循环而形成的热影响区。在形成熔池的过程中,此区域通过焊接电弧来加热,并从室温下的铁素体结构转变成温度升高了的奥氏体结构。后续的冷却速率会决定最终的HAZ性能。推动开裂致敏微观组织的条件包括高的冷却速率和钢材中的较高硬化程度。高的冷却速率是通过较低的线能焊接程序和,较大的母材厚度和较低的母材温度。较高的硬化程度是由于较大的碳含量和合金程度而形成的。对于一种既定钢材,减少冷却速率的最有效的方法是通过预热来升高周围钢材的温度。这样就减少了温度梯度,降低了冷却速率并限制了致敏微观组织的形成。有效的预热是种主要的方法,通过此方法,可产生可接受的热影响区性能,尽管在这个区域,线能量也对冷却速率有着重大的影响。

焊接的残留应力可以通过热应力释放来减少,尽管对于大多数结构应用来讲,在经济上是不切实际的。对于复杂的结构应用,必须要考虑到暂时的支撑和其他的条件,因为钢材在应力释放温度上有着一种极大的削弱强度的能力。在实际的应用中,热影响区开裂会受到有效的低氢应用和恰当的预热控制。

对于HAZ氢脆裂的发生,对于氢来说,移动到热影响区是由必要的,只是需要时间。针对这个原因,D1.1(D1.1-96,6.11节)要求完成焊道后推迟48小时,在A514,A517和A709Gr.100和100W的钢材上进行检测,也就是所谓的对氢助热影响区开裂敏感。

随着时间的推移,氢从焊道中扩散。尽管在特别的应用上要花许多个月,但是为避免一般在几周之内就会发生的开裂,扩散还是要充分的。接近焊接时间的氢的集中程度总是最大的,如果发生氢诱导开裂,一般在制造的几天内就会发生,不管怎样,可能要花很长的时间使裂纹扩大到足够检测的尺寸。

尽管是许多变素中的一项功能,可约估一般的扩散比率。在450℉,氢以大约1in/hr的速率扩散。在220℉下,氢在48小时内以相同的1in扩散。在室温下,典型的氢扩散率为每2周1in。如果在一个焊件中有一个关于氢程度的问题,可能适用于通常叫做“后热处理”的焊后热处理。这个一般涉及了400到450℉温度下的焊道加热,对于所涉及材料的厚度的每一英寸,都应该在那个温度下,将钢材保持1小时。在那个温度下,氢很有可能通过扩散到之前涉及到的开裂风险而重新分布。但是,一些材料会要求每英寸多于1小时。这种操作可能没有必要,因为氢已经被合理的控制,而且以阻止焊道下开裂的形式来看,不及预热那样有力。为使焊后操作更有效,必须在焊件被允许冷却至室温前就进行处理。如果这么做失败的话,在进行焊后热处理之前就会产生热影响区开裂。

 

横向开裂

横向开裂,也叫做横向裂纹,是以垂直于行进方向的焊道金属内裂纹为特征的。这也是最少遇到的开裂类型,一般与强度较高的焊道金属联系在一起的,且超过母材。这种类型的开裂也是由氢来辅助的,正如之前所描述的热影响区开裂一样,横向开裂也是过度的氢残留应力和一种敏感的微观组织的一种因素。主要的区别是:由于纵向残留应力,横向开裂发生在焊道金属中。当焊道发生横向收缩,周围的母材通过压缩来阻止此残留应力。周围处于压缩状态的钢材具有高强度,并限制了所要求的焊材的收缩。由于周围母材的限制,焊道金属促进了纵向应力,便于在横向方向发生开裂。

当发生横向开裂时,重新回顾一下低氢操作是有保障的。应该仔细复习一下焊条的储存条件。如果这是个问题,那么焊道金属强度的降低通常会解决横向开裂的问题。当然,必须仍然要满足设计要求,尽管大多数的横向开裂都是由于焊道金属的高配条件。

之所以强调焊道金属,那是因为熔填金属在正常的条件下可以熔填更低的强度,更高韧性的金属。不管怎样,随着合金聚集的影响,对于焊道金属来说,很有可能呈现出极其高的强度和降低的韧性。使用较低强度的焊道金属是一种有效的解决方法,但是要注意确保所要求的接头强度已经达到。

 

预热可能不得不被用于减轻横向开裂中。预热会帮助氢的扩散。进行预热时,它会扩大焊道接头的长度,允许焊道金属和接头同时整合,并且减少用于收缩焊道中的应力。当生成圆周焊道时,这个就显得尤为重要了。当被焊材料的周长扩大时,焊道金属就可以避免与周围的母材整合,也就减少了纵向收缩应力。最后,包含将钢材在250-450℉下保持一段时间(通常厚度为1小时/英寸)的焊后氢释放处理将会帮助任何一个残留应力的扩散。