01 应用背景

热裂纹是在焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。在焊缝金属中的热裂纹也称为凝固裂纹。由于被焊接的材料大多都是合金，而合金凝固自开始到最终结束，是在一定的温度区间内进行的，这是热裂纹产生的基本原因。焊缝金属中许多杂质的凝固温度都低于焊缝金属的凝固温度，这样首先凝固的焊缝金属把低熔点的杂质推挤到凝固结晶的晶粒边界，形成了一层液体薄膜，又因为焊接时熔池的冷却速度较快,焊缝金属在冷却的过程中发生收缩，使焊缝金属内产生拉应力,拉应力把凝固的焊缝金属沿晶粒边界拉开。当没有足够的液体金属补充时，就会形成微小的裂纹，随着温度继续下降，拉应力增大，裂纹不断扩大，这就是凝固裂纹。

当焊缝金属中含有较多低熔点杂质时,焊缝金属极易产生凝固裂纹。母材和焊接材料中含有害杂质，特别是硫，硫在钢中与铁化合形成硫化亚铁(FeS)，硫化亚铁与铁发生反应形成一种共晶物质，凝固温度为988℃，远低于钢铁的凝固温度。所以硫是引起钢材焊缝金属中发生凝固裂纹的最主要的元素。另外，钢材中含碳量较高时，有利于硫在晶界处富集,因而也是促进形成凝固裂纹的原因，所以采用含碳量低的焊接材料有利于防止凝固裂纹的产生。

热裂纹显著的特征是断面呈蓝黑色，即金属高温氧化的颜色，有的在热裂纹中有流入熔渣的痕迹。再者，孤坑裂纹多为热裂纹。

热裂纹对工业生产加工的危害极大，所以在生产过程中我们要采取一定的措施尽量避免热裂纹的产生。除了使用合格、优质的电焊条外，还应该在焊接时选择合适的焊接规范，必要时应采取预热和缓冷措施，合理地安排焊接方向和焊接顺序，以减小焊接应力。其次调整焊缝金属的合金成分，如焊接铬镍不锈钢时，适当提高焊缝金属的含铬量，可显著提高焊缝金属的抗热裂纹性能。另外，我们可以在SPAR项目框架内开展工作（MRI）。我们需要开发响应焊接作业（维修和制造）具体需求的数字模型，以预测该过程的机械和冶金的影响。我们的最终目标是改善和优化维修队的工程实践。

02 解决方案

热裂纹主要发生于奥氏体和镍基不锈钢之间，并且多发生在凝固的末期。

在固体成分较低的情况下，断裂是由于晶界周围的液膜中裂纹的萌生和扩展。

在固体成分较高的情况下，材料桥 “减缓 ”了裂纹的扩展，固体桥是塑性变形引起的，造成了韧性破坏。

凝固过程中的热裂纹取决于3个参数：

-所施加的累积塑性应变；

-临界应变；

-BTR的灵敏度区间。

这些参数与以下的因素有关：

-合金的化学成分；

-焊接能量；

-结构的形状。

接下来在SPAR项目框架内开展建模。

基于机械标准的模型，如果在一定的温度范围内（BTR）的形变大于临界形变，就会发生热断裂。具体的标准如下：

1-BTR的界限是关于固体成分的函数；

2-临界应变是应变率和固体成分的函数。

在建模的同时，鉴别性的机械测试也是不可或缺的。我们在平面试样上进行试验，测试的变量：焊接能量和试样宽度，在裂纹状态和无裂纹状态变化。

高温和很大的温度梯度使得变形的测量异常困难，因此我们用通用结构仿真软件热力学计算来分析测试。

03 结果

1- 热源的确定（T测量和反转法）

2-非线性热计算

3-用运动学和各向同性的加工硬化系数对弹塑性行为规律进行力学计算（忽略了：流体流动、收缩、凝固和单元内聚力的影响）。

4-临界变形标准（2.5%和1.5%）。

04 引入内聚力单元

我们有理由认为，一个整合了超过临界值（耗散机理）的损伤模型可以更好地模拟树枝状的桥的断裂和在热裂纹机制影响下的液膜的打开。

凝聚力定理的参数是：

*断裂应力（σc）；

*临界表面能量密度（Gc）；

*阈值开度k0，低于此值时，元件会有弹性表现。

在凝固初期（T1），如果应力高于临界应力，那么该机理是耗散的，材料就会被损坏（路径0-σc-A）。

凝固过程中，在温度T1+δT，临界应力增加。

*如果应力小于σB，那么该过程就是弹性的。

*如果应力大于σB，那么该过程就是耗散性的。

我们用内聚力单元进行建模。在参数定律的约束下，构成损坏和开裂状态相互影响着彼此。临界应力随温度变化的情况在下表中给出。

此外，我们假设临界开口δc是一个常数（40µm）。

作为一个例子，当温度为1400°C时的内聚力法则的参数k0=10-5，σc=22Mpa，δc=0.04mm

内聚力法（通过对试验的调整来确定）允许在有裂纹和非无裂纹试样之间有一个明显的分界。

05 结论

本研究通过对热裂纹产生原因的分析，在SPAR项目框架内展开宏观建模，并使用通用结构仿真软件中的热力学计算进行测试，最后引入内聚力单元以更深一步对热裂纹进行分析和研究。

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