焊接裂紋的分析與處理

1、PAGE PAGE 16焊接裂紋的分析與處理我們在廠修車體、車架、轉向架構架時經(jīng)常會遇到焊縫或母材的裂紋。我們已經(jīng)講過裂紋的判斷，判斷出裂紋以后就需要對裂紋進行處理。如果我們在處理之前對裂紋沒有一個準確的分析，就不可能制定出最佳的處理方案。因此必須要對裂紋進行認真的分折。根據(jù)焊接生產(chǎn)中采用的鋼材和結構類型不同，可能遇到各種裂紋，裂紋多產(chǎn)生在焊縫上，如焊縫上的縱向裂，焊縫上的橫向裂。也可以產(chǎn)生在焊縫兩側的熱影響區(qū)，焊縫熱影響區(qū)的縱向裂，焊接影響的橫向裂紋，焊接熱影響區(qū)的焊縫貫穿裂紋，有時產(chǎn)生在金屬表面，有時產(chǎn)生在金屬內(nèi)部，如焊縫根部裂、焊趾裂，有的裂紋用肉眼可以看到，有的則必須借助顯微鏡才能發(fā)現(xiàn)

2、，有的裂紋焊后立即出現(xiàn)，有的則是放置或運行一段時間之后才出現(xiàn)。1.焊縫裂紋的分類根據(jù)裂紋的本質和特征，可分為五種類型：即熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂及應力腐蝕裂紋。1.1熱裂紋熱裂紋是在高溫情況下產(chǎn)生的，而且是沿奧氏體晶界開裂，就目前的理解，把裂紋又分為結晶裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋三類。（1）結晶裂紋結晶裂紋的形成期，是在焊縫結晶過程中且溫度處在固相線附近的高溫階段，即處于焊縫金屬的凝固末期固液共存階段，由于凝固金屬收縮時殘存液相不足，致使沿晶開裂，故稱結晶裂紋，由于這種裂紋是在焊縫金屬凝固過程中產(chǎn)生的，所以也稱為凝固裂紋。結晶裂紋的特征：存在的部位主要在焊縫上，也有少量的在熱影響區(qū)，

3、最常見的是沿焊縫中心長度方向上開裂，即縱向裂，斷口有較明顯的氧化色，表面無光澤，也是結晶裂紋在高溫下形成的一個特征。（2）液化裂紋焊接過程中，在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在多層焊縫的層間金屬以及母材近縫區(qū)金屬中，由于晶間層金屬被重新熔化，在一定的收縮應力的作用下，沿奧氏體晶界產(chǎn)生的開裂，稱為“液化裂紋”也稱“熱撕裂”。液化裂的特征：易產(chǎn)生在母材近縫區(qū)中緊靠熔合線的地方（部分溶化區(qū)），或多層焊縫的層間金屬中。裂紋的走向，在母材近縫區(qū)中，裂紋沿過熱奧氏體晶間發(fā)展；在多層焊縫金屬中，裂紋沿原始柱狀晶界發(fā)展，裂紋的擴展方向，視應力的最大方向而定，可以是橫向或縱向；并在多層焊焊縫金屬中，液化裂紋可以貫穿

4、層間；在近縫區(qū)中的液化裂紋可以穿越熔合線進入焊縫金屬中。從被焊的材料上看，液化裂紋主要發(fā)生在含有鉻、鎳的高強度鋼、奧氏體鋼以及某些鎳基合金等材料中。（3）多邊化裂紋-焊接時，焊縫或近縫區(qū)在固相線以下的高溫區(qū)間，由于剛凝固的金屬存在很多晶格缺陷(主要是位錯和空位)和嚴重的物理及化學不均勻性，在一定的溫度和應力作用下，由于晶格缺陷的移動和聚集，便形成了二次邊界，即所謂的“多邊化邊界”這個邊界上堆積了大量的晶格缺陷，所以他的組織疏松，高溫時的強度、塑性都很低，只要此時受少量的拉伸變形，就會沿著多邊化的邊界開裂，即所謂多邊化裂紋。又稱高溫低塑性裂紋。多邊化裂紋的特征：裂紋多發(fā)生在受熱的金屬中，其部位并

5、不都緊靠熔合線(或焊縫層間的重熔線)。1.2、冷裂紋冷裂紋在相當?shù)偷臏囟龋ù蠹s在鋼的馬氏體轉變溫度），由于拘束應力、淬硬組織和氧的作用下，在焊接接頭產(chǎn)生的裂紋即屬冷裂紋。冷裂紋分三類（1）延遲裂冷裂紋中較普遍的形態(tài)不是在焊后出現(xiàn)，有一端孕育期，產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。延遲裂產(chǎn)生的不同部位可分成三種形態(tài)焊趾裂這種裂紋起源于焊縫和母材的交界處，并有明顯的應力集中的地方，裂紋取向經(jīng)常與焊縫縱向平行，一般由焊趾的表面開始，向母材深處延伸。(見照片1、照片2)趾根裂裂 照片1焊趾裂 照片2 焊道下裂紋-這種裂經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向較大，含氫量較高鋼種的焊接的影響區(qū)，一般情況下裂紋取向與熔合線平行，但也有時垂直與熔合線

6、。根部裂紋這種裂紋是延遲裂紋中比較常見的一種形態(tài)，主要發(fā)生在使用含氫量較高的焊條和預熱溫度不足（或根本不預熱）的情況下。這種裂紋與焊趾裂相似，起源于焊縫根部的最大應力集中處，根部裂可能發(fā)生在焊接熱影響區(qū)(粗晶區(qū))也可能發(fā)生在焊縫的金屬內(nèi)，這決定于母材和焊縫的強度、塑性以及根部的形狀。 (2)淬硬脆化裂紋（淬火裂）-有些鋼種由于淬硬傾向比較大，即便在沒有氫的條件下，僅由拘束應力的作用，也能導致開裂。這種裂紋除了出現(xiàn)在熱影響區(qū)之外，還有時出現(xiàn)在焊縫上，這種裂紋主要是由淬硬組織引起的，故又稱淬火裂紋，是冷裂紋的一種形態(tài)，它基本是沒有延遲時間，焊后就裂。(3)低塑性脆化裂紋-某些材料焊接時，在比較低的

7、溫度下，由于收縮應力超過了材料本身的塑性儲備而產(chǎn)生的裂紋稱為低塑性脆化裂紋，如鑄鐵和某些脆性材料焊接，在熱影響區(qū)常常出現(xiàn)邊焊邊裂幾乎沒有延遲現(xiàn)象。堆焊硬質合金和某些淬硬性較高的高強度鋼時，也常出現(xiàn)這種低塑性脆化裂紋。低塑性裂是冷裂紋的又一種形態(tài)，它與一般延遲裂紋不同的是，這種裂紋前圓鈍，裂紋本身具有一定寬度，走向直通，似乎有些脆斷的特征。綜上所述總結，冷裂紋一般特征如下：從冷裂紋形成時期看，它是在焊后較低的溫度下發(fā)生的，對于易淬硬的高強鋼來講，冷裂一般是在焊后冷卻過程中，馬氏體附近或200300以下溫區(qū)間發(fā)生。從斷口看，宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征，是一種無分叉的純斷裂并呈人字形發(fā)

8、展。從裂紋出現(xiàn)的時間看，冷裂紋可以在焊后立即出現(xiàn)，也有時經(jīng)過一段時間（12小時、幾天、甚至更長的時間才出現(xiàn)），（即所謂的延遲裂紋）冷裂紋主要發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金或中合金鋼的熱影響區(qū)，但有些金屬，如某些金屬成分較高的超高強鋼，鈦及鈦合金等有時也產(chǎn)生在焊縫金屬上。冷裂紋是目前生產(chǎn)中影響較大的一種缺陷，甚至造成災難事故。 1.3、再熱裂紋焊接后，焊接接頭金屬處于殘余應力作用的狀態(tài)中，焊后需要進行消除殘余應力熱處理時，（或不經(jīng)熱處理的焊件，處在一定溫度下服役的過程），在一定條件下產(chǎn)生的沿奧氏體晶界發(fā)展的裂紋，稱為再熱裂紋。由于這種裂紋是在重新加熱（熱處理或高溫服役）過程中產(chǎn)生的，故稱“再熱裂紋

9、”，又稱“消除應力處理裂紋”。再熱裂紋的特征：在通常的情況下，再裂紋都起裂于焊趾，焊根等由幾何形狀發(fā)生變化引起的應力集中處。再熱裂紋的產(chǎn)生與加熱溫度和加熱時間有密切關系，存在與最易于產(chǎn)生再裂紋的敏感溫度范圍。如低合金高強度鋼一般在500700之間，鋼種不同，易產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度并不相同。再熱裂紋的產(chǎn)生必須有大的殘余應力和應變?yōu)橄葲Q條件。因此，再熱裂紋最易于產(chǎn)生在大拘束度的厚件或應力集中部位。再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強度鋼珠光體耐熱鋼，奧氏體不銹鋼以及鎳基合金含有沉淀化元素的鋼種的焊接接頭中。1.4、層狀撕裂在大型焊接結構件中特別是厚板（30100名木甚至更厚的軋制鋼板）的焊接結構，如果焊接

10、時在鋼材厚度方向承受較大的拉伸拘束應力，就可能在熱影響區(qū)或靠近熱影響區(qū)的部位，平行于鋼材的軋制方向產(chǎn)生具有階梯狀宏觀形貌裂紋。這類裂紋稱為層狀撕裂。層狀撕裂大多發(fā)生在大厚度高強度鋼材的焊接結構。在無損探傷的條件下，層狀撕裂往往不容易發(fā)現(xiàn)。由于層狀撕裂常常發(fā)生在裝焊結構完成之后，因而是一種難以修復的結構破損甚至造成災難性的事故。層狀撕裂的特征：發(fā)生的位置出現(xiàn)在母材和熱影響區(qū)中，焊縫金屬中不可能出現(xiàn)層狀撕裂，在裂縫形態(tài)上看，裂縫平行于母材軋制方向。就接頭形式而言，容易產(chǎn)生的接頭一般是T型，角接或十字型接頭，一般對接頭很少發(fā)現(xiàn)，但是在焊趾和焊根處由于冷裂的誘發(fā)也會出現(xiàn)。層狀撕裂與冷裂不同，它的產(chǎn)生與

11、鋼種強度無關。1.5應力腐蝕裂金屬材料在某些特定介質和控應力聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的延遲裂現(xiàn)象，稱為應力腐蝕裂。應力腐蝕裂的特征-應力腐蝕裂紋所造成的危害很大。應力腐蝕裂紋形態(tài)從表面看，無明顯均勻腐蝕的痕跡，裂紋的分布如同疏松的網(wǎng)狀或龜裂形式，斷斷斷續(xù)續(xù)，而且以近似橫向的裂紋占多數(shù)，金腐內(nèi)部的腐蝕裂紋，它的形態(tài)如同樹根一樣，并且總是由表面向縱深方向往里發(fā)展，其裂位的深與寬比值很大，細長而帶有分支。焊縫裂是由多種因素造成的，有的是設計結構不合理、有的是組焊工藝不合理、有的是施焊過程中，由于規(guī)范不合適或操做不當造成各種缺陷，在機車運用中引發(fā)疲勞裂紋或應力腐蝕裂。如果這些裂紋沒能及時發(fā)現(xiàn)將引發(fā)母材裂，會造

12、成很大的結構破壞和損失。因此我們在廠修車發(fā)現(xiàn)裂紋時要做具體分析，然后制定可行的施修方案。2.設計結構不合理設計結構不合理會使鋼性不夠造成焊縫或母材裂。這種裂的特征通長是同位置形成批量。橫梁蓋板拉臂座 照片3 照片4例如北京型構架試生產(chǎn)初期，75號車以前的轉向架構架，車軸齒輪箱拉臂座裂。就是由于設計不合理造成的同位置形成批量。原設計采用鋼板組焊件，立板、蓋板與筒體連接位形成高應力集中區(qū)，同時鋼性和強度嚴重下降，造成疲勞焊縫、母材裂。后耒更改了設計，將鋼板組焊件改為鑄鋼件。得到徹底解決。(見照片4)3.組焊工藝不合理組焊工藝不合理造成的焊縫裂及母材裂也是重要原因之一。它的特征也同樣是會形成批量的。

13、例如北京型構架橫粱，(見照片3)最初工藝規(guī)定，箱形結構梁先組裝下蓋板和立板，然后對下蓋板和立板、立板和隔板內(nèi)部進行勾焊。最后組裝上蓋板施焊外側角焊縫。上蓋板，中間彎曲直徑420mm壓型不合適。在組裝時需用卡具強制壓卡，在焊接后產(chǎn)生較大的應力集中區(qū)，盡管采用了整體退火，由于內(nèi)部沒有勾焊，在運用中造成焊縫母材撕裂。最嚴重時下蓋板、兩側立板母材完全貫穿裂。當時北京型是客運主型機車，是相當危險的。后來對工藝進行了更改，先組裝上蓋板和立板，然后對上蓋板和立板、立板和隔板內(nèi)部進行勾焊。使這一嚴重的質量問題得到徹底解決。 圖1再如東風7D型構架，99年底金成江、麻尾段構架批量裂。就是因為即有設計、工藝和施工

14、的等問題綜合原因所造成的。通過（圖一）的分析，我認為主要是補板組裝順序不對，立板與隔板、立板與蓋板在沒有進行施焊的狀態(tài)下組裝的加強補板。由于機車在山區(qū)小半徑運行，構架兩側箱形結構側梁，內(nèi)部的隔板與外立板沒有焊接，使機車運行過彎道時橫向拉力嚴重下降，產(chǎn)生了較大的顫動，造成構架焊縫、母材的疲勞撕裂。導致全部更新為加強型轉向架。損失劇大，教訓極為深刻。4.焊接缺陷造成的焊縫裂無間隙焊縫我們在鋼結構件施焊中的焊接缺焰，咬邊、氣孔、收縮裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等都會埋下裂的陷患。 照片5 照片6無間隙焊縫裂 照片7例如（照片5、照片7）就是我廠生產(chǎn)的電力機車司機室面板在組對時沒有預留間隙，即行焊接。焊

15、后進行打磨失去了有效焊肉造成的焊縫裂，第一臺焊縫裂38處，第二臺裂100余處。造成了很大返工。例如5130廠修車（照片8）就是由于T形焊縫交點接頭處弧坑所引發(fā)的立板對接焊縫邊緣裂，下底板引發(fā)的母材裂。接頭缺陷母材裂接頭弧坑 照片8 照片9例如5130廠修車（照片9）就是因為兩條角焊縫的連接點間斷沒有封死引發(fā)的母材裂。再例如5236廠修機體（照片11）可以看到原焊縫裂，用角型砂輪采用冷消除法打開后，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部較大的氣孔缺陷造成的焊縫裂。5.對焊縫裂進行分析有針對性的制定方案 對廠修車鋼結構件發(fā)現(xiàn)的焊縫裂或母材裂，必須要做認真的初步分析，有針對性的制定有效施修方案才能取得好的效果。氣孔裂裂焊縫裂

16、 照片10 照片11例如廠修5130車架（照片10）是車架側梁中立板對接焊縫裂。從照片上我們可以看到顯示的是焊縫中間裂，從焊縫表面看焊縫沒有任可缺陷，很完美。我們初步分析，并不屬于前邊我們講到的熱裂紋的結晶裂。結晶裂紋的形成期，是在焊縫結晶過程中且溫度處在固相線附近的高溫階段。理論上并不存在延遲裂的可能，如果按結晶裂的特征表現(xiàn)，因該發(fā)生在新造車交檢交驗就有所表現(xiàn)。經(jīng)查此臺車是92年出廠，正是我廠焊接質量滑波期，因此我們懷疑是對接焊縫背面的質量問題，針對這一分析制定施修方案，將車架邊梁頂板切開一個窗口，探查內(nèi)側發(fā)現(xiàn)：原新造時，中立板對接焊縫背面跟本沒焊，而且對接縫間隙過大并加了8mm的鐵條。(技

17、術文件規(guī)定對接焊縫嚴禁加充填物)外側焊縫沒有焊透，導致運用中的斷裂。5.裂紋的處理裂紋的處理很關鍵。其工序包括：打止裂孔及裂紋的消除、預制坡口和間隙、焊前準備處理、焊接及過程應力消除、焊后修整等。其中任何一個環(huán)節(jié)，沒按工藝要求嚴格執(zhí)行都會產(chǎn)生新的裂紋。5.1打止裂孔及裂紋的消除 裂紋的消除可采用電弧氣刨或角型砂輪打磨、風銑刀消磨的冷消除法。建議重要件的裂紋消除盡量采用冷消除，盡可能的減少受熱。淺表性裂紋可不做止裂孔，裂的深度、寬度較大必須處理前在裂紋的終端10mm以內(nèi)，預制58mm的止裂孔，防止裂紋的延伸。5.2預制坡口和間隙 我們在處理廠修車車架、構架的裂紋時，因為是中厚鋼板，所以對對接焊縫

18、要求焊透。一般采用60度V型坡口，預留2mm間隙。對于重要部位，裂紋較嚴重的T形接頭或角接接頭，建議對立板開30度V型坡口，這樣才能保證熔合質量。5.3焊前準備處理 處理裂紋我們建議采用426焊條，提高抗裂性和韌性。焊前要求對焊條預熱200-250，使用溫度不底于150。環(huán)境溫度不低于5度。 要求對坡口表面及施焊表面20mm區(qū)域內(nèi)砂輪打磨。坡口表面不充許存在2mm以上溝槽，金屬表面無油污、氧化物、鐵銹見金屬光澤。5.4焊接及過程應力消除 我們在施焊時應該選擇合理的焊接規(guī)范，對接角焊縫不能一次填充過多，采用多層焊，不得少于三層。每層的起弧和收弧位要錯開不少于20mm。盡量避開死角位及終端起弧或收弧。 圖2 采用合理的焊接順序，正確安排焊接