关键词：工程结构；热轧钢；正火钢；焊接性
工程结构用热轧正火钢属于合金结构钢，它是在非合金钢的基础上通过加入一定量的合金元素冶炼而成的刚。用于焊接的工程结构用钢大多是低合金钢，它具有良好的综合力学性能。低合金结构钢一般分为两大类；高强钢和专用钢。高强钢按照钢的屈服强度和热处理状态不同分为：热轧正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。把钢锭加热到1300℃左右，通过热轧的方式形成板材，然后再进行空冷得到的钢板即为热轧钢。钢板通过轧制和冷却以后，再经过900℃正火最终得到的钢板即为正火钢。热轧钢一般通过添加合金元素进行固溶强化而保证强度，但合金元素的含量也不能超标，否则塑性和韧性会严重下降。正火钢是在通过固溶强化的同时，还要加强合金元素的沉淀强化作用。热轧正火钢中的碳和合金元素的含量都比较低，总体上焊接性较好，随着材料中合金元素含量的提高，强度增加，但塑性和韧性降低，焊接性就会变差，甚至出现裂纹和接头脆化等问题。
1.冷裂纹
冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度下时产生的焊接裂纹，最主要的最常见的是在焊后延迟一段时间才发生的裂纹，又叫延迟裂纹；又因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集而诱发裂纹，又叫氢致裂纹。冷裂纹的延迟时间不定，短的则几秒钟就产生裂纹，长的达到几年不等。焊接冷裂纹的影响因素有淬硬组织、氢和应力。合金钢的淬硬倾向越大，焊接时焊缝越容易形成脆硬组织（马氏体组织），越容易产生冷裂纹；氢的含量越高，造成冷裂纹的倾向就越大；由于焊接时的不均匀加热和冷却会引起热应力，相变时的体积变化引起的相变应力，由刚度和拘束度引起的拘束应力都会增加冷裂纹的产生倾向。
热轧钢含有少量的合金元素，其淬硬倾向就比低碳钢稍大些，在快速冷却时可能会出现脆硬的马氏体组织，从而增加焊缝的冷裂倾向。但由于含碳量小，一般情况下冷裂纹倾向较小。正火钢比热轧钢的合金元素含量多一些，焊接时产生脆硬组织的倾向增加，那么出现冷裂纹的倾向就增加，特别是强度级别较高的正火钢，需要在焊接时采取一定的工艺措施来防止冷裂纹的产生。主要从降低扩散氢含量、改善组织和降低焊接应力等方面来防止冷裂纹的产生。
2.热裂纹
热裂纹是指在高温下结晶时产生的焊接裂纹，特征是沿着晶界开裂。焊接热裂纹通常产生于焊缝金属内部，也可能在焊缝熔合线邻近的热影响区组织内。按裂纹产生的机理、形态和温度区间不同，焊接热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。一般发生的热裂纹大多是结晶裂纹。焊接热裂纹可在显微镜下观察到，具有晶间破坏的特征，由于是在高温下产生的，所以在裂纹的断面上多数具有氧化色。焊接热裂纹的产生主要和钢材中碳、硫、磷的含量和合金元素的含量有关，另外应力的作用也必不可少。硫磷含量会增加产生热裂纹的倾向，碳的含量的增加也会加剧产生热裂纹的倾向，同时加剧硫磷对产生热裂纹倾向的影响。
热轧正火钢中的碳和硫的含量都比较低，而锰的含量较高，具有较好的抵抗热裂纹的能力，一般不会产生焊接热裂纹。但是当钢中的碳和硫的含量同时居上限或产生严重偏析时，有可能产生结晶裂纹。防止产生裂纹的方法：（1）减小熔合比。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（2）控制钢材中碳和硫磷的含量，选用碳和硫磷含量少且锰含量高的焊接材料。（3）通过采用合理的工艺措施减小焊缝的应力状态来防止裂纹的产生。
3.再热裂纹
再热裂纹是指一些含Cr、Mo或V的耐热钢、高强钢焊接后，为消除焊后残余应力，改善接头金相组织和力学性能，而进行消除应力热处理过程中产生的裂纹，焊接接头由于在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹，所以叫再热裂纹。而在消除内应力热处理过程中产生的裂纹又称为消除应力处理裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢、镍基合金等的焊接接头中，特别是热影响区的粗晶区。再热裂纹的产生因素包括钢材的化学成分和残余应力共同作用。再热裂纹的产生一般需要较大的焊接残余应力，所以在拘束度大的厚大工件和应力集中部位容易产生再热裂纹。在热轧正火钢中，18MnMoNb和14MnMoV有一定的消除应力裂纹倾向，可以通过采取提高预热温度或者焊后立即进行热处理的方式来防止产生消除应力裂纹。
4.层状撕裂
在大型厚板结构焊接时，在钢板厚度方向承受较大的拉伸应力，沿钢板轧制方向发生的阶梯状的裂纹称层状撕裂。层状撕裂主要与钢材的轧制质量、板厚、接头形式和Z向应力有关。可以通过：（1）改变接头处的拘束应力，使接头总的受力方向与轧制层平行，可大大改善抗层状撕裂性能，改变坡口位置以改变应变方向。（2）通过整体或部分选用Z向钢，这种钢在冶炼过程中采用了特殊的工艺措施，可以避免层状撕裂的发生。（3）改进焊接工艺，采用低氢的焊接方法，采用低强组配的焊接材料，采用对称施焊，使应变分布均衡，减少应变集中等都可降低层状撕裂的发生。
5.过热区脆化
热轧正火钢焊接时，当热影响区加热到1100℃以上直到熔点以下的粗晶区域，是焊接接头的薄弱区域。热轧正火钢过热区脆化主要是在线能量较大时产生魏氏组织或者是含碳量偏高和冷却速度较快产生马氏体组织引起的。对于热轧钢来说，当焊接线能量过大时，导致冷却速度过慢，过热区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而使韧性降低；当焊接线能量过小时，由于过热区组织中马氏体比例增大而使韧性降低，在含碳量偏高时较明显，都会产生过热区脆化。过热区脆化是造成裂纹，造成脆性破坏的主要原因之一。对于含V、Nb的正火钢，当焊接时线能量过大，则会导致过热区沉淀相固溶，这时V、Nb的碳、氮化合物细化晶粒，抑制奥氏体晶粒长大的作用大大削弱，过热区奥氏体晶粒显著长大，那么在冷却过程中可能发生一系列不利的组织转变，再加上过热区金属碳、氮固溶量的增加，最终会导致过热区韧性降低和时效敏感性增加。
6.热应变脆化
热应变脆化是指在焊接过程中，在热和应变的共同作用下产生的一种应变时效。一般认为这种脆化是由于碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成的，在熔合区及200-400℃时最容易发生脆化。预防措施：（1）在钢中加入足够量的氮化物形成元素(如A1、Ti、V等)，就会显著减弱热应变脆化倾向。（2）焊后进行600℃左右的消除应力退火处理。
综上分析，热轧正火钢属于低合金钢，整体上来说材料的焊接性良好，一般不会产生焊接冷裂纹和热裂纹，但如果钢中碳、硫磷含量较高，则有可能会产生热裂纹；再热裂纹一般发生在有较大的残余应力时，特别是厚大工件和所受拘束度较大时，这时可以采用焊前预热和焊后进行消除应力热处理的方式。为防止热轧正火钢热影响区脆化，要选择合理的焊接线能量。总之，在选材、焊接工艺的制定、焊接材料的选择时都要严格进行。
参考资料
[1]王现荣.金属材料焊接[M].北京：北京理工大学出版社，2012.
论文作者:谢合胜
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/23
标签：裂纹论文; 正火论文; 应力论文; 合金论文; 含量论文; 倾向论文; 组织论文; 《工程管理前沿》2020年第2期论文;