01 應用背景

熱裂紋是在焊接過程中,焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區產生的焊接裂紋。在焊縫金屬中的熱裂紋也稱為凝固裂紋。由于被焊接的材料大多都是合金，而合金凝固自開始到最終結束，是在一定的溫度區間內進行的，這是熱裂紋產生的基本原因。焊縫金屬中許多雜質的凝固溫度都低于焊縫金屬的凝固溫度，這樣首先凝固的焊縫金屬把低熔點的雜質推擠到凝固結晶的晶粒邊界，形成了一層液體薄膜，又因為焊接時熔池的冷卻速度較快,焊縫金屬在冷卻的過程中發生收縮，使焊縫金屬內產生拉應力,拉應力把凝固的焊縫金屬沿晶粒邊界拉開。當沒有足夠的液體金屬補充時，就會形成微小的裂紋，隨著溫度繼續下降，拉應力增大，裂紋不斷擴大，這就是凝固裂紋。

當焊縫金屬中含有較多低熔點雜質時,焊縫金屬極易產生凝固裂紋。母材和焊接材料中含有害雜質，特別是硫，硫在鋼中與鐵化合形成硫化亞鐵(FeS)，硫化亞鐵與鐵發生反應形成一種共晶物質，凝固溫度為988℃，遠低于鋼鐵的凝固溫度。所以硫是引起鋼材焊縫金屬中發生凝固裂紋的最主要的元素。另外，鋼材中含碳量較高時，有利于硫在晶界處富集,因而也是促進形成凝固裂紋的原因，所以采用含碳量低的焊接材料有利于防止凝固裂紋的產生。

熱裂紋顯著的特征是斷面呈藍黑色，即金屬高溫氧化的顏色，有的在熱裂紋中有流入熔渣的痕跡。再者，孤坑裂紋多為熱裂紋。

熱裂紋對工業生產加工的危害極大，所以在生產過程中我們要采取一定的措施盡量避免熱裂紋的產生。除了使用合格、優質的電焊條外，還應該在焊接時選擇合適的焊接規范，必要時應采取預熱和緩冷措施，合理地安排焊接方向和焊接順序，以減小焊接應力。其次調整焊縫金屬的合金成分，如焊接鉻鎳不銹鋼時，適當提高焊縫金屬的含鉻量，可顯著提高焊縫金屬的抗熱裂紋性能。另外，我們可以在SPAR項目框架內開展工作（MRI）。我們需要開發響應焊接作業（維修和制造）具體需求的數字模型，以預測該過程的機械和冶金的影響。我們的最終目標是改善和優化維修隊的工程實踐。

02 解決方案

熱裂紋主要發生于奧氏體和鎳基不銹鋼之間，并且多發生在凝固的末期。

在固體成分較低的情況下，斷裂是由于晶界周圍的液膜中裂紋的萌生和擴展。

在固體成分較高的情況下，材料橋 “減緩 ”了裂紋的擴展，固體橋是塑性變形引起的，造成了韌性破壞。

凝固過程中的熱裂紋取決于3個參數：

-所施加的累積塑性應變；

-臨界應變；

-BTR的靈敏度區間。

這些參數與以下的因素有關：

-合金的化學成分；

-焊接能量；

-結構的形狀。

接下來在SPAR項目框架內開展建模。

基于機械標準的模型，如果在一定的溫度范圍內（BTR）的形變大于臨界形變，就會發生熱斷裂。具體的標準如下：

1-BTR的界限是關于固體成分的函數；

2-臨界應變是應變率和固體成分的函數。

在建模的同時，鑒別性的機械測試也是不可或缺的。我們在平面試樣上進行試驗，測試的變量：焊接能量和試樣寬度，在裂紋狀態和無裂紋狀態變化。

高溫和很大的溫度梯度使得變形的測量異常困難，因此我們用通用結構仿真軟件熱力學計算來分析測試。

03 結果

1- 熱源的確定（T測量和反轉法）

2-非線性熱計算

3-用運動學和各向同性的加工硬化系數對彈塑性行為規律進行力學計算（忽略了：流體流動、收縮、凝固和單元內聚力的影響）。

4-臨界變形標準（2.5%和1.5%）。

04 引入內聚力單元

我們有理由認為，一個整合了超過臨界值（耗散機理）的損傷模型可以更好地模擬樹枝狀的橋的斷裂和在熱裂紋機制影響下的液膜的打開。

凝聚力定理的參數是：

*斷裂應力（σc）；

*臨界表面能量密度（Gc）；

*閾值開度k0，低于此值時，元件會有彈性表現。

在凝固初期（T1），如果應力高于臨界應力，那么該機理是耗散的，材料就會被損壞（路徑0-σc-A）。

凝固過程中，在溫度T1+δT，臨界應力增加。

*如果應力小于σB，那么該過程就是彈性的。

*如果應力大于σB，那么該過程就是耗散性的。

我們用內聚力單元進行建模。在參數定律的約束下，構成損壞和開裂狀態相互影響著彼此。臨界應力隨溫度變化的情況在下表中給出。

此外，我們假設臨界開口δc是一個常數（40μm）。

作為一個例子，當溫度為1400°C時的內聚力法則的參數k0=10-5，σc=22Mpa，δc=0.04mm

內聚力法（通過對試驗的調整來確定）允許在有裂紋和非無裂紋試樣之間有一個明顯的分界。

05 結論

本研究通過對熱裂紋產生原因的分析，在SPAR項目框架內展開宏觀建模，并使用通用結構仿真軟件中的熱力學計算進行測試，最后引入內聚力單元以更深一步對熱裂紋進行分析和研究。

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