延迟裂纹的产生机理及防止措施

延迟裂纹的产生机理及防止措施

刘新生

（江苏省特种设备安全监督检验研究院连云港分院222004）

摘要：基于在国内压力容器生产过程中曾发生过多起因焊接延迟裂纹造成的事故的情况，本论文通过分析延迟裂纹的产生机理并提出相应的防止措施，以来指导实际生产，达到减少事故发生的目的。

关键词：延迟裂纹；压力容器；焊接

前言

焊接缺陷中的裂纹是最危险的一种缺陷，它是导致容器发生脆性破裂的主要因素，并加速容器的疲劳断裂与腐蚀断裂。根据英国一个联合小组对一部分使用年限在30年以下的容器事故情况调查，在所发生的132次事故中，由于裂纹而造成的为118件，占全部事故的89.4%，其中疲劳裂纹为47件，占全部事故的89.4%，其中疲劳裂纹为47件，占35.6%，腐蚀裂纹为24件，占18.2%。所以裂纹在压力容器中一般是不允许存在的。

1焊接裂纹的种类

在焊接工程中由于采用的钢材和结构的类型不同，可能遇到各种形态的裂纹，如图1所示。

图1各种裂纹的分布

1-焊缝中的纵向裂纹2-焊缝中的横向裂纹3-HAZ熔合区

裂纹4-焊缝根部裂纹5-HAZ根部裂纹6-延迟裂纹

7-液化裂纹8-焊道下裂纹9-层状撕裂10-弧坑裂纹

就目前的研究，按产生裂纹的本质来分，大体可以分为以下五大类：

其中的延迟裂纹值得关注，在国内压力容器生产过程中曾发生过多起因焊接延迟裂纹造成的事故。如使用18MnMoNb、14MnMoV钢制造压力容器的初期，曾在多层埋弧焊的深厚环缝上发现过横向裂纹和纵向裂纹。这种裂纹不是焊后立即发生的，而是在环缝焊好后放在车间静置期间发现的。焊缝表面裂纹的产生伴随金属开裂的响声。

2延迟裂纹的形成机理

大量的生产实践和理论研究证明：钢种的淬硬倾向，焊接接头的含氢量及其分布，以及焊接接头的拘束应力状态是产生延迟裂纹的主要因素。

（1）钢淬硬后之所以引起裂纹，其原因可以归纳为两个方面：一、形成脆性的马氏体组织；二、淬硬会产生较多的晶格缺陷。

钢种的淬硬倾向越大，马氏体的含量越高。在焊接快速冷却的过程中，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。马氏体是一种脆硬的组织。在钢中含碳量较高时，就形成片状马氏体，且片内存在平行状的孪晶，如图3所示，这种孪晶马氏体的硬度很高又很脆，对裂纹和氢脆的敏感性特别高。

图3片状马氏体的组织形态

而且在焊接过程快热快冷的条件下，会形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位错。当它们浓度达到一定的临界程度时，就会形成裂纹源，在应力的继续作用下，就会不断发生扩展。

氢致裂纹

（2）氢在焊接过程中，由于电弧的高温作用，氢分解为原子或离子状态，并大量溶解在熔池中，在随后冷却和凝固的过程中，由于溶解度的急剧下降，一部分氢极力向外逸出而仍有一部分氢残留在焊缝内部，使焊缝中的氢处于过饱和状态，形成巨大的内应力，致使裂纹开裂，断口上常有白色斑点。

（3）高强钢焊接时产生延迟裂纹不仅决定于钢种的淬硬倾向和氢的有害作用，而且还决定于焊接接头所处的应力状态。在焊接条件下主要存在以下三种应力：一、热应力，二、组织应力、三、结构自身拘束条件所造成的应力。这三种应力是任何结构焊接时不可避免的，但它们都受到各种条件的拘束。

图4焊接过程模型

在焊接过程中由于不均匀加热和冷却，还有工件与焊接材料的物理参数的差异，导致热应力的产生。如图4所示的焊接模型，当电弧作用在工件上，靠近电弧的区域快速升温并熔化，体积急剧膨胀，而离电弧远的区域升温比较慢，体积变化比较小，这时周围区域就限制了熔池的自由膨胀，而当电弧移开后熔池开始冷却凝固收缩，因为之前膨胀受到限制，如果是自由收缩，那熔池应变的更小更窄，但由于周围材料的限制，熔池又不能自由收缩，所以必然产生残余应力。

组织应力是金属相变时体积变化引起的。如奥氏体分解时析出铁素体、珠光体、马氏体等都会引起体积膨胀，而体积膨胀并不是在自由状态下进行的，而是受到周围金属的约束，同时由于焊接时不均匀加热和冷却，因此组织转变时也是不均匀的，结果产生应力。

结构自身拘束条件所造成的应力，这种应力包括结构的刚度、焊缝的位置、焊接的顺序、构件的自重，其它受热部位冷却过程中的收缩，以及夹持部位的松紧程度等都会使焊接接头承受不同程度的应力。

3延迟裂纹的影响因素及防止措施

从以上延迟裂纹产生的机理可以归纳出影响延迟裂纹的主要因素如下：钢种的化学成分作用；结构类型对拘束应力的影响；氢的有害作用；焊接工艺过程的影响。

由此我们提出相应的防止延迟裂纹的措施。大方向从两方面着手：一、冶金措施；二、工艺措施。

3.1冶金措施

冶金措施主要有两方面的内容：一是从母材金属的化学成分上改进，应在冶炼上向低碳钢多种微量合金元素的方向发展；二是尽可能选用低氢的焊接方法、优质低氢的焊接材料，严格控制氢的来源和用合金元素改善焊缝金属的韧性等。这里着重讨论后者所涉及的问题：

（1）选用低氢的焊接方法、优质低氢的焊接材料。

目前各国在焊接不同强度级别的高强钢时，为避免有害氢和改善焊缝金属的塑性和韧性，都有相配套的低氢焊条和焊剂。此外，对于高强钢从防止裂纹出发，采用强度比母材强度稍低的焊条也是有效的。还有，采用二氧化碳气体保护焊，同样可以获得低氢型焊缝金属。

（2）严格控制氢的来源

烘干焊条、焊剂，妥善保管和严格清理焊件及焊丝，并注意环境温度。对焊丝、钢板焊口附近的锈、油污等应仔细清理，并注意防止吸潮。

（3）用合金元素改善焊缝金属的抗裂性能

3.2工艺措施

焊接工艺措施主要内容是：正确选择焊接规范，焊前预热，焊后后热，以及焊后热处理等，个别情况下还采用表面锤击，跟踪回火等措施。

（1）合理选择焊接规范

在焊接前，合理选择焊接规范，对减少焊件变形和裂纹影响很大。如随着电流强度的增加，焊件的变形相应增大。焊缝的焊接顺序对减少焊件变形有很大意义，结构上的焊缝，应该使被连接的两个部件之间的焊缝最后焊成。

（2）局部预热

预热可以减缓焊接接头的冷却速度，从而减小和避免淬硬马氏体组织，降低内应力，并有利于氢的逸出。钢板越厚，钢种的碳含量越大，预热温度越高。

（3）焊后的后热处理

减小残余应力，改善组织，并消除扩散氢。

（4）焊后热处理

一般情况下为消除残余应力只采用回火热处理即可，这种热处理的作用，一方面能消除焊接残余应力，另一方面改善组织，能使已经产生的马氏体获得高温回火，并能彻底脱氢，对于消除延迟裂纹是较为有效的措施。

（5）表面锤击

用手锤和风锤敲击焊缝金属，减小焊接应力。

4小结

通过了解延迟裂纹的产生机理及防止措施，我们要根据具体情况综合考虑，选用最合适的方法，运用到实际的生产中，提高压力容器的制造质量，减少事故的发生。

参考文献：

1张良，关于压力容器安全及事故分析的探讨，安全与环境，2006年No.07.

2李学潜等，压力容器用钢焊接延迟裂纹的研究及防止措施，流体机械，1981.01.

3杜则裕，焊接工艺与失效分析，机械工业出版社，1989.