结晶裂纹的产生机理及防止措施

结晶裂纹的成因分析及预防措施澄西船厂 高云中摘要：影响结晶裂纹生成的因素主要有冶金和工艺两方面的原因，对原材料的冶金因素影响，作为材料的 用户单位，可调整余地很少，但工艺因素可以影响到焊缝的冶金状态及应变增长率。根据这一原理，通过 采取工艺措施，在风塔法兰、船舶大合拢打底焊道的裂纹处理和预防上获得了满意结果，保障了风塔及船 舶正常的生产和经营。关键词：结晶裂纹；分析；工艺措施_、八 、-前言进入 21 世纪以来，随着我厂技术、管理的快步提升，与以往相比，我厂产品结构和生产方式上发生 了较大变化。在修造船、钢结构产品中，所有产品出现了大型化现象；产品由以前的单件制作，转为批量 化生产；以前的结构件大多采用薄板低碳钢，现在大多采用厚板低合金高强钢；焊接方式由以前的手工焊 条焊为主，变成为采用 CO2 气保护焊、埋弧焊等高能量、高效率的焊接方法。在这些构件制作中，经常会 在焊缝中心出现结晶裂纹，如船台大合拢CO打底焊、风塔法兰T型角接缝的埋弧焊、钢管桩工程中的埋 弧焊终端裂纹等，这些裂纹的出现，严重影响了我厂正常的生产。因此，为保障我厂产品经营和生产，研 究预防发生结晶裂纹的控制措施，具有十分的紧迫性。1 裂纹的产生情况结晶裂纹在我厂各产品中均发现过，较典型的是船台大合拢CO打底焊道的焊缝中心，风塔法兰T型 焊缝的埋弧焊打底层焊缝中心，本文以我厂制造的某公司64.7M风塔为例，对结晶裂纹的产生原因进行分 析。裂纹产生的情况如下图1。图1 中仅仅是裂纹的一种形式，实际施工过程中，在焊道1、甚至焊道2 上也有裂纹发生，而且可以肯定地说，焊道1 也很易产生裂纹，只是有的观察到了，有的不易察觉，在反 面清根时，因受热而进一步扩展，所以感觉裂纹越刨越深。这些裂纹的普遍特征是均在焊缝中纵向出现， 而且是在焊缝凝固后期产生，因此属于典型的结晶裂纹。裂纹 I.图 1 风塔法兰裂纹产生过程2 结晶裂纹的形成机理及影响因素2.1 结晶裂纹的形成机理焊缝金属在凝固过程中，最后凝固的存在于固相晶体间的低熔点液态金属已成薄膜，碳钢和低合金高 强钢中的硫、磷、硅、镍都能形成低熔点共晶，在结晶过程中形成液态薄膜。由于液态薄膜强度低而使应 变集中，但同时其变形能力很差，塑性很低，在拉应力作用下而开裂。2.2 影响结晶裂纹生成的因素影响结晶裂纹的因素可归纳为冶金和工艺因素两方面。在冶金方面，一般情况下，各种合金元素及杂 质增大了脆性温度区，而尤其是形成低熔点薄膜的杂质是影响裂纹产生的最重要的因素。工艺因素主要是 影响有害杂质偏析的情况及应变增长率的大小，因此对结晶裂纹的产生也有很大的影响。3 风塔法兰 T 型接头裂纹分析64.7M 法兰焊接的裂纹，一开始以为是偶然性造成的，后来通过几次试验，仍然发生裂纹。经过现场 调研，发现工艺执行全部合乎要求，因此从冶金方面进行分析。根据文献介绍，在低合金高强钢的多层多道埋弧焊焊缝根部焊道或靠近坡口边缘的焊道中易出现热裂 纹，这种热裂纹产生的原因与根部焊缝基材的稀释率大（亦即焊缝区熔入了较多的母材金属）及焊接速度 较快有关。母材是通过熔炼、热处理等环节来保证机械性能的，而焊缝金属仅通过熔池冶金来获得化学和力学性 能，因此单纯的焊缝金属的化学纯净度比母材的要求要高得多。如果焊缝金属得到母材金属的稀释而带入 有害杂质元素，形成了较多的低熔共晶，扩大了脆性温度区，焊缝凝固时就会产生结晶裂纹。这种初步的判断主要是建立在相关产品的横向比较上。依据为：在低温GE塔和Vestas风塔施工中， 未出现此种裂纹，而在这批风塔中出现了。GE低温塔法兰及筒体均为Q345E, Vestas风塔法兰Q345E/筒 体Q235D，两者基本一致。而64.7M风塔法兰Q345D/筒体Q345C，与低温塔相比，法兰材料差了一个质量 等级，筒体材料差了两个级别，参考GB/T 1591-94就会发现（见表1），Q345C、Q345D与Q345E钢材的化 学成分中杂质元素S、P会有很大的差异，而且Q345C钢中的含碳量上限也较高，据此认为此批风塔容易 产生热裂纹，在随后的化学分析中证实了这一点，母材分析结果见表2。表1 GB/T 1591-94中对低合金钢化学成分的规定牌号质 量 等 级化学成分，CWMnSiWPWSWVNbTiAl三Q345C0.201.001.600.550.0350.0350.020.150.0150.0600.020.200.015Q345D0.181.001.600.550.0300.0300.020.150.0150.0600.020.200.015Q345E0.181.001.600.550.0250.0250.020.150.0150.0600.020.200.015表2风塔钢材化学分析（SPARK法）牌号部 位化学成分，备注CMnSiPSCrMoNiAlCuVTiQ345C筒 体0.1741.540.3400.0190.0110.0300.0050.0290.0330.0190.0060.00464.7M 风塔Q345E筒 体0.1251.420.4100.0110.0060.0540.0130.0540.0480.1340.0050.013GE低 温塔Q345E法0.1451.390.3390.0140.0040.0410.0110.0580.0540.1200.0060.015由表1、2看出，所有钢材都符合标准要求，但由于等级不同，在含碳量，杂质元素S、P的指标是不 同的，这些元素的影响作用如下：a. 硫和磷在各类钢中都会增加结晶裂纹倾向。S和P增大了脆性温度区间，因此增大了裂纹倾向；S 和 P 是钢中极易偏析的元素，而且能形成多种低熔点共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜。因此， S 和 P 是最为有害的杂质。b. 碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧S、P及其它元素的有害作用。若焊缝含C量超过 0.16%，热裂倾向骤然增大。c. 锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的分布状态，从而提高了抗裂性。为了防止硫引起的结晶 裂纹，应提高Mn/S比值。但是，当含C量超过0.16%时，P的危害将超过S，再增加Mn/S比值也没有作用, 所以必须严格控制焊缝中 P 含量。由各元素作用，再结合表2中化学元素分析结果都证实，64.7M风塔法兰焊缝的热裂倾向比其它工程 要大得多，所以出现结晶裂纹不是偶然现象。4 结晶裂纹的控制由结晶裂纹的成因及影响因素可以知道，要控制结晶裂纹，仍然只能从焊缝金属成分和调整焊接工艺 两方面着手。4.1 控制焊缝金属成分焊缝金属的成分主要由焊接材料决定，同时受钢材化学成分的影响。在64.7M风塔施工中，焊接工艺 完全照搬低温塔的要求，焊接材料是通过系列试验而选用的，就国内市场情况来说，选配已属最优化，所 以更改焊材是不切实际的，至于钢材冶金方面，不是我们用户可以左右的，因为钢材理化指标均远远超过 GB 标准。因此，控制结晶裂纹，只能靠焊接工艺调整。4.2 调整焊接工艺4.2.1 改变焊接方法图1中的1、3打底焊道原来采用埋弧焊工艺，改为采用CO2气保护焊打底，由于CO2焊电流较小，所 以减小了熔合比亦即降低了焊缝基材的稀释率，减少杂质元素 S、 P 及碳元素对焊缝金属的影响，这是解 决根部焊道结晶裂纹最重要方法，不足之处是打底焊效率有所降低。4.2.2 控制焊接线能量 由于实际生产中，焊接电流总是偏上限，造成线能量过大，但大线能量对结晶组织的形态有害，因此无论是打底co2焊，还是其它焊道的埋弧焊，都必须采用较小的焊接电流。这样可以通过减小晶粒度和降 低应变量，减小结晶裂纹倾向。4.2.3 控制成形系数成形系数0是指焊缝熔宽B与熔深H之比，通常认为Q之倒数即H/W21时，最易产生结晶裂纹。打 底焊道改用CO2焊后，由于电流较小，可以使H/W明显下降；另一途径是适当增加坡口角度，以提高p值。 实际产品施工时，要求防止碳刨清根后出现上小下大的U形坡口。4.2.4 做好预热工作 预热主要是为了防止冷裂纹，但预热降低了冷却速度，也即减小了热应变的速率，对防止结晶裂纹有利，因此在施工时进一步严格预热工艺。综上所述，实际上，所有的工艺因素均对熔池冶金产生了影响，目的都是改善熔池冶金条件（化学和 物理方面）来降低裂纹倾向。通过采取这些措施，在随后的风塔施工中，不再有结晶裂纹的出现，保证了 工程的质量和进度。5 船台大合拢打底焊道结晶裂纹的控制CO2 单面焊道打底焊道结晶裂纹主要出现在平焊位置，如内底板、甲板的环向大合拢焊缝。这种裂纹 与风塔法兰结晶裂纹基本成因是一致的，但裂纹的形态和控制、处理上有所不同。5.1 裂纹的形态和处理方式 单面焊打底道结晶裂纹也都发生焊缝中纵向，裂纹间断，长短不一。经现场碳刨观察，裂纹深度很浅，大部分情况下，可以通过二次重熔消除，为了确保焊缝质量，要求采用角向砂轮清除裂纹后才能进行第二 道的焊接。5.2 控制焊接电流 焊接电流的大小直接决定焊接线能量大小，线能量大，影响焊缝晶粒度，增大焊接内应力，同时如果电流过大的话，焊缝金属的稀释率也大，故结晶裂纹倾向增大。实际生产中,co2焊接电流均是偏大的，因 此控制电流尤为重要，根据我厂的经验及相关文献报道，要求打底焊道电流控制在200A以下。5.3 控制焊接速度 研究表明，焊接速度过快时形成的结晶组织对裂纹敏感性大。但从现场看，由于坡口间隙控制不好、焊工操作因素等，往往焊接速度不是过快，而是过慢，过慢的焊速和较大的焊接电流结合在一起，造成线 能量很大，其结果一是焊缝晶粒粗大，焊缝内应力增大；二是根部母材及衬垫中杂质熔入过多，焊缝成形 系数减小，从而增大了结晶裂纹倾向。然而，这并不是说焊接速度就不要控制，研究证明， 150mm/min 的 焊接速度有利于防止裂纹的产生。5.4 用预热控制焊缝结晶速度当焊件较厚或环境温度较低时，熔池结晶过快，造成较大的热应变，容易产生结晶裂纹。实践证明， 在低温天气时，大合拢打底焊道最易出现结晶裂纹。我厂施工文件中明确规定当环境温度低于oc或厚度 大于 30mm 要求预热措施。从厚度上看，内底和甲板虽未达到这样的厚度，但也往往接近于临界状态。对 于气温方面，在冬季施工时，因温度过低而采取预热措施，而在冬春、秋冬转换时节，气温仅仅是接近临 界状态，往往就会忽视预热工序，但因厚度和温度均接近临界点，反而在这两个季节最易发生裂纹。因此 为防止结晶裂纹的产生，在气温接近oc就要做好预热工作。5.5 焊接材料的控制打底焊道采用TWE-711Ni焊丝。必须指出的是，Ni的加入是为了改善低温韧性，但Ni易与S形成低 熔共晶，增加了裂纹倾向。TWE-711Ni并不是在TWE-711的基础上简单地加入合金元素Ni，TWE-711Ni焊 丝合金系与 TWE-711 焊丝是不同的，而且在 S、P 及其它杂质元素上控制更严格，因此，焊缝金属的总体 性能比 TWE-711 要好得多，所以具有更好的抗裂性。此外，焊接坡口角度、装配间隙等对裂纹也有影响，只有在各方面采取措施，才能避免结晶裂纹的出 现。6 结论杂质元素 S、P 及合金元素 C 对焊缝金属的结晶裂纹有最直接的影响，是产生结晶裂纹的内因，在焊 接时，母材对焊缝的熔池冶金会产生不利的影响，因此应降低焊缝金属的稀释率。通过改变焊接方法，防止了法兰角接缝结晶裂纹倾向，但伴随的是打底焊效率受到了影响，下一步工 作是研究如何在埋弧焊打底时，完全防止裂纹的发生。通过一系列的焊接工艺措施的改进，使大合拢C02焊打底焊道结晶裂纹的发生机率大为降低，但为了 焊接杜绝结晶裂纹，应在施工中更加规范地严格执行焊接工艺，包括焊接前道工序的质量必须得到提高。个人简介：高云中（1964-），江苏常州人，焊接高工，澄西船厂副主任工程师，焊接试验室主任。采集于现代焊接