焊接裂纹焊接中经常遇到的问题，焊接裂纹的存在，轻的影响产品的美观，严重的会导致重大事故，因此，焊接生产中，如何控制焊接裂纹的产生，是焊接技术人员非常关注的问题。
一、什么是焊接裂纹
焊接件中最常见的一种严重缺陷。在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。
二、焊接裂纹种类有哪些？
主要分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂。
1.热裂纹
多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界（见界面）分布的特征；但有时也能在低于固相线的温度下，沿“多边形化边界”形成。热裂纹通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属（母材）内。按其形成过程的特点，又可分为下述三种情况。
液化裂纹：主要产生于焊缝熔合线附近的母材中，有时也产生于多层焊的先施焊的焊道内。形成原因是由于在焊接热的作用下，焊缝熔合线外侧金属内产生沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起的沿晶界液化层开裂。造成这种裂纹的情况有二：一是材料晶粒边界有较多的低熔点物质；另一种是由于迅速加热，使某些金属化合物分解而又来不及扩散，致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。防止这类裂纹的原则为严格控制杂质含量，合理选用焊接材料，尽量减少焊接热的作用。
多边化裂纹：是在低于固相线温度下形成的。其特点是沿“多边形化边界”分布，与一次结晶晶界无明显关系；易产生于单相奥氏体金属中。这种现象可解释为由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使晶体内形成大量的空位和位错，在一定的温度、应力作用下排列成亚晶界（多边形化晶界），当此晶界与有害杂质富集区重合时，往往形成微裂纹。消除此种缺陷的方法是加入可以提高多边形化激活能的合金元素，如在Ni-Cr合金中加入W、Mo、Ta等；另一方面是减少焊接时过热和焊接应力。
2.冷裂纹
根据引起的主要原因可分为淬火裂纹、氢致延迟裂纹和变形裂纹。
淬火裂纹：产生在钢的马氏体转变点(Ms)附近(见过冷奥氏体转变图)或在200℃以下的裂纹，主要发生于中、高碳钢，低合金高强度钢以及钛合金等，主要产生部位在热影响区以及焊缝金属内。裂纹走向为沿晶或穿晶。形成冷裂纹的主要因素有：①金属的含氢量偏高；②脆性组织或对氢脆敏感的组织；③焊接拘束应力（或应变）。
氢致延迟裂纹：焊接过程中溶于焊缝金属内的氢向热影响区扩散、偏聚，特别是在容易启裂的三轴拉应力集中区富集，引起氢脆，即降低金属在启裂位置（或裂纹前端）的临界应力，当此处的局部应力超过此临界应力时，就造成开裂。这种裂纹的形成有明显的时间延迟的特征，其原因在于氢扩散富集需要时间(孕育期)。产生此种裂纹的条件是存在着氢和对氢敏感的组织，同时又有较大的拘束应力。因此，它常产生在严重应力集中的焊件根部和缝边，以及过热区。防止的措施包括：①降低焊缝中的含氢量，例如采用低氢焊条，严格烘干焊接材料等；②合理的预热及后热；③选用碳当量较低的原材料；④减小拘束应力，避免应力集中(见金属中氢)。
变形裂纹：这种裂纹的形成不一定是因为氢含量偏高，在多层焊或角焊缝产生应变集中的情况下，由于拉伸应变超过了金属塑性变形能力而产生。
3.再热裂纹
产生于某些低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金焊后的再次高温加热过程中。其主要原因一般认为当焊后再次加热到500～700℃时，在热影响区的过热区内，由于特殊碳化物析出引起的晶内二次强化，一些弱化晶界的微量元素的析出，以及使焊接应力松弛时的附加变形集中于晶界，而导致沿晶开裂。因此，这种裂纹具有晶间开裂的特征，并且都发生在有严重应力集中的热影响区的粗晶区内。为了防止这种裂纹的产生，首先在设计时要选择再热裂纹敏感性低的材料，其次从工艺上要尽量减少近缝区的内应力和应力集中问题。
4.层状撕裂
主要产生于厚板角焊时，见附图。其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向塑性低于沿轧制方向，另外由于厚板角焊时在板厚方向造成了很大的焊接应力，所以引起层状撕裂。通常认为片状硫化物夹杂危害最大，而层状硅酸盐和过量密集的氧化铝夹杂物也有影响。防止这种缺陷，主要应在冶金过程中严格控制夹杂物的数量和分布状态。另外，改进接头设计和焊接工艺，也有一定的作用。
三、如何避免焊接裂纹？
1.热裂纹
（1）适当的焊接设计：焊接设计应考虑母材之可焊性、焊材与母材之匹配、焊接效率、焊接方式、焊道尺寸、焊接变形及接合板挫屈等因素。举填角焊道为例来说明，根据美国焊接协会钢结构焊接法规的规定，填角焊道分为三类，如图2所示，包括理想之焊道、可接受之焊道宽度以及不可接受之焊道，其中不正确的焊道尺寸包括填角焊道之喉深不足、凸面过长、焊蚀、搭迭、脚长不足与熔合不良。美国焊接协会钢结构焊接法规与我国钢构造建筑物钢结构设计技术规范也都规定填角焊道之最小尺寸如表4所示。
填角焊最小脚长尺寸是由接头之两部分中较厚板来决定，但不得大于较薄板之厚度。若超出则应有充分之预热，以确保焊接之质量。如经应力计算需要时，焊接尺寸可大于接合部之薄板厚度。表3提供各种板厚之填角焊最小脚长尺寸，表4显示填角焊之全焊道宽度与最大凸面长度之关系。
（2）如何减少潜伏裂纹：在潜弧焊之平角焊道上出现纵向裂纹的原因为何？如何防止与避免？
潜弧焊接制程一般是应用于桥梁、厂房、大楼钢构、化工设备制造、货柜制造、造船等工业，也因为这些产业与人类的生命财产安全息息相关，因此，在这些应用上的焊接质量扮演相当重要的角色。
（3）纵向裂纹之形成原因：采用潜弧焊技术焊接平角焊道时，若焊道金属表面发生纵向的长条形裂纹如图1所示。通常这种焊道表面的长条形裂纹是属于热裂纹中的结晶裂纹。这种焊接裂纹的发生原因可以用图2来说明，当左侧焊道逐渐冷却时，焊道与母材会存留部分的焊接热应力，使得A板会受焊道收缩影响而微微向左偏离中心线。但当右侧焊道完成后，焊道的凝固收缩热应力，加上右侧焊道的焊接热量连带产生左侧焊道的体积膨胀，此热应力现象将造成A板的向右拉回现象与增加左侧焊道热裂的发生机率。当左右两侧焊道开始逐渐冷却时，焊道的体积收缩效应也会使热裂的情况逐渐恶化。这种情形也曾出现在钢构件刚完成焊接时并无龟裂产生，却在逐渐冷却的过程中逐渐在其中一侧焊道上显现长条形的裂缝。
通常结晶裂纹比较容易发生在以不纯物较多的碳钢或低合金钢为母材的焊道中，结晶裂纹一般只产生在焊道表面，大多数呈纵向分布在焊缝中心在线，也有一些呈弧形分布在焊缝中心线之两侧，而且这些弧形裂纹与焊道波纹呈垂直分布，如图3所示。一般来说纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。此外，弧坑裂纹也属于结晶裂纹，产生在焊道的收尾处弧坑中呈星状分布。
由结晶裂纹的型态、分布和裂纹走向可深入发现，无论是纵向裂纹或是弧形裂纹，它们都有一个共同的特性，就是裂纹在中都是沿一次结晶的晶界分布，特别是延柱状晶的晶界分布，焊道中心的纵向裂纹正好位于以焊道两侧生成的柱状晶的结合面上，焊道中心线两侧的弧形裂纹则位于平行生长的柱状晶界上。
因为焊道结晶时先结晶的部分会较纯，后结晶的部分含不纯物与合金成分较多。随柱状晶的的不断长大，不纯物与合金成份也不断被排挤的到焊道的中心或平行生长的柱状晶交界处。这种成分偏析的现象会使这些交界处富集了较多的不纯物或合金元素。当焊道凝固收缩时，造成了收缩拉应力，往往晶界间的共晶承受不了这种收缩应力，结果就在交界处形成了结晶裂纹。
（4）避免结晶裂纹的焊接措施：要避免结晶裂纹的产生，首先必须考虑如何减少焊道中不纯物含量，以及如何以适当的施工方法来降低变形对焊道的影响。
（5）降低焊道的不纯物含量：降低焊道中不纯物含量的方法包括母材与焊材两方面，在工程中由于母材材料不合格而产生的结晶裂纹的实例相当的多，例如某钢构厂的钢板的连接焊道表面多处都出现了结晶裂纹，经化验分析查明母材中的碳、硫与磷成分都远远超过规范标准值，导致焊道中的不纯物含量也相对提高，而造成结晶裂纹的发生。然而，透过选用不纯物相对较低、成分均匀且质量稳定的焊材，可大幅降低结晶裂纹发生的机率。
（6）适当的施工方法：通常焊道的喉深不足或渗透不足也会增加纵向裂纹的发生机率。焊道通常扮演承受两端钢板的拉伸应力与压缩应力的关键角色。焊道的喉深若是不足或渗透程度不足，意味着能够承受应力的截面积（蓝色）缩小了，如图4所示，如同细线无法悬吊重物一般，相当容易发生断裂。就如同图2所示，只要右侧焊接凝固的收缩应力大过左侧焊道的承受力，左侧焊道就会立即出现龟裂现象。
一般来说，焊道的喉深非常容易由目视及量规来判断是否符合标准，然而，焊道的渗透程度就比较不易由目视来观察，必须透过非破坏检验技术来量测，或透过焊接条件试作与进行破坏性的金相试验来观察焊道熔深的渗透程度是否符合标准。
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适当的施工方法必须考虑板厚、厚板的开槽、焊接条件与焊接方法。以厚板为例说明，一般钢板厚度超过17.5mm就必须开槽，如图5所示。焊接方法应采两道以上的焊接来施工，第一道应加大焊接电流或降低移行速度来达到充分渗透的目的，第二道焊接时再以适当的焊接条件来满足喉深与角长的要求。当潜弧焊之平角焊道有足够的熔深渗透与喉深，焊道自然具备足够的能力来承受焊接变形的影响。
（7）在焊道终端部位时常出现龟裂？如何防止与避免？
采用潜弧焊技术焊接长焊道时，常在终焊端附近的焊道金属内发生纵向裂纹如图6所示，通常这种裂纹是属于热裂纹中的结晶裂纹。这种焊接裂纹的产生原因可以用图7来说明，当焊接电弧接近焊道终端时，焊道受电弧热在A-A方向膨胀变形，同时在B-B方向发生张开变形，而终端之导焊板的拘束力虽会限制其变形，但导焊板在电弧热的作用下也会连带产生B’-B’方向的膨胀，因而使B-B方向的变形应力限制作用产生松弛，使得产生焊道终端部的结晶裂缝。
结晶裂纹通常容易产生在单相沃斯田铁钢、镍基合金、铝合金以及不纯物较多的碳钢与低合金钢中，结晶裂纹一般只产生在焊缝中，大多数呈纵向分布在焊缝中心在线，也有一些呈弧形分布在焊缝中心线之两侧，而且这些弧形裂纹与焊道波纹呈垂直分布如图8所示，一般来说纵向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。此外，弧坑裂纹也属于结晶裂纹，产生在焊道的收尾处弧坑中呈星状分布。
2.冷裂纹
防治冷裂纹可以从工件的化学成分、焊接材料的选择和工艺措施三方面入手。应尽量选用碳当量较低的材料；焊材应选用低氢焊条，焊缝应用低强度匹配，对于高冷裂倾向的材料也可选用奥氏体焊材；合理控制线能量、预热和后热处理是防治冷裂的工艺措施。
在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，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纹。然而在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹。
延迟裂纹有以下三种形式：
（1）焊趾裂纹——这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位。裂纹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）焊道下裂纹——这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行。
（3）根部裂纹——这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。这种裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在焊缝金属中。
钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。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决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹。为什么钢淬硬之后会引起开裂呢？可归纳为以下两方面。
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。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道，马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。
b：淬硬会形成更多的晶格缺陷——金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要是空位和位错。随焊接热影响区的热应变量增加，在应力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，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。
氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并且有延迟的特征，因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”。试验研究 证明，高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹，此值称为产生裂纹的临界含氢量[H]cr。
各种钢产生冷裂的[H]cr值是不同的，它与钢的化学成分、钢度、预热温度，以及冷却条件等有关。
首先，焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。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，成为增氢的主要来源。
其次，氢在不同金属组织中的溶解和扩散能力是不同的，氢在奥氏体中的溶解度远比铁素体中的溶解度大。因此，在焊接时由奥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，由奥氏体向铁素体转变时突然增大。
焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中形成扩散氢。
3.再热裂纹
（1）严格控制原材料：在原材料的采购上，钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响，需严格控制，还有能形成硫磷共晶物的S、P含量，采购焊接材料时也要有同样的要求，这样的措施是解决产生再热裂纹内因的较为有效的措施之一。
选择热裂纹敏感性低的焊接材料（严格控制S、P、V、Nb等元素含量），焊缝金属强度取下限。
（2）制定合理的焊接规范：尽可能地降低焊接线能量，控制预热层间温度。这决定了焊缝金属的冷却条件，对焊缝区显微组织有很大影响。一般来讲，采用小线能量多道多层并适当提高焊缝区的冷却速度，对改善显微组织、提高冲击韧性、防止热裂纹产生是有利的。但过低的层间温度，将不利于氢的逸出，有产生冷裂纹的危险，因此控制冷却速度，获取细化的晶粒应着重考虑从控制线能量的大小上着手。
②采取适当的预热措施：采取适当的预热措施，可以软化淬硬层的硬度、提高韧性、提高抗裂性。
（3）控制焊接过程，减少微小缺陷量：认真执行焊接规范，减少微小缺陷，减少熔敷金属量，采用窄间隙焊也是控制再热裂纹的有效措施。通过上面的论述，这些微小缺陷，不超标的缺陷，由于是应力集中点，因此在热处理释放应力过程中，有应力叠加的原因，造成再热裂纹。因此，控制这些缺陷也是必要的。
（4）控制焊接残余应力：焊接残余应力在热处理蠕变膨胀力的作用下，特别是在应力叠加为拉应力的情况下，焊缝中的应力集中点，碳化物产生的沉淀硬化区后晶界的薄弱环节，抵抗不了应变造成开裂。因此在热处理前，减小残余应力的手段也能减少再热裂纹的产生。①采用半道中间热处理。②采用高频超声波冲击法。这两种手段都能有效地减少焊接残余应力。
（5）焊后热处理：在焊后热处理过程中，控制升温以及降温的速度，以较缓慢均匀地膨胀、收缩，减小再热裂纹的产生。
4.层状撕裂
防止层状撕裂应主要从以下方面采取措施：
第一，精练钢 广泛采用铁水先期脱硫的办法，并用真空脱气，可以冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢，它的断面收缩率（Z向）可达23~25%。
第二，控制硫化物夹杂的形态 是把MnS变成其他元素的硫化物，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元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢，可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。
第三，从防止层状撕裂的角度出发，在设计和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中，具体措施按下例参考：
（1）应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态，为防止应力集中。
（2）采用焊接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝，以免产生过大的应力。
（3）应在承受Z向应力的一侧开坡口。
（4）对于T型接头，可在横板上预先堆焊一层低强的焊接材料，以防止焊根裂纹，同时亦可缓和焊接应变。
（5）为防止由冷裂引起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如减少氢量、适当提高预热、控制层间温度等。
焊接内部裂纹实例
根部裂纹
中心裂纹
纵向裂纹
