浅谈四种常见裂纹：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂
浅谈四种常见裂纹：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂
激光焊接技术以其高能密度、热输入小、热影响区小等优势，在工业制造、航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。然而，即使是这样一种先进的焊接技术，也难以完全避免焊接裂纹的问题。本文将详细介绍激光焊接过程中可能出现的热裂纹、再热裂纹、冷裂纹以及层状撕裂，并探讨预防这些裂纹的方法和技巧。
热裂纹
什么是热裂纹？
在激光焊接中，热裂纹是一种常见但又具有挑战性的问题。激光焊接的特点是高能密度的热源在极短的时间内对焊接区域进行加热，这使得焊接过程中的温度变化迅速而剧烈。在这样的高温和高热输入下，焊接材料容易发生热变形和残余应力的积累，从而导致裂纹的形成。
根据所焊金属的材料不同（低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等），产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。目前，把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。
形成原因是什么？怎么防治？
- 结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S，P，C，Si骗高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊逢中。这种裂纹是在焊逢结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足，不能及时添充，在应力作用下发生沿晶开裂。
防治措施为：在冶金因素方面，适当调整焊逢金属成分，缩短脆性温度区的范围控制焊逢中硫、磷、碳等有害杂质的含量；细化焊逢金属一次晶粒，即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素；在工艺方面，可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头拘束度等方面来防治。
- 近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小，发生于HAZ近缝区或层间。它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成物被重新熔化，在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。
这一种裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面，尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的；在工艺方面，可以减小线能量，减小熔池熔合线的凹度。
- 多边化裂纹是在形成多边化的过程中，由于高温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见，其防治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。
再热裂纹
什么是再热裂纹？
在激光焊接过程中，再热裂纹是一个令人头痛的问题。尽管焊接完成后，焊接件可能经历多次热处理、使用或后续加工，然而这些再次加热或受热应力作用的过程可能导致裂纹的产生。再热裂纹的形成既与焊接材料的性能有关，也受到焊接工艺和后续加工过程的影响。在激光焊接中，再热裂纹的预防尤为重要，因为焊接件的高精度和复杂结构使得修复和再加工成本极高。因此，了解再热裂纹的形成机制，并采取相应的预防措施，对于确保焊接件的质量和可靠性至关重要。
形成原因是什么？怎么防治？
再热裂纹通常发生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金（包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金，以及某些奥氏体不锈钢），焊后并未发现裂纹，而是在热处理过程中产生了裂纹。再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位，其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。
防治再热裂纹从选材方面，可以选用细晶粒钢。在工艺方面，选用较小的线能量，选用较高的预热温度并配合以后热措施，选用低匹配的焊接材料，避免应力集中。
冷裂纹
什么是冷裂纹？
在激光焊接中，冷裂纹是另一个常见的挑战。与热裂纹相比，冷裂纹的形成机制略有不同，但同样值得引起重视。冷裂纹通常在焊接完成后的冷却过程中出现，尤其是对于厚度较大的焊接件。在激光焊接中，由于焊接速度快、加热区域局部温度高，焊接后的冷却速率也相对较快，容易导致焊接件产生内部残余应力，从而引发冷裂纹的形成。
其主要发生在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也发生在焊缝中。一般情况下，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。焊后形成的马氏体组织在氢元素的作用下，配合以拉应力，便形成了冷裂纹。他的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹。
冷裂纹的形成不仅会影响焊接件的质量和可靠性，还可能导致结构的破坏和事故的发生。因此，采取有效的预防措施对于避免冷裂纹的产生至关重要。这些措施可能包括预热工件、控制焊接后的冷却速率、采用适当的焊接序列等，以减轻焊接过程中的残余应力，并确保焊接件的内部组织结构得到充分调整和稳定化。通过合理应用这些措施，可以有效降低冷裂纹的形成风险，提高焊接件的质量和可靠性。
形成原因是什么？怎么防治？
防治冷裂纹可以从工件的化学成分、焊接材料的选择和工艺措施三方面入手。应尽量选用碳当量较低的材料；焊材应选用低氢焊条，焊缝应用低强度匹配，对于高冷裂倾向的材料也可选用奥氏体焊材；合理控制线能量、预热和后热处理是防治冷裂的工艺措施。
在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，结构的类型、钢度，以及施工的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹。然而在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹。
延迟裂纹有哪些形式？
焊趾裂纹——这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位。裂纹的走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展。
焊道下裂纹——这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行。
根部裂纹——这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。这种裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在焊缝金属中。
层状撕裂
什么是层状撕裂？
层状撕裂是激光焊接中另一个需要重点关注的裂纹类型。与其他裂纹不同，层状撕裂通常发生在多层焊接结构中，尤其是在焊接材料性能不匹配或焊接过程中出现较大残余应力的情况下。这种裂纹的形成可使焊接件失去原有的强度和密封性，严重影响焊接件的可靠性和使用寿命。
层状撕裂是一种内部的低温开裂。仅限于厚板的母材金属或焊缝热影响区，多发生于“L”、“T”、“+”型接头中。其定义为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变而发生于母材的一种阶梯状冷裂纹。一般是由于厚钢板在轧制过程中，把钢内的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物，这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。防治层状撕裂在选材上可以选用精练钢，即选用z向性能高的钢板，也可以改善接头设计形式，避免单侧焊缝、或在承受z向应力的一侧开出坡口。
形成原因是什么？怎么防治？
层状撕裂的形成受到多种因素的影响，其中包括：
焊接材料性能的不匹配：如果多层焊接结构中使用的焊接材料性能不匹配，例如热膨胀系数、硬度等存在较大差异，就容易导致层状撕裂的发生。
焊接过程中的残余应力：激光焊接过程中产生的残余应力是层状撕裂形成的主要原因之一。这些残余应力可能来自于焊接材料的热胀冷缩，也可能来自焊接过程中的非均匀加热和冷却。
焊接结构设计的不当：如果焊接结构设计不合理，例如焊接接头的形状和角度选择不当，也会增加层状撕裂的风险。
非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的本质原因，它是造成钢的各向异性、机械性能差异的根本所在。
Z向拘束应力，厚壁焊接结构在焊接过程中承受不同的Z向拘束应力、焊后的残余应力及载荷，它们是造成层状撕裂的力学条件。
氢的影响，一般认为，在热影响区附近，由冷裂诱发成为层状撕裂，氢是一个重要的影响因素。
为了预防层状撕裂的发生，可以采取以下措施：
选择焊接材料性能相匹配的材料，避免不同材料的组合造成焊接接头的不稳定性。
控制焊接过程中的热输入量和焊接速度，减少残余应力的积累。
在焊接结构设计阶段，考虑焊接接头形状和角度，尽量减少焊接区域的应力集中，减轻焊接过程中的应力影响。
精练钢广泛采用铁水先期脱硫的办法，并用真空脱气，可以冶炼出含硫只有0.003
0.005%的超低硫钢，它的断面收缩率（Z向）可达2325%。控制硫化物夹杂的形态 是把MnS变成其他元素的硫化物，使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢，可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。
通过合理应用这些预防措施，可以有效降低层状撕裂的形成风险，提高焊接件的质量和可靠性。
层状撕裂产生的位置
层状撕裂与冷裂不同，它的产生与钢种强度级别无关，主要与钢中的夹杂量和分布形态有关。一般轧制的厚钢板，如低碳钢、低合金高强钢，甚至铝合金的板材中也会出现层状撕裂。根据层状撕裂产生的位置大体可以分为三类：
第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。
第二类是焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常见的层状撕裂。
第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂，一般多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。
层状撕裂的形态与夹杂的种类、形状、分布，以及所处的位置有密切关系。当沿轧制方向上以片状的MnS夹杂为主时，层状撕裂具有清晰的阶梯状，当以硅酸盐夹杂为主时呈直线状，如以Al 夹杂为主时呈不规则的阶梯状。
厚板结构焊接时，特别是T型和角接接头，在刚性拘束的条件下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继续作用下裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓“平台”。