焊接失效分析：从裂纹到气孔，7类常见缺陷的根源剖析

在现代工业制造中，焊接是连接金属结构的核心工艺。然而，一个看似完美的焊缝之下，可能潜藏着足以导致整个结构灾难性失效的微小缺陷。对于研发与品控工程师而言，准确识别这些缺陷的类型、形貌并追溯其根本原因，是预防事故、优化工艺、提升产品可靠性的关键。这正是焊接失效分析的核心价值所在。本文将系统性地剖析焊接过程中最常见的几类缺陷，从它们的形成机理到宏观与微观的形貌特征，为工程师提供一份实用的诊断指南。

焊接裂纹的失效分析：识别潜藏的结构“杀手”

焊接裂纹是所有缺陷中最危险的一种，它是由焊接缺陷与焊接应力共同作用的产物。在失效分析实践中，我们首先需要根据裂纹的产生温度、位置和时间，对其进行初步分类。

表1 常见的焊接裂纹及其特征

热裂纹：高温下的“背叛”

热裂纹，也称高温裂纹或结晶裂纹，是在金属液-固共存的脆弱温度区间内形成的。此时，已结晶的固相晶粒被一层不连续的液态金属薄膜包围。随着冷却收缩，晶粒间产生拉应力，而液相又无法及时补充，裂纹便沿着晶界萌生。

• 失效分析要点：热裂纹的断口是诊断的关键。其断口必然是沿晶开裂，宏观上常呈现光滑的锯齿状，有时呈蟹脚状或网状。由于在高温下形成，断口表面会有明显的氧化色。通过SEM/EDS分析，常能在裂纹内部或断口附近发现硫化物、磷化物等低熔点共晶物或非金属夹杂物。

• 常见类型：

• 结晶裂纹：多见于含杂质较多的碳钢、低合金钢、镍基合金及某些铝合金焊缝中。

• 液化裂纹：常见于高强钢、奥氏体钢及部分镍基合金的近缝区，材料中S、P、Si、C含量偏高会加剧其倾向。

• 多边化裂纹：主要出现在纯金属或单相奥氏体合金中。

冷裂纹与延迟裂纹：冷却后的“定时炸弹”

冷裂纹，或称低温裂纹，是焊接生产中更为普遍的一类问题。它在焊后冷却过程中形成，有时会立即出现，有时则在几分钟甚至几天后才显现，后者即为“延迟裂纹”。

其形成机理是焊接热应力、组织应力和机械应力的三重叠加。对于淬硬性强的钢材，冷却时奥氏体转变为硬而脆的马氏体组织，在残余应力作用下极易开裂。如果焊缝中固溶了过量的氢，氢原子在冷却后会向高应力区扩散富集，引发氢脆，导致裂纹的延迟扩展，这便是延迟裂纹的本质。延迟开裂时，有时甚至能听到清脆的响声。

• 失效分析要点：冷裂纹的断口形貌与热裂纹截然不同。其断口宏观上呈锯齿形，凹凸不平，无明显氧化色。微观上，高淬硬性钢中多为沿晶断裂，低淬硬性钢中则以穿晶解理断裂为主，有时呈混合型断裂特征。延迟裂纹的断口常呈现亮晶状，是典型的氢脆解理形貌。

再热裂纹：热处理或服役中的“二次伤害”

对于含有沉淀强化元素的特定钢种（如低合金高强钢、珠光体耐热钢、部分不锈钢），焊后检查可能一切正常，但在后续的回火热处理或高温服役过程中，却在热影响区的粗晶区产生了裂纹，这就是再热裂纹。

其机理是在再加热过程中，残余应力通过蠕变方式松弛，应变集中在晶界上，同时合金元素析出强化了晶内，导致晶界成为薄弱环节而开裂。

• 失效分析要点：再热裂纹有三个典型特征：1）必然发生在热影响区的过热粗晶区；2）断裂模式为晶间开裂；3）存在一个敏感温度区间，例如低合金钢通常在500~700°C。

层状撕裂：厚板焊接的特有难题

在大型厚壁结构的T形、角接或十字接头中，当钢板厚度方向承受巨大的焊接收缩拉应力时，可能沿钢板轧制方向出现一种台阶状的内部裂纹，即层状撕裂。

• 失效分析要点：其最独特的特征就是阶梯状开裂形貌，由平行于轧制面的平台和垂直于平台的剪切壁构成。通过对平台部位进行SEM/EDS分析，总能发现大量的非金属夹杂物，如条状的MnS或脆性的硅酸盐、铝酸盐。夹杂物的形态决定了撕裂的宏观路径。

要准确区分这几类复杂的裂纹，往往需要依赖专业的失效分析手段，从宏观断口到微观组织，再到化学成分分析，构建完整的证据链。这恰恰是专业失效分析实验室能够提供的核心价值，它超越了单一的测试，提供的是一个完整的诊断结论。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），专注提供一站式焊接失效分析解决方案。央企背景，专家团队，助您快速定位产品失效的根本原因。欢迎垂询，电话19939716636

其他常见焊接缺陷及其失效分析要点

除了致命的裂纹，其他焊接缺陷同样不容忽视，它们不仅影响焊缝强度，更常常是裂纹的策源地。

气孔：焊缝中的“气泡”陷阱

熔池中的气体（如CO₂、H₂、N₂、水蒸气）在金属凝固前未能逸出，便形成了气孔。它们可以是孤立的、线状排列的或密集成群的。H₂形成的多为细小的针孔，而CO₂则易形成条虫状气孔。在失效分析中，气孔的存在不仅削弱了有效承载面积，其尖锐的边缘更是天然的应力集中点。

夹渣：工艺留下的“杂质”

焊后残留在焊缝内部或熔合线上的熔渣或非金属夹杂物统称为夹渣。例如电弧焊的熔渣、气体保护焊的氧化物，甚至是钨极氩弧焊脱落的钨极颗粒。夹渣与基体金属的结合力极弱，相当于在焊缝内部预制了裂纹。

焊缝成形不良、未焊透与过烧：宏观缺陷的致命影响

这类缺陷属于宏观几何与工艺控制问题，但其危害巨大。

• 焊缝成形不良：如焊瘤、咬边（在母材上形成的沟槽）、焊缝尺寸不符等。咬边和陡峭的焊缝过渡区会造成严重的应力集中。

• 未填满：焊缝表面的连续或断续沟槽，直接减小了焊缝的有效截面。

• 未焊透：母材与焊缝金属之间局部未熔合，是极为危险的体积型缺陷，等同于一条内置的裂纹。

• 过烧：焊接温度过高导致金属晶界氧化或低熔点相熔化，使材料变得极脆。

对于工程师而言，理解这些缺陷的“指纹”——即它们的独特形貌与形成机理——是进行有效质量控制和开展根本原因分析的第一步。当产品出现焊接相关的失效问题时，一份专业的失效分析报告能够清晰地揭示缺陷的本质，为工艺改进和质量提升提供最直接、最可靠的技术依据。