常見熱裂紋發生原因與防止措施


適當的焊接設計

焊接設計應考慮母材之可焊性、焊材與母材之匹配、焊接效率、焊接方式、焊道尺寸、焊接變形及接合板挫屈等因素。舉填角焊道為例來說明,根據美國焊接協會鋼結構焊接法規(AWSD1.1)之規定,填角焊道分為三類,如圖2所示,包括理想之焊道、可接受之焊道寬度以及不可接受之焊道,其中不正確的焊道尺寸包括填角焊道之喉深不足、凸面過長、焊蝕、搭迭、腳長不足與熔合不良。美國焊接協會鋼結構焊接法規與我國鋼構造建筑物鋼結構設計技術規范也都規定填角焊道之最小尺寸如表4所示。

填角焊最小腳長尺寸是由接頭之兩部分中較厚板來決定,但不得大于較薄板之厚度。若超出則應有充分之預熱,以確保焊接之質量。如經應力計算需要時,焊接尺寸可大于接合部之薄板厚度。表3提供各種板厚之填角焊最小腳長尺寸,表4顯示填角焊之全焊道寬度與最大凸面長度之關系。


圖2填角焊道剖面圖


如何減少潛伏裂紋

在潛弧焊之平角焊道上出現縱向裂紋的原因為何?如何防止與避免?

潛弧焊接制程一般是應用于橋梁、廠房、大樓鋼構、化工設備制造、貨柜制造、造船等工業,也因為這些產業與人類的生命財產安全息息相關,因此,在這些應用上的焊接質量扮演相當重要的角色。

縱向裂紋之形成原因

采用潛弧焊技術焊接平角焊道時,若焊道金屬表面發生縱向的長條形裂紋如圖1所示。通常這種焊道表面的長條形裂紋是屬于熱裂紋中的結晶裂紋。這種焊接裂紋的發生原因可以用圖2來說明,當左側焊道逐漸冷卻時,焊道與母材會存留部分的焊接熱應力,使得A板會受焊道收縮影響而微微向左偏離中心線。但當右側焊道完成后,焊道的凝固收縮熱應力,加上右側焊道的焊接熱量連帶產生左側焊道的體積膨脹,此熱應力現象將造成A板的向右拉回現象與增加左側焊道熱裂的發生機率。當左右兩側焊道開始逐漸冷卻時,焊道的體積收縮效應也會使熱裂的情況逐漸惡化。這種情形也曾出現在鋼構件剛完成焊接時并無龜裂產生,卻在逐漸冷卻的過程中逐漸在其中一側焊道上顯現長條形的裂縫。


通常結晶裂紋比較容易發生在以不純物較多的碳鋼或低合金鋼為母材的焊道中,結晶裂紋一般只產生在焊道表面,大多數呈縱向分布在焊縫中心在線,也有一些呈弧形分布在焊縫中心線之兩側,而且這些弧形裂紋與焊道波紋呈垂直分布,如圖3所示。一般來說縱向裂紋較長、較深,而弧形裂紋較短、較淺。此外,弧坑裂紋也屬于結晶裂紋,產生在焊道的收尾處弧坑中呈星狀分布。

由結晶裂紋的型態、分布和裂紋走向可深入發現,無論是縱向裂紋或是弧形裂紋,它們都有一個共同的特性,就是裂紋在中都是沿一次結晶的晶界分布,特別是延柱狀晶的晶界分布,焊道中心的縱向裂紋正好位于以焊道兩側生成的柱狀晶的結合面上,焊道中心線兩側的弧形裂紋則位于平行生長的柱狀晶界上。

因為焊道結晶時先結晶的部分會較純,后結晶的部分含不純物與合金成分較多。隨柱狀晶的的不斷長大,不純物與合金成份也不斷被排擠的到焊道的中心或平行生長的柱狀晶交界處。這種成分偏析的現象會使這些交界處富集了較多的不純物或合金元素。當焊道凝固收縮時,造成了收縮拉應力,往往晶界間的共晶承受不了這種收縮應力,結果就在交界處形成了結晶裂紋。


避免結晶裂紋的焊接措施

要避免結晶裂紋的產生,首先必須考慮如何減少焊道中不純物含量,以及如何以適當的施工方法來降低變形對焊道的影響。

降低焊道的不純物含量

降低焊道中不純物含量的方法包括母材與焊材兩方面,在工程中由于母材材料不合格而產生的結晶裂紋的實例相當的多,例如某鋼構廠的鋼板的連接焊道表面多處都出現了結晶裂紋,經化驗分析查明母材中的碳、硫與磷成分都遠遠超過規范標準值,導致焊道中的不純物含量也相對提高,而造成結晶裂紋的發生。然而,透過選用不純物相對較低、成分均勻且質量穩定的焊材,可大幅降低結晶裂紋發生的機率。

適當的施工方法

通常焊道的喉深不足或滲透不足也會增加縱向裂紋的發生機率。焊道通常扮演承受兩端鋼板的拉伸應力與壓縮應力的關鍵角色。焊道的喉深若是不足或滲透程度不足,意味著能夠承受應力的截面積(藍色)縮小了,如圖4所示,如同細線無法懸吊重物一般,相當容易發生斷裂。就如同圖2所示,只要右側焊接凝固的收縮應力大過左側焊道的承受力,左側焊道就會立即出現龜裂現象。

一般來說,焊道的喉深非常容易由目視及量規來判斷是否符合標準,然而,焊道的滲透程度就比較不易由目視來觀察,必須透過非破壞檢驗技術來量測,或透過焊接條件試作與進行破壞性的金相試驗來觀察焊道熔深的滲透程度是否符合標準。


適當的施工方法必須考慮板厚、厚板的開槽、焊接條件與焊接方法。以厚板為例說明,一般鋼板厚度超過17.5mm就必須開槽,如圖5所示。焊接方法應采兩道以上的焊接來施工,第一道應加大焊接電流或降低移行速度來達到充分滲透的目的,第二道焊接時再以適當的焊接條件來滿足喉深與角長的要求。當潛弧焊之平角焊道有足夠的熔深滲透與喉深,焊道自然具備足夠的能力來承受焊接變形的影響。


在焊道終端部位時常出現龜裂?如何防止與避免?

采用潛弧焊技術焊接長焊道時,常在終焊端附近的焊道金屬內發生縱向裂紋如圖6所示,通常這種裂紋是屬于熱裂紋中的結晶裂紋。這種焊接裂紋的產生原因可以用圖7來說明,當焊接電弧接近焊道終端時,焊道受電弧熱在A-A方向膨脹變形,同時在B-B方向發生張開變形,而終端之導焊板的拘束力雖會限制其變形,但導焊板在電弧熱的作用下也會連帶產生B’-B’方向的膨脹,因而使B-B方向的變形應力限制作用產生松弛,使得產生焊道終端部的結晶裂縫。


結晶裂紋通常容易產生在單相沃斯田鐵鋼、鎳基合金、鋁合金以及不純物較多的碳鋼與低合金鋼中,結晶裂紋一般只產生在焊縫中,大多數呈縱向分布在焊縫中心在線,也有一些呈弧形分布在焊縫中心線之兩側,而且這些弧形裂紋與焊道波紋呈垂直分布如圖8所示,一般來說縱向裂紋較長、較深,而弧形裂紋較短、較淺。此外,弧坑裂紋也屬于結晶裂紋,產生在焊道的收尾處弧坑中呈星狀分布。


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