焊接裂紋可分為熱裂紋，再熱裂紋，冷裂紋，層狀撕裂等。以下是各種裂紋的成因，特征和預(yù)防措施的詳細(xì)說明。

1.熱裂紋

它是在焊接過程中在高溫下產(chǎn)生的，因此稱為熱裂紋。其特征是沿原始奧氏體晶界開裂。根據(jù)金屬的不同材料，焊接的主要原因（低合金高強(qiáng)度鋼，不銹鋼，鑄鐵，鋁合金和某些特殊金屬等），形式，溫度范圍和熱裂紋也不同。目前，熱裂紋分為三種類型：結(jié)晶裂紋，液化裂紋和多邊裂紋。

1）晶體裂紋主要發(fā)生在碳鋼和低合金鋼焊縫中，其中包含各種雜質(zhì)（包括較高的S，P，C和Si），單相奧氏體鋼，鎳基合金和某些鋁合金焊縫。該裂紋在焊接結(jié)晶過程中發(fā)生。接近固相線時，由于凝固金屬的收縮，殘留的液態(tài)金屬不足，不能及時填充，在晶界應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋。

預(yù)防措施如下：就冶金因素而言，適當(dāng)調(diào)整焊接金屬的成分，縮短脆性溫度區(qū)域的范圍，并控制焊接中硫，磷，碳和其他有害雜質(zhì)的含量；細(xì)化焊縫金屬的原始晶粒，即適當(dāng)添加Mo，V，Ti，Nb和其他元素;從技術(shù)上講，可以通過在焊接前預(yù)熱，控制能量并降低接頭的粘結(jié)程度來防止這種情況。

2）接頭附近的液化裂紋是沿著奧氏體晶界開裂的微裂紋。它的尺寸很小，出現(xiàn)在熱影響區(qū)附近或中間。原因通常是在焊接過程中，在接合區(qū)域附近的奧氏體晶界或焊接夾層金屬上的共晶成分在高溫下熔化，并在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界形成液化裂紋。

這種防裂措施與晶體裂紋基本相同。特別是在冶金中，盡可能減少硫，磷，硅和硼等共晶組成元素的含量非常有效。從技術(shù)上講，可以降低線能量，并且可以減小熔池的熔合線的凹度。

3）多邊化裂紋是由于多邊化形成過程中高溫下的低塑性造成的。這種裂紋并不常見，其預(yù)防措施可以在焊縫中添加Mo，W，Ti等元素，以提高多邊化的活化能。

2.再加熱裂紋

通常在某些鋼種和超級合金包含析出強(qiáng)化元素（包括低合金高強(qiáng)度鋼，耐熱珠光體鋼，析出強(qiáng)化超級合金和某些奧氏體不銹鋼）時發(fā)生。焊接后未發(fā)現(xiàn)裂紋，但在熱處理過程中出現(xiàn)了裂紋。再熱裂紋出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)的過熱粗晶粒上，其趨勢是沿著熔合線的奧氏體粗晶粒邊界擴(kuò)展。

在材料選擇中，可以使用細(xì)晶粒鋼來防止再熱裂紋。從技術(shù)上講，應(yīng)選擇較小的線性能量，較高的預(yù)熱溫度和后續(xù)的熱處理措施，并選擇具有較低匹配度的焊接材料以避免應(yīng)力集中。

3.冷裂

它主要發(fā)生在高，中碳鋼，低和中合金鋼的焊接熱影響區(qū)，但是某些金屬，例如一些超高強(qiáng)度鋼，鈦和鈦合金，有時會在焊縫中出現(xiàn)冷裂紋。通常，鋼種的硬化趨勢，焊接接頭的氫含量和分布以及接頭的約束應(yīng)力狀態(tài)是造成高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋的三個主要因素。焊接后形成的馬氏體組織在氫元素的作用下與拉伸應(yīng)力結(jié)合而形成冷裂紋。它的形成通常是跨晶的或晶間的。冷裂紋通常分為焊趾裂紋，焊縫裂紋和根部裂紋。

防止冷裂始于工件的化學(xué)成分，焊接材料的選擇和技術(shù)措施。碳當(dāng)量較低的材料應(yīng)盡可能選擇。焊接材料應(yīng)為低氫焊條，焊縫應(yīng)具有較低的強(qiáng)度，奧氏體焊接材料也可用于具有高冷裂傾向的材料。合理控制能量，進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理是防止冷裂的技術(shù)措施。

由于鋼種，焊接材料，結(jié)構(gòu)類型，剛度和具體施工條件的不同，在焊接生產(chǎn)中可能會出現(xiàn)各種形式的冷裂紋。但是，在生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到延遲的裂紋。

延遲裂紋具有以下三種形式：

1）焊趾裂紋-這種裂紋起源于母材與焊縫的交點(diǎn)，應(yīng)力集中明顯。裂紋的方向通常平行于焊縫，并且通常從焊趾的表面延伸到母體金屬的深度。

2）焊縫下的裂紋-這種裂紋通常發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，具有較高的硬化趨勢和較高的氫含量。通常，裂紋方向平行于熔合線。

3）根裂紋-這種裂紋是延遲裂紋的一種常見形式，主要發(fā)生在氫含量高和預(yù)熱溫度不足的條件下。這種裂紋類似于焊趾裂紋，起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的位置。在熱影響區(qū)的粗晶粒部分或焊縫金屬中可能會發(fā)生根裂紋。

鋼種的硬化趨勢，焊接接頭中的氫含量及其分布以及接頭的約束應(yīng)力狀態(tài)是導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼在焊接過程中產(chǎn)生冷裂紋的三個主要因素。這三個因素相互關(guān)聯(lián)，并且在一定條件下相互促進(jìn)。

鋼種的硬化趨勢主要取決于化學(xué)成分，板厚，焊接工藝和冷卻條件。在焊接過程中，鋼種的硬化趨勢越大，就越容易產(chǎn)生裂紋。鋼的硬化為什么會導(dǎo)致開裂？可以歸納為以下兩個方面。

答：馬氏體是一種脆硬的馬氏體組織。馬氏體是碳在鐵中的過飽和固溶體。碳原子以間隙原子的形式存在于晶格中，這會導(dǎo)致鐵原子偏離平衡位置，并使晶格發(fā)生大的變形，從而使結(jié)構(gòu)處于硬化狀態(tài)。特別是在焊接條件下，接頭附近的加熱溫度很高，導(dǎo)致奧氏體晶粒嚴(yán)重生長。在快速冷卻期間，粗奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇竹R氏體。從金屬的強(qiáng)度理論可以知道，馬氏體是一種脆性和堅硬的組織，當(dāng)發(fā)生斷裂時會消耗較低的能量。因此，當(dāng)焊接接頭中存在馬氏體時，裂紋易于形成和擴(kuò)展。

B：硬化會形成更多的晶格缺陷-金屬在熱不平衡的情況下會形成大量的晶格缺陷。這些晶格缺陷主要是空位和位錯。隨著焊接熱影響區(qū)中熱應(yīng)變的增加，在應(yīng)力和熱量不平衡的情況下，空位和位錯會移動并累積。當(dāng)它們的濃度達(dá)到某個臨界值時，就會形成裂紋源。在不斷的應(yīng)力作用下，它將繼續(xù)膨脹并形成宏觀裂紋。

氫是導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼冷焊裂紋的重要因素之一，并且具有延遲特性。因此，在許多文獻(xiàn)中，由氫引起的延遲裂紋被稱為“由氫引起的裂紋”。實(shí)驗(yàn)研究證明，高強(qiáng)度鋼焊接接頭中的氫含量越高，裂紋敏感性越大。當(dāng)局部區(qū)域的氫含量達(dá)到某個臨界值時，將開始出現(xiàn)裂紋。該值稱為裂紋的臨界氫含量[H] cr。

各種鋼的冷裂紋[H] cr值不同，這與鋼的化學(xué)成分，鋼的程度，預(yù)熱溫度，冷卻條件等有關(guān)。

1.在焊接過程中，焊縫中的水分，鐵銹，油污和環(huán)境濕度是焊縫中富氫的原因。通常，母體金屬和焊絲中的氫含量非常小，而涂層中的水分和空氣中的水分則不容忽視，成為氫富集的主要來源。

2：氫在不同金屬結(jié)構(gòu)中的溶解度和擴(kuò)散性不同。氫在奧氏體中的溶解度遠(yuǎn)大于在鐵素體中的溶解度。因此，當(dāng)奧氏體在焊接過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時，氫的溶解度突然降低。同時，氫的擴(kuò)散速度正好相反。當(dāng)氫從奧氏體變?yōu)殍F素體時，氫的擴(kuò)散速率突然增加。

在焊接過程中，大量的氫氣會在高溫的作用下溶解在熔池中。在隨后的冷卻和固化過程中，由于溶解度的急劇下降，氫將盡可能多地逸出。但是，由于快速冷卻，氫不會逸出，而是會保留在焊縫金屬中以形成擴(kuò)散的氫。

4.分層撕裂

這是內(nèi)部低溫裂紋。它限于母材或厚板焊縫的熱影響區(qū)，并且主要出現(xiàn)在“ L”，“ T”和“ +”接頭處。由于在厚度方向上軋制的厚鋼板的塑性不足以承受該方向上的焊接收縮應(yīng)變，因此被定義為在母材中產(chǎn)生的階梯狀的冷裂紋。通常，在厚鋼板的軋制過程中，鋼中的一些非金屬夾雜物被軋制成平行于軋制方向的帶狀夾雜物，這導(dǎo)致鋼板的機(jī)械性能受到引導(dǎo)。在選擇材料時，可以使用細(xì)鋼來防止分層，即可以選擇具有更高Z方向性能的鋼板，并且可以改進(jìn)接頭設(shè)計形式以避免單向焊接或承受Z方向應(yīng)力的側(cè)面開槽。

分層撕裂不同于冷裂。它的產(chǎn)生與鋼種的強(qiáng)度等級無關(guān)，而主要與鋼中夾雜物的數(shù)量和分布有關(guān)。在厚軋制鋼板（例如低碳鋼，低合金高強(qiáng)度鋼，甚至鋁合金板）中也會發(fā)生分層撕裂。根據(jù)層狀撕裂的位置，一般可分為三類：

第一種是由焊縫熱影響區(qū)的焊趾或焊根處的冷裂紋引起的層狀撕裂。

第二類是焊接熱影響區(qū)夾雜物的裂紋，這是工程中最常見的分層。

沿著遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母體金屬中夾雜物的第三種類型的裂紋通常出現(xiàn)在具有更多MnS分層夾雜物的厚板結(jié)構(gòu)中。

層狀撕裂的形態(tài)與夾雜物的類型，形狀，分布和位置密切相關(guān)。當(dāng)MnS夾雜物主要在軋制方向上分層時，分層撕裂具有清晰的梯形，而當(dāng)硅酸鹽夾雜物主要為線性時，例如，當(dāng)Al夾雜物主要為不規(guī)則梯形時。

當(dāng)焊接厚板結(jié)構(gòu)，特別是T形和角接時，在剛性約束條件下，當(dāng)焊接收縮時，會在母材的厚度方向上產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變超過母體金屬的塑性變形能力時，夾雜物和金屬基體將分離而產(chǎn)生微裂紋。在應(yīng)力的連續(xù)作用下，裂紋尖端將沿夾雜物平面擴(kuò)展，形成所謂的“平臺”。

影響層狀撕裂的因素很多，主要有以下幾個方面：

1.非金屬夾雜物的類型，數(shù)量和分布是層狀撕裂的根本原因，這是鋼的各向異性和力學(xué)性能差異的根本原因。

2：Z方向約束應(yīng)力厚壁焊接結(jié)構(gòu)在焊接后的焊接后承受不同的Z方向約束應(yīng)力，殘余應(yīng)力和載荷，這是導(dǎo)致層狀撕裂的機(jī)械條件。

3.氫的影響通常被認(rèn)為是在熱影響區(qū)附近，冷裂會導(dǎo)致層狀撕裂，氫是重要的影響因素。

由于層狀撕裂的巨大影響和嚴(yán)重危害，在施工前必須判斷鋼層狀撕裂的敏感性。

常用的評估方法包括螺栓拉伸截面在Z方向上的收縮率和臨界應(yīng)力法在Z方向上。為了防止分層，橫截面的收縮率應(yīng)不小于15％，并且通常期望具有15-20％的比率。當(dāng)其為25％時，層狀抗撕裂性被認(rèn)為是優(yōu)異的。

應(yīng)主要從以下幾個方面采取措施防止分層：

首先，對鐵水進(jìn)行精煉前要進(jìn)行廣泛的脫硫，可以使用真空脫氣來冶煉硫含量僅為0.003-0.005％的超低硫鋼，其斷面收縮率（z方向）可以達(dá)到23-25％ 。

其次，控制硫化物夾雜物的形態(tài)是將MnS轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐牧蚧铮蛊湓跓彳堖^程中難以拉伸，從而降低了各向異性。當(dāng)前廣泛使用的添加元素是鈣和稀土元素。經(jīng)過上述處理，可以制造出Z方向的斷面收縮率為50.70％的鋼板。

第三，從防止分層的角度出發(fā)，設(shè)計施工技術(shù)主要是避免Z方向的應(yīng)力和應(yīng)力集中。具體措施如下：

1）應(yīng)盡量避免單面焊接。切換到雙面焊縫可以減少焊縫根部的應(yīng)力狀態(tài)，以防止應(yīng)力集中。

2）焊接數(shù)量少的對稱角焊縫應(yīng)代替焊接數(shù)量大的全熔透焊縫，以免產(chǎn)生過大的應(yīng)力。

3）凹槽應(yīng)在承受Z方向應(yīng)力的一側(cè)打開。

4）對于T型接頭，可以在橫板上預(yù)焊接一層低強(qiáng)度焊接材料，以防止根部開裂并減小焊接應(yīng)變。

5）為防止冷裂引起的層狀撕裂，應(yīng)采取一些措施防止冷裂，例如降低氫含量，適當(dāng)增加預(yù)熱，控制中間層溫度等。

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