焊接弧坑热裂纹的力学机制分析

邢志军雷磊

摘要：焊接热裂纹直接影响焊缝质量和焊接生产效率。基于断裂力学的应力强度因子可以计算复杂加载状态下裂纹尖端应力奇异性强弱，从而反映外载加载方式及大小，因而可应用应力强度因子分析复杂应力状态下焊接热裂纹力学机制。本文就焊接弧坑热裂纹的力学机制展开探讨。

关键词：弧坑热裂纹；应力强度因子；断口分析；断裂机制

引言

焊接质量是衡量工程质量的最重要指标之一,我们从工程开始阶段就狠抓焊缝的表面工艺质量,强调从表面工艺和无损检验内外质量的检查,严肃工艺纪律,保证机组安装的焊接质量。弧坑焊接裂纹是焊接缺陷的一种,目前尚没有详细研究资料表明该缺陷对于焊缝质量的影响程度。但作为焊接缺陷必须得到消除。

1弧坑裂纹产生的机理

弧坑裂纹是在焊缝结晶(即焊接熔池结晶)过程中产生的,在相当高温度下产生的一种高温液化裂纹。焊缝金属在结晶(凝固)时,在金属的液－固区间的固相线附近,由于凝固金属的收缩,残余液相不足,一般在焊缝区的液固对生弱面处开裂产生的裂纹。从裂纹的走向看,属于焊缝中的纵向裂纹,在焊缝横断面内平行生长的树枝状裂纹。弧坑裂纹产生的根本原因有两点:即冶金因素和力的因素,两者缺一不可。①冶金因素分析。合金元素的偏析影响。金属结晶时,先结晶的金属较纯,熔点较高,而后结晶的金属则含有较多的杂质,如S、P、B、Si等,这些杂质具有较低的熔点,且S、P对各种裂纹都比较敏感,在金属结晶过程中往往被排挤到最后结晶的焊缝中心,形成所谓的“液态薄膜”,这时焊缝受到拉伸应力的作用,往往便会使这层富含杂质的“液态薄膜”开裂,形成位于焊缝收弧中心的弧坑裂纹。焊接过程是非平衡的冶金过程,在中间层焊接时,金属的融化结晶处于焊接热循环的状态下进行,焊缝金属与焊接热量都得到连续不断地补充,因此不可能产生弧坑裂纹。而焊缝熔池金属的最后结晶(即最后收弧焊接),在焊缝金属得不到补充情况下,焊缝温度骤然降低,冷却速度过快,加剧了金属的结晶过程不平衡,金属结晶速度过快而液相金属提供不足,也是导致弧坑裂纹的冶金因素。②力的因素。尽管冶金因素对裂纹的产生存在诸多的影响,但焊接过程中产生的拉应力是形成弧坑裂纹的必要条件。在最后结晶的焊缝熔池金属形成的“液态薄膜”,存在较多的低熔点金属杂质,这种低熔点杂质在高温时强度很低,抵制不了焊接过程中金属结晶产生的拉伸应力,其液态间层被拉开,在快速冷却下保留下来形成宏观的弧坑裂纹。在焊缝中间层焊接时,由于金属液相多于固相,液相金属在固液间自由流动,因此不会产生裂纹。即使存在金属熔化结晶产生的拉伸应力的作用,但拉伸应力所拉开的裂缝能及时被流动着的液态金属所填充,因此不会产生裂纹。而金属结晶的末期,焊缝温度急剧降低,液固分离速度加快,液相金属流动变得困难,最后结晶的“液态薄膜”层的在高温下的金属强度和塑性都降低,只要有拉伸应力作用,就有可能产生裂纹。焊缝温度过高和冷却速度过快,焊缝金属收缩不均匀,金属内应力不均匀地加剧,往往是力学因素的重要表现。综上所述,产生弧坑裂纹的主要影响因素是冶金因素(液态薄膜层)和力(金属内应力)的因素,弧坑裂纹的产生必须是在冶金因素和力的因素共同作用的结果。

2弧坑裂纹的特点

（1）弧坑裂纹都产生在焊缝收弧处,其类型一般如图1、2、3所不。（2）外观特征裂纹有的可用肉眼看到(一般经过磁粉探伤就清晰可见),有的在x射线底片上看到其形状有明显的锯齿状,也常有不明显锯齿状但有较粗长的影像。（3）产生的时间这种裂纹是在焊缝凝固过程中产生并且在凝固后的冷却过程中,还有可能继续发展。它的发生和发展都处在高温下从时间上来说是处在焊接过程中属于热裂纹的一种。

式中：分别为张开、剪切和撕裂断裂的应力强度因子；和分别为材料的弹性模量和泊松比；为单元边长；为奇异单元沿着裂纹面方向滑移和垂直裂纹面张开及撕裂方向在局部坐标系下的位移。以焊缝热应力分析模型中弧坑单元作为应力强度因子计算几何模型，裂纹深度取0。3mm。采用与热分析相同的弹塑性材料物性，模拟高温下弹塑性行为。采用8节点等参单元PLANE183和SOLID185划分时，裂纹尖端的第一层单元采用蜕化的三角形单元，角度设在15°~20°之间，模拟裂尖奇异性，确保计算精度。将与裂纹处于同平面的非裂纹平面节点施加3个自由度的刚性约束，得到焊缝纵向热裂纹应力强度因子计算的有限元分析模型，如图4a所示，包含12453个节点和11000个单元。通过式(1)和式(2)的正交化与无量纲等效转化后得到应力强度因子计算模型的外载。运行ANSYS弹塑性有限元分析，得到变形云图如图4b所示。

图?1????弧坑裂纹图(1?200?℃)

4弧坑裂纹现场控制措施

①抓好对口质量,杜绝不符合要求的窄间隙坡口,强化钳工、焊工的对口焊接质量意识,并加强对管子对口质量的督察。②在多层多道焊接时,尽量错开焊接接头,避免收弧点处于同一位置。两人对焊大管同时往平焊位置收弧时,应注意控制好层间温度,避免收弧点温度过高。③提高焊工操作技能,收弧焊接结束或中断时,可以采取衰减收弧法,并注意适当增加熔滴,填满弧坑,避免产生弧坑裂纹。④对余高过高的焊缝接头进行打磨,消除潜在的弧坑裂纹。

结语

(1)在弧坑金属足够填充时，不考虑结晶方向，无论弧坑热裂纹方向如何，均为I型模式开裂主导，即在拉应力作用产生脆性开裂。(2)相同温度下，I型拉裂模式敏感性与裂纹取向呈非线性关系，存在“最优”扩展取向；随温度下降，I型裂纹“最优”扩展方向改变。使得裂纹呈“之”字形扩展。(3)无论弧坑裂纹何种取向，弧坑裂纹在1100~1000℃温度区间扩展速率最快，在1200~1100℃，1000~900℃区间扩展较慢。

参考文献:

[1]刘小超,武传松,钟益斌,等.超声振动强化搅拌摩擦焊的热力行为及微观组织特征[J].机械工程学报,2015,15(22):22?28.

[2]李一楠,闫久春,郭峰,等.紫铜厚大结构件钨极氩弧焊热裂纹形成机理[J].焊接学报,2014,35(8):43?47.