「材料课堂」焊接裂纹产生原因及防治

背景

冲压裂缝就其实质新埃，可分成热裂缝、再热裂缝、冷裂缝、柱状失去平衡等。上面仅就各种裂缝的其其原因、特点和预防办法进行具体的阐释。

1．热裂缝

在冲压时低温下造成的，故名热裂缝，它的特征是沿原莱氏体微结构脱落。

根据所焊合金的金属材料不同（低合金武艺高强钢、钢制、钢制、碳纤维和这类军用合金等），造成热裂缝的形态、环境温度区段和主要就其原因也各有不同。

目前，把热裂缝分成沉淀裂缝、天然气裂缝和双边裂缝等五类。

1）沉淀裂缝主要就造成在含沉淀物非常多的钢制、玻璃钢沟槽中（含S，P，C，Si缝相对较低）和交流电莱氏体钢、镍AlGaAs以及这类碳纤维沟槽中。

这种裂缝是在沟槽沉淀过程中，在固同轴电缆附近，虽然凝结合金的膨胀，残存固体合金不足，不能及时处理添充，在形变促进作用下发生沿晶脱落。

预防举措：在机械制造因素各方面，适度调整沟槽合金成份，延长塑性环境温度区的范围控制沟槽姚学甲、磷、碳等有毒沉淀物的浓度；明晰沟槽合金一次孔隙，即适度重新加入Mo、V、Ti、Nb等原素；在工艺技术各方面，能通过焊前紧接著、边界线热量、增大接点束缚度等各方面来预防。

2）近缝区天然气裂缝是一类沿莱氏体微结构脱落的微裂缝，它的体积极小，发生于HAZ近缝区或接合处。

它的其其原因一般是虽然冲压时近缝区合金或沟槽接合处合金，在低温下使这些区域的莱氏体微结构上的低熔固相共同组成物被重新熔融，在拉形变的促进作用下沿莱氏体晶间脱落而形成天然气裂缝。

这一类裂缝的预防举措与沉淀裂缝大体上是完全一致的。

的的机械制造各方面，尽量降低硫、磷、硅、硼等低熔固相共同组成原素的浓度是十分有效的；在工艺技术各方面，能增大线热量，增大硝酸锶charged线的凹度。

3）双边化裂缝是在形成双边化的过程中，虽然低温时的塑性很低造成的。

这种裂缝并不常见，其预防举措能向沟槽中重新加入提高双边化激化能的原素如Mo、W、Ti等。

2、再热裂缝

通常发生于这类含有沉淀强化原素的钢种和低温合金（包括低合金武艺高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化低温合金，以及这类莱氏体钢制），他们焊后并未发现裂缝，而是在热处理过程中造成了裂缝。

再热裂缝造成在冲压热影响区的过热粗晶部位，其走向是沿charged线的莱氏体粗晶微结构扩展。

预防再热裂缝从选材各方面，能选用细孔隙钢。

在工艺技术各方面，选用较小的线热量，选用较高的紧接著环境温度并配合以后热举措，选用低匹配的冲压金属材料，避免形变集中。

3、冷裂缝

主要就发生在高、中钢制、低、中合金钢的冲压热影响区，但有些合金，如这类超武艺高强钢、钛及钛合金等有时冷裂缝也发生在沟槽中。

一般情况下，钢种的淬硬倾向、冲压接点含氢量及分布，以及接点所承受的束缚形变状态是武艺高强钢冲压时造成冷裂缝的三大主要就因素。焊后形成的马氏体组织在氢原素的促进作用下，配合以拉形变，便形成了冷裂缝。

它的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂缝一般分成焊趾裂缝、焊道下裂缝、根部裂缝。

预防冷裂缝能从工件的化学成份、冲压金属材料的选择和工艺技术举措三各方面入手。

应尽量选用碳当量较低的金属材料；焊材应选用低氢焊条，沟槽应用低强度匹配，对于高冷裂倾向的金属材料也可选用莱氏体焊材；合理边界线热量、紧接著和后热处理是预防冷裂的工艺技术举措。

在冲压生产中虽然采用的钢种、冲压金属材料不同，结构的类型、钢度，以及施工的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂缝。

然而在生产上经常遇到的主要就是延迟裂缝。

延迟裂缝有以下三种形式：

1）焊趾裂缝——这种裂缝起源于母材与沟槽交界处，并有明显形变集中部位。裂缝的走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展。

2）焊道下裂缝——这种裂缝经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的冲压热影响区。一般情况下裂缝走向与charged线平行。

3）根部裂缝——这种裂缝是延迟裂缝中比较常见的一类形态，主要就发生在含氢量较高、紧接著环境温度不足的情况下。这种裂缝与焊趾裂缝相似，起源于沟槽根部形变集中最大的部位。根部裂缝可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在沟槽合金中。

钢种的淬硬倾向、冲压接点含氢量及其分布，以及接点所承受的束缚形变状态是武艺高强钢冲压时造成冷裂缝的三大主要就因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。

钢种的淬硬倾向主要就决定于化学成份、板厚、冲压工艺技术和冷却条件等。冲压时，钢种的淬硬倾向越大，越易造成裂缝。为什么钢淬硬之后会引起脱落呢？可归纳为以下两各方面。

a：形成脆硬的马氏体组织——马氏体是碳在ɑ铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。

的的冲压条件下，近缝区的加热环境温度很高，使莱氏体孔隙发生严重长大，当快速冷却时，粗大的莱氏体将转变为粗大的马氏体。

从合金的强度理论能知道，马氏体是一类脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的热量，因此，冲压接点有马氏体存在时，裂缝易于形成和扩展。

b：淬硬会形成更多的晶格缺陷——合金在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要就是空位和位错。

随冲压热影响区的热应变量增加，在形变和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂缝源。

在形变的继续促进作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂缝。

氢是引起武艺高强钢冲压冷裂缝重要因素之一，并且有延迟的特征，因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂缝称为氢致裂缝。

试验研究证明，武艺高强钢冲压接点的含氢量越高，则裂缝的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂缝，此值称为造成裂缝的临界含氢量[H]cr。

各种钢造成冷裂的[H]cr值是不同的，它与钢的化学成份、钢度、紧接著环境温度，以及冷却条件等有关。

1：冲压时，冲压金属材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是沟槽中富氢的其原因。

一般情况下母材和焊丝中的氢量很少，而焊条药皮的水分和空气中的湿气却不能忽视，成为增氢的主要就来源。

2：氢在不同合金组织中的溶解和扩散能力是不同的，氢在莱氏体中的溶解度远比铁素体中的溶解度大。

因此，在冲压时由莱氏体向铁素体转变时，氢的溶解度发生突然下降。

与此同时，氢的扩散速度恰好相反，由莱氏体向铁素体转变时突然增大。

冲压时在低温促进作用下，将有大量的氢溶解在硝酸锶中，在随后的冷却和凝结过程中，虽然溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在沟槽合金中形成扩散氢。

4、柱状失去平衡

一类内部的低温脱落。仅限于厚板的母材合金或沟槽热影响区，多发生于L、T、+型接点中。

其定义为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的冲压膨胀应变而发生于母材的一类阶梯状冷裂缝。

一般是虽然厚钢板在轧制过程中，把钢内的一些非合金夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物，这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。

预防柱状失去平衡在选材上能选用精练钢，即选用z向性能高的钢板，也能改善接点设计形式，避免单侧沟槽、或在承受z向形变的一侧开出坡口。

柱状失去平衡与冷裂不同，它的造成与钢种强度级别无关，主要就与钢中的夹杂量和分布形态有关。

一般轧制的厚钢板，如低钢制、低合金武艺高强钢，甚至碳纤维的板材中也会出现柱状失去平衡。根据柱状失去平衡造成的位置大体能分成三类：

第一类是在冲压热影响区焊趾或焊根冷裂缝诱发而形成的柱状失去平衡。

第二类是冲压热影响区沿夹杂脱落，是工程上最常见的柱状失去平衡。

第三类远离热影响区母材中沿夹杂脱落，一般多出现在有非常多MnS的片状夹杂的厚板结构中。

柱状失去平衡的形态与夹杂的种类、形状、分布，以及所处的位置有密切关系。

当沿轧制方向上以片状的MnS夹杂为主时，柱状失去平衡具有清晰的阶梯状，当以硅酸盐夹杂为主时呈直线状，如以Al 夹杂为主时呈不规则的阶梯状。

厚板结构冲压时，特别是T型和角接接点，在刚性束缚的条件下，沟槽膨胀时会在母材厚度方向造成很大的拉伸形变和应变，当应变超过母材合金的塑性变形能力时，夹杂物与合金基体之间就会发生分离而造成微裂，在形变的继续促进作用下裂缝尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓平台。

影响柱状失去平衡的因素很多，主要就有以下几各方面：

1：非合金夹杂物的种类、数量和分布形态是造成柱状失去平衡的本质其原因，它是造成钢的各向异性、机械性能差异的根本所在。

2：Z向束缚形变 厚壁冲压结构在冲压过程中承受不同的Z向束缚形变、焊后的残存形变及载荷，它们是造成柱状失去平衡的力学条件。

3：氢的影响 一般认为，在热影响区附近，由冷裂诱发成为柱状失去平衡，氢是一个重要的影响因素。

虽然柱状失去平衡的影响很大，危害也甚为严重，因此需要在施工之前，对钢材柱状失去平衡的敏感性作出判断。

常用的评定方法有Z向拉伸断面膨胀率和插销Z向临界形变法。为防止柱状失去平衡，断面膨胀率 应不小于15%，一般希望 =15~20%为宜，当25%时，认为抗柱状失去平衡优异。

防止柱状失去平衡应主要就从以下各方面采取举措：

第一，精练钢 广泛采用铁水先期脱硫的办法，并用真空脱气，能冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢，它的断面膨胀率（Z向）可达23~25%。

第二，控制硫化物夹杂的形态 是把MnS变成其他原素的硫化物，使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加原素是钙和稀土原素。经过上述处理的钢，可制造出Z向断面膨胀率达50~70%的抗柱状失去平衡钢板。

第三，从防止柱状失去平衡的角度出发，在设计和施工工艺技术上主要就是避免Z向形变和形变集中，具体举措按下例参考：

1）应尽量避免单侧沟槽，改用双侧沟槽可缓和沟槽根部区的形变状态，为防止形变集中。

2）采用冲压量少的对称角沟槽代替冲压量大的全焊透沟槽，以免造成过大的形变。

3）应在承受Z向形变的一侧开坡口。

4）对于T型接点，可在横板上预先堆焊一层低强的冲压金属材料，以防止焊根裂缝，同时亦可缓和冲压应变。

5）为防止由冷裂引起的柱状失去平衡，应尽量采用一些防止冷裂的举措，如减少氢量、适度提高紧接著、控制接合处环境温度等。（来源：热加工论坛）