焊接冷裂纹

当应力状态恶劣，拉应力水平高时，即使含 氢量比较低，经过不长的孕育期，即有裂纹产生。
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2、三大要素的作用 (1)氢的作用
❖ 氢是引起的冷裂纹具有延迟的特征，称为氢致裂纹。
❖ 氢在钢中分为残余的固溶氢和扩散氢，只有扩散氢 对钢的焊接冷裂纹起直接影响。
1)氢在焊缝中的溶解
❖ 从图4.9中可知，氢在铁中 的溶解度随温度变化很大， 并在凝固点发生突变。由于 熔池很快由液态凝固，多余 的氢来不及逸出，结果就以 过饱和状态存在于焊缝中. 。
二、冷裂纹的特征及产生机理
1、产生延迟裂纹的三个基本要素 ① 钢材的淬硬倾向
② 焊接接头中的氢含量及其分布
③ 焊接接头的拘束应力状态
❖ 产生延迟裂纹的孕育期：
决定于焊缝金属中扩散氢的含量与焊接接头 所处的应力状态的交互作用。
相应于某一应力状态，焊缝金属中含氢量愈 高，裂纹的孕育期愈短，裂纹倾向就愈大。
❖ 裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或物理 化学不均匀的氢聚集的局部地带；
❖ 裂纹的分布与最大应力方向有关。
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2、分类
❖ 焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，结构 的类型、刚度以及施工的条件不同，大致分为： 1)淬硬脆化裂纹
❖ 一些淬硬倾向很大的钢种（焊接含碳较高的Ni-CrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢，及异种钢等）， 焊接时即使没有氢的诱发，仅在拘束应力作用下就 能导致开裂。
❖ 碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量比酸性焊条低， 所以碱性焊条的抗冷裂纹性能大大优于酸性焊条。
❖ 对于重要的低合金高强度钢结构的焊接，原则上 都应选用碱性焊条。
❖ 通常也是焊后立即产生，无延迟现象。
3)延迟裂纹
❖ 焊后不立即出现，有一定孕育期(又叫潜伏期)，具 有延迟现象。
❖ 决定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔 敷金属中的扩散氢含量。
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按其发生和分布位置的特征可分为三类： ①焊趾裂纹
❖ 起源于母材与焊缝交界的焊趾处，并有明显应力集中的部 位(如咬肉处)。裂纹从表面出发，往厚度的纵深方向扩展， 止于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿纵向发展。 ②根部裂纹或称焊根裂纹
Rcr﹥R
❖ 随着钢种强度级别提高，其临界拘束度降低，产生
冷裂纹的倾向大。
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(2)临界拘束应力σcr ❖ 焊接接头冷却过程中开始产生冷裂纹的拘束应力称
临界拘束应力σcr 。它可以采用各种冷裂纹试验方 法定量地测定出来，也可用经验公式进行计算。
❖ 焊接接头实际的拘束应力σ可通过实验或按拘束度R 的关系来确定，即
❖ 临界含氢量[H]Cr与钢的化学成分、刚度、预热温度以 及接头的冷却条件等有关。临界含氢量随着钢种碳当量 提高而减小。
❖ 当实际热影响区的含氢量[H]大于或等于[H]Cr时，就可
能产生冷裂纹。
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图 碳当量与临界含氢量的关系
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3．与接头拘束度有关的判据 (1)临界拘束度Rcr：衡量焊接接头刚性大小的一个 定量指标。
❖ 此式适用于中高强度(σb＝500－900MPa级)非调质高 强度钢。当CEIIW＜0.45％时，厚度在25mm以内的 钢板焊接时不预热，也不裂。
2)美国焊接学会(AWS)提出的公式
C AE W C S M 6 2 S n 4 1 N i 5 C 5 i M 4 r C 1 o 3 P 2 u
(1)日本溶接学会推荐公式
σcr=(86.3-211Pcm-28.21g([H]+1)+2.73t8/5+9.7×10-3t100)
×. 9.8
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式中，σcr——插销试验的临界断裂应力(MPa)； Pcm——合金元素的裂纹敏感系数(％)； [H]——按日本标准甘油法(JIS3113—1975)测定
❖ 在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区
间之上停留时间(t100)较长，大部分氢已在高温下从
焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢己 不原足因以 之引一。起冷裂纹，这就. 是预热可防止冷裂纹的 8
3)氢的组织诱导扩散
❖ 氢在不同组织中的溶解和扩 散能力是不同的，见图5-16。
❖ 在γ中氢具有较大的溶解度， 但扩散系数较小；在α中氢却 具有较小的溶解度和较大的 扩散系数。
❖ 此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。一般认为板
厚在25mm以内CEAWS＜0.4％，可不预热，焊接也不 裂。
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3)日本JIS及WES推荐的公式
C eC qM S n iN C i r M V o 6 24 405 4 14
❖ 适用于强度σb＝500～1000MPa级低碳调质低合金 高强钢，认为CEWES＜0.46％可以不预热，焊接也 不裂。
❖ 完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的， 焊后常立即出现，在热影响区和焊缝上都可产生。
❖ 通常采用较高的预热温度和使用高韧性焊条，基本 上可防止这类裂纹。
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2)低塑性脆化裂纹
❖ 某些塑性较低的材料（铸铁补焊、堆焊硬质合金和 焊接高铬合金），冷至低温时，由于收缩而引起的 应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆 而产生的裂纹。
拘束度有拉伸和弯曲两类：
拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹 性位移时，焊缝每单位长度上受力的大小；
弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形
时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。
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对接接头的拘束度R随板厚δ增加而增大，随拘束 距离L的增大而减小。当拘束度增大到某一数值时， 接头出现裂纹，此时的R值称临界拘束度Rcr。焊接 接头的临界拘束度Rcr值越大，说明该接头的冷裂敏 感性越小。如果实际结构的拘束度为R，则不产生 冷裂纹的条件为：
σ﹥mR
❖ m为转换系数，它与钢材的热物理性能、接头结构
特点、工艺条件有关。当σcr ＞ σ时不裂。
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4、综合性判据 冷裂纹的产生实际上是钢材的化学成分、接头的
扩散氢含量及接头拘束度三方面的因素综合作用的 结果。前面所述，通过插销试验得出临界断裂应力 σcr ，即属于综合性判据。
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三、冷裂纹的防止措施
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图4.9 氢在铁中的溶解度与温度的关系
2)氢在焊接区的浓度扩散
❖ 焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态，在含量 差的作用下会自发地向周围热影响区和大气中扩 散。这种浓度扩散的速度与温度有关。
❖ 温度很高时，氢很快从焊接接头扩散出去；温度 很低时，氢的活动受抑制，因此都不会产生冷裂 纹。
❖ 只有在一定温度区间(约-100℃～100℃)氢的作用才 显著，如果同时有敏感组织和应力存在，就会产 生冷裂纹。
❖ 高强度钢奥氏体分解时，析出铁素体、珠光体、马氏体等 组织，由于它们具有不同的膨胀系数，引起了局部体积变 化，从而产生组织应力。
3)拘束应力
❖ 指的是接头受到外部刚性拘束，焊件收缩不自由而引起的 应力。它的大小与结构的厚度和拘束度等合关。
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3、三大要素综合影响的评定
在实际焊接中需要有反映出材料淬硬组织(或化学 成分)、扩散氢和应力三大要素同时对冷裂纹发生影 响的定量关系。国内外学者通过大量插销试验，建 立了临界断裂应力计算公式，这些公式较好地反映 了这三大要素之间的联系和对冷裂纹的影响，还可 以用此临界断裂应力作为是否产生冷裂纹的判据。
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❖ 冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域，这是由于 晶粒粗大，能显著降低相变温度，同时也使晶界 上偏析物增多，因而使该区冷裂倾向增大。
❖ 在淬硬组织中具有更多的晶格缺陷，如空位、位 错等。在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集， 当汇集到一定尺寸，就会形成裂纹源，进一步扩 展成宏观裂纹。
❖ 组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为：
子氢扩散方向）
TAF——焊缝A体相变等温面，TAM——热影响区A
体相变等温面，.a、b——熔合线
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4)氢的应力诱导扩散
❖ 氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它有向 三向拉应力区扩散的趋势。常在应力集中或缺口等 有塑性应变的部位产生氢的局部聚集，使该处最早 达到氢的临界含量，这就是氢的应力诱导扩散现象。 应力梯度愈大，氢扩散的驱动力也愈大，也即应力 对氢的诱导扩散作用愈大。
第四章 焊接气孔和裂纹
第17讲
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4.2.2 焊接冷裂纹
一、焊接冷裂纹类型
1．基本特征
❖ 焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说，在Ms温度以下)产 生的焊接裂纹统称冷裂纹。
❖ 冷裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时间，如 几小时，几天，甚至更长时间才出现。
❖ 多数出现在焊接热影响区，但一些厚大焊件和超高强钢及 钛合金也出现在焊缝上；
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(2)组织的作用
❖ 钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越容易产 生冷裂纹。
❖ 因为马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，是一种 硬脆组织，发生断裂只需消耗较低的能量。
❖ 不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不 同，如果出现的是板条状低碳马氏体，因Ms点较 高，转变后有自回火作用，既有较高的强度又有足 够的韧性，抗裂性能优于含碳量较高的片状孪晶马 氏体。孪晶马氏体的硬度很高，韧性也很差，对冷 裂纹特别敏感。
的扩散氢含量(mL／100g)； t8/5—熔合区附近从800℃到500℃的冷却时间(s)； t100——熔合区附近从最高温度(约1350℃) 到
100℃的冷却时间(s)。
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(2)天津大学张文钺等人推荐公式：
σcr＝（132.3-27.5g([H]-1)-0.216HV+0.0102t100)×9.8 式中，[H]——按GBl225—1976法测定的扩散氢含量
其冷裂纹倾向或其敏感性，是焊接工作者最关心的 的问题，因为它是评定金属材料焊接性的重要依据。 1、与材料化学成分有关的判据
主要从材料淬硬程度方面去评定其冷裂倾向，因 为钢材的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。
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1)国际焊接学会(IIW)推荐的公式
C E CMn C u NiC rMo 6 15 5
❖ 起源于坡口的根部间隙处，可以起源于母材的近缝区金属， 也可以起源于焊缝金属的根部。 ③焊道下裂纹
❖ 产生在靠近焊道之下的热影响区内部，距熔合线约0.10.2mm处，该处常常是粗大马氏体组织。
❖ 裂纹走向大体与熔合线平行，一般不显露于焊缝表面。
图4.8 三种.冷裂纹示意图
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1——焊趾裂纹，2——根部裂纹，3——焊道下裂纹
图4.10 氢在钢中的溶解度[H] 与扩散系数D随温度的变化
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❖ 在焊接过程中，氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散 的情况如图4.11所示。
❖ 通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在
低于母材，因此焊缝金属在较高温度(TAF)下就产生
相变，即原A分解为F和P。
图4.11 高强度钢HAZ延迟裂纹形成过程（箭头 以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂纹倾向增大。
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(3)应力的作用
1)热应力
❖ 在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环 而变化，冷却后在接头上留存着残余应力，其大小及分布 决定于母材和填充金属的热物理性质、温度场以及结构的 刚度等，其最大值可达母材的屈服点σs。 2)组织应力
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(2)临界冷却时间Cf′ ❖ 在热影响区熔合线附近从A3冷至500℃开始出现铁素
体组织的临界时间Cf′可以作为焊接热影响区冷裂倾 向的判据，即
t8/5＜ Cf′ 可能产生冷裂 ❖ Cf′可利用所研究钢种的焊接热影响区CCT图确定。
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2 与接头含氢量有关的判据
❖ 高强度钢焊接接头中的含氢量越多，则裂纹倾向越大。 当由于氢的扩散、聚集，使接头中局部地区的含氢量达 到某一数值而产生裂纹时，此含氢量即为产生冷裂纹的 临界含氢量[H]Cr 。
(mL／100g)；
HV——热影响区的平均最大硬度(维氏)。
表 两个临界断裂应力公式应用范围
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❖ 如果能通过实验或计算得出实际焊接结构(如船舶、 桥梁、压力容器等)焊接接头的拘束应力σ，就可以 与由两个临界断裂应力公式计算出的临界断裂应力 作比较: 当σcr ＞σ时,不裂。
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5.4.3 冷裂倾向的判据 ❖ 如何根据焊接结构的材料，结构和工艺特点去判断
1、控制母材的化学成分
从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材， 把好进料关。
尽量选择碳当量CE或冷裂纹敏感系数Pcm小的 钢材，因为钢种的CE或Pcm越高，淬硬倾向越大， 产生冷裂纹的可能性越大。
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2．合理选择和使用焊接材料 主要目的是减少氢的来源和改善焊缝金属的
塑性和韧性。
(1)选用低氢和超低氢焊接材料