低合金耐热钢焊接裂纹的探讨

李阳

(保定市特种设备监督检验所，河北 保定)

一、焊接裂纹的形态和类型

1.焊接裂纹的形态

低合金耐热钢焊接时易产生裂纹,通过检查发现这种裂纹常以纵向的方式存在于焊缝中间及熔合线处,有时也以横向的方式不规则地分布在整条焊缝中,严重时延伸到母材上。

2.焊接裂纹所属类型

根据延迟裂纹的机理，氢由金属内部向外扩散的过程中，会遇到某些"陷阱"（如显微杂质和微孔等），从而发生聚集，并由原子状态转变为分子状态，形成较大的内应力，从而促使这些原有微观缺陷的地方不断扩大，直至形成微观裂纹。从焊接过程中发现有较多的针状气孔现象来看，可以表明焊缝中的氢含量已处于饱和状态，而焊后的去氢处理又不充分，从而导致焊缝产生延迟裂纹。而从裂纹的扩展方向来看是由焊缝向两侧母材方向扩展，这与氢的扩展方向呈一致性，由此说明裂纹的性质属于冷裂纹。

这条焊缝的焊接持续了两天多，在整个焊接过程中均没有发现裂纹，只是在整条焊缝焊妥后的第二天才发现，随着时间的推移，裂纹有扩展的趋势。这就进一步说明焊接裂纹属冷裂纹。

另外，从所发现的焊接气孔来看，焊接表面的气孔呈喇叭口形，且气孔的四周有光滑的内壁。随后的机械加工过程中发现焊缝内部也存在气孔,多呈小圆球状,这与氢气孔的特征完全吻合,这说明了焊缝中存在大量的过饱和氢。由于氢在不同温度和不同组织中的溶解度差异很大，这样的焊接接头冷却时，析出的氢就会向周围的热影响区扩散，待组织转变后就在热影响区聚集相当多的氢。当这里存在显微缺陷如原子空位、空穴等，氢原子就在这些地方结合成分子状态的氢，在局部地区造成 很大的压力，加上组织转变时的体积膨胀而产生的巨大组织应力，促使钢发生破坏，从而形成氢延迟裂纹。

二、原因分析

1.母材及焊接材料化学成分的影响

根据碳当量的计算公式算出母材的碳当量为0.941%，焊丝的碳当量为0.92%，均大于0.6%。因此，无论是母材还是焊材，其淬硬倾向严重，焊接性比较差，焊接时需要采取较高的预热温度及严格的工艺措施，否则易产生裂纹。

2.大而厚的结构形式对焊接应力的影响

(1)对于大而厚的容器，由于结构本身钢性大，焊接过程易产生相当大的焊接应力。焊接时焊件上温度呈不均匀的分布，即在热源中心部分温度最高，离热源越远则温度越低。焊接时熔池的平均温度在2000℃以上，它被周围相对处于冷态的金属包围而受到约束，不能自由伸长，因而产生相当大的内应力，加上结构钢性大，不能变形，易导致裂纹产生。

(2)焊缝金属在冷却过程中体积发生收缩，尤其是大厚度焊缝，焊缝中填充金属多，收缩量大。这种收缩也会产生较大的收缩应力而导致裂纹的产生。

(3)焊接时，金属加热到很高温度，加上结构大而厚，散热快，因此，随后的冷却温度特别快，金属内部组织会发生很大的变化。由于各种金属组织比重不同，冷却后体积变化也不同，这种体积变化也受到周围未经组织变化金属的约束，其结果使金属内部产生较大的组织应力，也会导致裂纹的产生。

3.焊接工艺的影响

(1)焊接线能量的影响

由于结构本身大而厚，加上实际焊接生产中一般都选用较大的焊接线能量，这样在热影响区由于容易产生过热组织使这部分金属晶粒粗大，降低了焊接接头的抗裂性能而导致裂纹的产生。

(2)预热温度的影响

低合金耐热钢预热温度为200-250℃左右，可减缓焊接时的温度应力，防止冷裂纹的产生。因此，严格地选择预热温度及预热方法非常重要。但是施工现场由于条件的限制，预热温度控制得很不准确，预热时不控制加热速度，使得外表面很热而内壁还是冷的，这样造成测量预热温度时的虚假现象，从而容易造成较大的温差应力导致裂纹的产生。

[1]JB4708-2000.钢制压力容器焊接工艺评定.

[2]JB4709-2000.钢制压力容器焊接规程.

[3]JB4744-2000.钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验.

[4]GB150-1998.钢制压力容器.