焊接冷裂纹的分类、危害及机理剖析
焊接裂纹-冷裂纹资料PPT教学课件
2020/10/16
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二、冷裂纹的种类
延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下三种。
（一）焊趾裂纹
这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力 集中部位（如咬肉处）。裂纹的走向经常与焊道平 行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展，如图 5-40中A所示。
氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并且有 延迟的特征。高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂 纹的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临 界值时，便开始出现裂纹，此值称为产生裂纹的临 界含氢量。
钢中的含氢量分为两部分，即残余氢量和扩散氢量。
扩散氢对冷裂的产生和扩展起了决定性作用。
在Ms点以下扩散氢才具有致裂的作用。这一部分 扩散氢可以称为“残余扩散氢”。
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当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时， 氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中 的扩散速度很快，因此氢就很快的从焊缝越过熔 和线向尚未发生分解的奥氏体影响区扩散。
由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把 氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合 线附近就形成了富氢地带。
第三节 焊接冷裂纹
一、冷裂纹的危害性及其一般特征
（一）冷裂纹的危害性 建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重
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（二）冷裂纹的一般特征
高强钢焊接冷裂纹一的，也有的要推迟 很久才产生。冷裂纹的起源多发生具有缺口效应的 焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部 地带。冷裂纹的断裂行径，有时是沿晶界扩展，有 时是穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织和应力 状态及氢的含量等而定。这一点不像热裂纹那样， 都是沿晶界开裂。
焊接裂纹分析
Creq Cr Mo 1.5Si 0.5Nb%
（A＋δ）双相不锈钢焊缝（4） 以Nieq做纵坐标，Creq做横坐标，绘出舍夫勒图 （Saeffler）。从图上可得知δ相大致的含量。
2 力学因素对产生结晶裂纹的影响（1）
力是产生裂纹的必要条件之一。焊 接时脆性温度区内金属的塑性ε只要大于 脆性温度区内金属所承受的拉伸应变 pmin即可产生裂纹。
1） 硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图5－21），并能与 Fe形成多种低熔点共晶。
合金因素对产生结晶裂纹的影响（3）
某种元素在钢中的偏析度K
K [x]界 [x]轴 * 或用K′表示
[ x ]0
K和K′值越大偏析越严重。
K' [x]界 [ x]轴
S和P是钢中极易偏析的元素（表5－3），即使存在微量也 会产生热裂纹，对产生裂纹倾向很大。
δ相一般控制在5％为佳。δ相多少可用金相法和磁性法测 定，过多的δ相降低焊缝的耐蚀性。
（A＋δ）双相不锈钢焊缝（3）
Cr是铁素体形成元素，Ni是扩大A体元素，控制A体不锈 钢中Cr、Ni含量可调整焊缝中δ相比例。考虑到其它元素的影 响，引入“镍当量Nieq”
Nieq Ni 30C 0.5Mn%
热裂纹（2） 热裂纹一般沿晶界开裂，裂纹周围有氧化色。
热裂纹（3） 热裂纹有与液膜有关的裂纹和与液膜无关的裂纹两大类。
热裂纹（4）
根据开裂时的温度区间和开裂原因，热裂纹又可分为： （1）结晶裂纹（凝固裂纹）
在固相线附近，已凝固的金属收 缩，残余液态金属不足以填充这个空 间，在应力作用下发生沿晶开裂（图5 －5）。裂纹的横断面上有氧化色。
*抗裂性
在整个结晶过程中，从液到固可分 为三个阶段：
焊接冷裂纹
焊接冷裂纹1.前言1.1焊接裂纹的简介焊接裂纹是指金属在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏所产生的缝隙。
在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹，焊接裂纹产生的条件和原因各有不同。
有些裂纹在焊后立即产生，有些在焊后延续一段时间才发生，有的在一定外界条件诱发下才产生；裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。
焊接裂纹对焊接结构的危害有：①减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力②构成了严重的应力集中。
裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切口应力集中，既降低结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏。
③造成泄漏。
由于盛装或输送有毒且可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏。
④表面裂纹能藏污纳垢，容易造成或加速结构的腐蚀。
⑤留下隐患，使结构变得不可靠。
由于延迟裂纹产生具有不定期性，微裂纹和内部裂纹易于漏检，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。
焊接裂纹是焊接结构最严重的工艺缺陷，直接影响产品质量，甚至引起突发事故，例如，焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，各种类型压力容器爆炸等恶性事故。
随着现代钢铁、石油化工、船舶和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数方向发展，有的在低温、深冷或腐蚀介质下工作，都广泛采用各种低合金高强钢材料，而这些金属材料通常对裂纹十分敏感。
因此，从焊接裂纹的微观形态、起源与扩展及影响因素等进行深入分析，对防止焊接裂纹和保证工程结构的质量稳定性是十分重要的。
1.2焊接裂纹分类焊接裂纹按产生的机理可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。
(1)热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。
根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也不同。
一般把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类。
焊接裂纹及其危害性
1 焊接裂纹概述所谓焊接裂纹就是在焊接、退火和使用过程中，焊接区产生的各种裂总称。
1.1 危害性焊接裂纹不仅给生产带来困难，而且可能带来灾难性的事故。
裂纹是焊接中最危险的缺陷之一，它不仅严重的削弱了容器的承载能力和腐蚀能力，即使不太严重的裂纹，由于使用过程中造成应力集中，则成为各种断裂（脆性断裂、塑性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂）的断裂源，造成设备的低应力破坏。
1.2 焊接裂纹的分类①按产生的部位可分为焊缝裂纹、火口裂纹和热影响裂纹；②按产生的温度可分为热裂纹和冷裂纹；③按尺寸的大小分为宏观裂纹和围观裂纹；④按相对焊道方向可分为纵裂纹和横裂纹；⑤按产生的形态可分为根部裂纹、缝边裂纹、焊道下裂纹、层状撕裂、弧坑裂纹等；⑥按产生的原因可分为热裂纹、冷裂纹、在热裂纹和腐蚀裂纹；层状裂纹和根部裂纹2 焊接热裂纹热裂纹大部分是在稍低于凝固温度时产生的凝固裂纹，也有少量是在凝固温度区间产生的。
觉大多数热裂纹产生在焊缝中，有时也产生热影响区。
热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多变化裂纹三种。
2.1形成机理在焊缝金属凝固过程中，当熔化金属中存在一定量的低熔点共晶体时，首先结晶的是金属晶粒，而在晶粒间存在低熔点液体薄膜。
所产生的裂纹有以下几点：有低熔点共晶体存在并造成低熔点共晶体的偏析；低熔点共晶体有一定的量；在低熔点共晶体凝固前产生了拉升应力；2.2热裂纹特征热裂纹产生在高温，即金属凝固的过程中；热裂纹起裂于晶界并沿晶界扩展；裂纹表面有明显的氧化颜色；热裂纹多产生于焊缝区，个别情况也出现在热影响区；出现在热影响区的原因是母材晶界上存在低熔点共晶体和有害杂质，在焊接过程中，这些低熔点共晶体被熔化，形成液态间层，在拉力作用下形成裂纹，因此也叫液化裂纹。
2.3防止措施冶金措施冶金措施是用控制母材和焊接材料的化学成分的办法，改变熔池中的金属成分，一防止裂纹的产生，其主要方法如下：控制母材中的硫磷含量；增加母材和焊丝中的锰含量；增加焊剂和焊药中的氧化锰和氧化钙含量；细化焊缝金属的晶粒工艺措施焊前预热，焊中伴热；调整焊接规范；限制母材的杂质进入焊缝。
焊接裂纹的分析与处理
焊接裂纹的分析与处理我们在厂修车体、车架、转向架构架时经常会遇到焊缝或母材的裂纹。
我们已经讲过裂纹的判断，判断出裂纹以后就需要对裂纹进行处理。
如果我们在处理之前对裂纹没有一个准确的分析，就不可能制定出最佳的处理方案。
因此必须要对裂纹进行认真的分折。
根据焊接生产中采用的钢材和结构类型不同，可能遇到各种裂纹，裂纹多产生在焊缝上，如焊缝上的纵向裂，焊缝上的横向裂。
也可以产生在焊缝两侧的热影响区，焊缝热影响区的纵向裂，焊接影响的横向裂纹，焊接热影响区的焊缝贯穿裂纹，有时产生在金属表面，有时产生在金属内部，如焊缝根部裂、焊趾裂，有的裂纹用肉眼可以看到，有的则必须借助显微镜才能发现，有的裂纹焊后立即出现，有的则是放置或运行一段时间之后才出现。
1.焊缝裂纹的分类根据裂纹的本质和特征，可分为五种类型：即热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹。
1.1热裂纹热裂纹是在高温情况下产生的，而且是沿奥氏体晶界开裂，就目前的理解，把裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹三类。
（1）结晶裂纹—结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，即处于焊缝金属的凝固末期固液共存阶段，由于凝固金属收缩时残存液相不足，致使沿晶开裂，故称结晶裂纹，由于这种裂纹是在焊缝金属凝固过程中产生的，所以也称为凝固裂纹。
结晶裂纹的特征：存在的部位主要在焊缝上，也有少量的在热影响区，最常见的是沿焊缝中心长度方向上开裂，即纵向裂，断口有较明显的氧化色，表面无光泽，也是结晶裂纹在高温下形成的一个特征。
（2）液化裂纹—焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属以及母材近缝区金属中，由于晶间层金属被重新熔化，在一定的收缩应力的作用下，沿奥氏体晶界产生的开裂，称为“液化裂纹”也称“热撕裂”。
液化裂的特征：①易产生在母材近缝区中紧靠熔合线的地方（部分溶化区），或多层焊缝的层间金属中。
②裂纹的走向，在母材近缝区中，裂纹沿过热奥氏体晶间发展；在多层焊缝金属中，裂纹沿原始柱状晶界发展，裂纹的扩展方向，视应力的最大方向而定，可以是横向或纵向；并在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。
焊接冷裂纹产生机理影响因素及防治措施
焊接冷裂纹产生机理影响因素及防治措施一、冷裂纹的一般特征1、产生温度Ms点附近或200～300℃以下温度区间2、产生的钢种和部位发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝3、裂纹的走向：沿晶、穿晶4、产生时间可焊后立即出现，也有的几小时，几天、更长时间延迟裂纹：不是在焊后马上出现的要经过一定时间才出现的裂纹—延迟裂纹延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它不是焊后出现，因此危害性更大延迟裂纹三种形态1）、焊趾裂纹—缝边裂纹起源于焊缝和母材的交界处，并有明显应力集中的地方，裂纹的取向经常与焊缝纵向平行，由焊趾的表面开始，向母材的深处延伸2）、焊道下裂纹发生在淬硬倾向较大，含氢较多钢种的焊接热影响区，裂纹取向与熔合线平行，但也有时垂直于熔合线3）、根部裂纹起源于应力集中的焊缝根部，可能发生在焊接热影响区，也可能发生在焊缝（含氢量高，预热不足）二、延迟裂纹的机理高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。
延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂，我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素。
1、钢种的淬硬倾向焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件。
钢种淬硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为1）、形成脆硬的马氏体i)、马氏体的形状条状马氏体：低碳马氏体，含碳量小于0.3%C，呈条状Ms点较高，在转变后起到自行回火作用，因此有一定韧性如低碳钢、低碳合金钢片状马氏体：含碳量高时，形成片状马氏体，片内存着平行状的孪晶，亦称孪晶马氏体，硬度高，组织脆对裂纹敏感ii)、组织对冷裂纹的敏感倾向F 、P →→F B 条状M 上贝氏体→粒状B →M+A →孪晶马氏体，可知孪晶马氏体对裂纹最敏感iii)、利用SH —CCT 图评定钢种对冷裂纹的敏感性，有试验结果看出，如果熔合区焊后800～500℃冷却时小于'f C 就会出现裂纹，也就是说可以利用出现铁素体的临界冷却时间'f C 来作为焊接接头裂纹倾向的判据 t 800～500℃<'f C 开裂 t 800～500℃>'f C 不裂 2)、淬硬产生晶格的缺陷材料在淬硬后，会产生较多的晶格缺陷，淬火后出现的晶格缺陷主要是空位位错，相变应力的作用下产生较多的位错，在焊接应力作用下，空位与位错发生移动聚集，当达到一定浓度时，产生裂纹源，硬度扩展成为裂纹。
焊接裂纹种类分类及其特点概述
焊接裂纹种类分类及其特点概述一、危害性焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构抱废，无法修补。
更严重者造成事故、人身伤亡。
如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。
因此，解决研究焊接裂纹已成为当前主要课题。
二、种类各种不同类型的裂纹①焊缝中纵向裂纹②焊缝上横向裂纹③热影响区纵向裂纹④热影响区横向裂纹⑤火口（弧坑）裂纹⑥焊道下裂纹⑦焊缝内部晶间裂纹⑧热影响区焊缝贯穿裂纹⑨焊趾裂纹⑩焊缝根部裂纹分类：1、按裂纹分布的走向分1)、横向裂纹2）、纵向裂纹3）、星形（弧形裂纹）2、按裂纹发生部位分①焊缝金属中裂纹②热影响区中裂纹③焊缝热影响区贯穿裂纹3、按产生本质分类1）、热裂纹（高温裂纹）产生：焊接接头的冷却过程中，且温度处在固相线附近的高温阶段。
—热裂纹—高温裂纹高温下产生，在结晶温度附近存在部位：焊缝为主，热影响区特征：宏观看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。
存在宏观裂纹，必有微观裂纹存在微观裂纹，外表不一定显现宏观裂纹近缝区的裂纹往往是微观裂纹，不一定发展成宏观裂纹1)、热裂纹1）、结晶裂纹：在凝固的过程—结晶过程中产生2）、高温液化裂纹：在高温下产生，钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物（S、P、Si)经重新溶化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。
3）、多边化裂纹：产生温度低于固相线温度，存在晶格缺陷（位错和空位），物理化学的不均匀性，在应力作用下，缺陷聚集形成多边化边界，使强度塑性下降，沿多边化边界开裂，多发生纯金属或单相奥氏体合金焊缝。
2）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）原件结构焊后消除应力热处理中，在热影响区的粗晶部位产生裂纹，材质低合金高强钢，珠光体耐热钢、奥氏体、不锈钢、Ni基合金。
浅谈焊接裂纹的产生原因和防止措施施
浅谈焊接裂纹的产生原因和防止措施摘要：对焊接裂纹产生原因分析的基础上，采用可行的焊接工艺和有效的防止措施。
关键词：焊接裂纹分析焊接工艺防止措施前言焊接是现代工业生产中最重要的加工工艺之一，它已广泛应用于制造和修理各种结构和设备。
焊接作为一种降低成本、提高生产效率的有效手段，用它不仅可以得到优质、可靠的工件，而且可以创制出原则上完全新颖的产品。
大如航空航天和核动力装置，小至微电子以及超精器件，如果没有焊接技术，很难想像将会遇到多少困难，甚至无法制造出来。
因此完全可以说，没有焊接就没有今天这样的现代工业，焊接为今天这样的现代文明起到了它应有的作用。
随着现代工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化，大容量和高参数的方向发展。
有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作，因此各种低合金高强钢，中、高合金钢，超高强钢，以及各种合金材料应用的日益广泛。
但是随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产上带来了许多新的问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。
常见的焊接裂纹根据生成时的温度，可分成热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等几类。
焊接结构中，焊接裂纹以冷裂纹最为常见，其次为热裂纹，本次论文主要阐述冷裂纹的产生机理和防止措施。
一、焊接冷裂纹冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹。
冷裂纹包括：延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，正常所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。
延迟裂纹生成温度约在100~－100℃之间，存在潜伏期，缓慢扩散期和突然断裂期三个连续的开始过程。
潜伏期几小时、几天甚至更长。
裂纹一般有焊道下裂纹、焊根下裂纹、焊根裂纹、横向裂纹、凝固过渡层裂纹。
一般情况下，焊接低中合金高强钢，高中碳钢等易淬火钢时容易产生冷裂纹。
二、冷裂纹产生的机理大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布，以及焊接接头所承受的应力状态是产生焊接冷裂纹的三大主要因素。
这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。
（1）含氢量的影响导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。
压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施
压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施焊接在金属压力容器制造过程中是一道主要的工序，随着压力容器的大型化和重型化，焊接在压力容器制造过程中处于关键和重要的工序。
大多数压力容器属于特种设备，其安全运行关系人民的生命及财产安全，因此避免压力容器在制造过程中产生焊接缺陷，是保证压力容器制造质量在运行后安全工作的关键步骤。
1 焊接冷裂纹的分类及产生的基本过程焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹，常见钢材产生的温度为在Ms温度以下或200-300 ℃。
冷裂纹包括:延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，在压力容器制造行业所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。
压力容器焊接冷裂纹主要发生在高硬度及高强度的钢材中，如抗拉强度大于等于540MPa以上的材料或者中碳钢、低合金和中合金的高强度钢中。
这些材料在焊接过程中金属熔池溶解了大气或者焊接材料中的氢，加上焊接接头在焊接过程中产生了材料加热时产生的拘束应力，焊缝本身组织淬硬，无法通过塑性变形等方式释放应力，在三种因素的作用下，发生开裂，形成裂纹。
延迟裂纹具有显著的延迟性，分为潜伏期、缓慢扩散期、突然断裂期三个连续的过程，潜伏期有可能几小时、几天、几个月甚至几年，有可能压力容器已投入使用期间，因此更具危险性。
2 冷裂纹的产生原因分析形成冷裂纹的原因主要有以下4 个:(1)焊接接头形成淬硬组织，减小了金属的塑性储备;(2)扩散氢的存在和浓集;(3)焊件钢性大而产生较大的焊接拉伸应力;(4)焊肉存在某种缺陷致使应力集中。
以上这4 个因素，其中含氢量和拉应力是冷裂纹产生的2 个重要因素，但4 个原因的存在相互影响、促进。
它们中可能某一个原因成为冷裂纹的主要因素，然而决不可能是唯一因素。
一般来说，金属内部原子的排列并非完全有序的，而是有许多微观缺陷，在拉应力的作用下，原子氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。
当氢聚集到一定浓度时，就会破坏金属中原子的结合键，金属内就出现一些微观裂纹，应力不断作用，氢不断地聚集，微观裂纹不断地扩散，直至发展为宏观裂纹，最后断裂。
焊接冷裂纹成因
焊接冷裂纹成因一、引言焊接是现代工业生产中常见的加工方法之一，但其过程中可能会产生冷裂纹，造成产品质量问题。
因此，研究焊接冷裂纹成因对于提高产品质量具有重要意义。
二、焊接冷裂纹的定义及分类焊接冷裂纹是指在焊接过程中或者焊后，在低温下（通常小于室温）由于应力作用而产生的裂纹。
根据其发生位置和形态特征，可分为热影响区（HAZ）冷裂纹、熔合线（FZ）冷裂纹和母材（BM）冷裂纹等。
三、焊接冷裂纹成因1.组织变化引起的应力集中在焊接过程中，由于高温作用下金属晶粒会发生组织变化，如晶粒长大或者晶粒形态不规则等，这些变化都会导致局部应力集中。
当局部应力超过材料的强度极限时就会发生冷裂纹。
2.残余应力引起的开裂在焊接完成后，由于热胀冷缩和相邻材料的热膨胀系数不同，会产生残余应力。
当残余应力达到一定程度时，就会导致冷裂纹的形成。
3.热输入过大或者焊接速度过慢在焊接过程中，如果热输入过大或者焊接速度过慢，就会造成局部过热和冷却不均匀的现象，从而引起冷裂纹。
四、预防焊接冷裂纹的措施1.选择合适的焊接工艺和参数针对不同材料和结构形式，选择合适的焊接工艺和参数是预防冷裂纹的关键。
例如，在高强度钢板的焊接中要采用低温热输入、高速焊接等措施。
2.控制残余应力在焊接完成后采取措施消除或者降低残余应力是预防冷裂纹的有效方法。
例如，在大型构件的制造中可以采用局部加热、后续退火等手段来消除残余应力。
3.增加预热温度和时间增加预热温度和时间可以减少组织变化引起的应力集中，并提高材料的韧性，从而预防冷裂纹的发生。
五、结论焊接冷裂纹的成因是多方面的，需要综合考虑材料、结构和焊接工艺等因素。
预防冷裂纹需要采取相应的措施，如选择合适的焊接工艺和参数、控制残余应力、增加预热温度和时间等。
只有在生产实践中不断总结经验并加以应用，才能有效地预防焊接冷裂纹的产生。
焊接冷裂纹的分类、危害及机理
日本IL委员会通过插销试验建立的经验公式
cr [86.3 211Pcm 28.2 lg([H ] 1)
2.73t8 / 5 9.7 10 3 t100 ] 9.8 Si Mn Cu Cr Ni Mo V Pcm — C 5B 30 20 60 15 10
预测某结构各部位 的焊接拘束应力比较困 难，采用拘束度作为预 测拘束应力的桥梁比较 方便。
mR
(TM T0 ) Htg m c
同样钢种和同样板厚，由 于接头的坡口型式不同，即使拘 束度相同，也会产生不同的拘束 应力。
当拘束应力达到临界值σ cr时，产生裂纹。临界值σ cr反 映了产生延迟裂纹各种因素共同作用的结果（钢的化学 成分、接头的含氢量、冷却速度和应力状态），所以， 临界值σ cr可作为评价冷裂纹敏感性判据。
氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延 迟特性。
试验研究表明，含氢量越高，裂纹敏感性越大，当局 部地区的含氢量超过某一临界值[H]cr时，便开始出现 裂纹。 [H]cr与钢的化学成分、刚度、预热温度及冷却条件有 关。
碳当量与临界含氢量的关系
实验证明焊缝氢含量中的扩散氢对冷裂纹的产生和扩 展起决定作用，实际上只有在较低温度下的扩散氢才 具有致裂作用。这部分扩散氢称为“残余扩散氢[H]R”。 焊接高强钢冷至100℃附近时，氢在某些部位发生聚 集而起致裂作用，因此冷至100℃时的残余扩散氢 [H]R100才是致裂的有效氢含量。
氢在形成冷裂纹过程中的作用：
① 氢的来源及焊缝中的含氢量 焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环 境湿度等是焊缝中富集氢的来源。 ② 金属组织对扩散氢的影响 氢在不同组织中的溶解度和扩散系数不同。
焊接中冷裂纹的形成机理
焊接中冷裂纹的形成机理1、角焊缝上冷裂纹的特征焊接接头冷却到较低温度下产生的焊接裂纹统称为冷裂纹。
角焊缝上的冷裂纹一般为垂直于焊缝方向上的横向裂纹，大多具有2-3 天的潜伏期，在板厚大于10mm的高强钢板角焊缝上较为多见。
2、冷裂纹的影响因素生产实践与理论研究证明：钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、焊接接头的拘束应力状态是角焊缝出现冷裂纹的三大影响因素。
●焊缝金属的淬硬倾向焊缝金属的淬硬倾向主要取决于化学成分、焊接工艺和冷却条件等。
金属中的C、Mn元素含量高低与材料的淬硬倾向相关；在同一成分母材条件下，角接头焊缝成分受母材成分影响明显高于对接接头，角接头冷却速度相对较大也是具有较明显冷裂倾向原因。
3、焊缝金属中扩散氢含量焊缝中的扩散氢含量越高，冷裂倾向越大。
影响药芯焊丝焊缝扩散氢含量的因素主要有：焊丝种类、焊接电流、干伸长度、保护气体纯度、表面状态等加大焊接电流或减小干伸长度，都能使材料中的扩散氢含量增加；而保护气体中水分含量也会影响焊缝中扩散氢的含量；除此之外，试样的表面状态也能对氢元素的含量造成影响，如带底漆板所测得的氢值明显高出不带底漆板。
4、角焊缝冷裂纹防止措施采用药芯焊丝焊接碳当量较高的高强船板时，角焊缝具有明显的冷裂纹倾向，冬季施工时应采取严格的工艺措施，防止焊缝冷裂纹。
1、焊接前要清理焊件表面，如焊接材料中的水分、焊接坡口的铁锈油污以及氧化渣等。
2、焊接前必须保证焊接材料以及母材的干燥。
3、焊接时使用的保护气体一定要干燥，经常要去除气包中的水份。
4、导电嘴与喷嘴相配合，使导电嘴内缩4mm，干伸长度控制在20-25mm之间，以便降低焊缝中氢的含量。
5、对于淬硬倾向较大的板材角焊缝焊接时，可适当降低焊接电流（200~240A），减慢焊接速度。
6、9mm焊缝严格按要求焊三道，焊接情况如图3。
7、严格按照WPS规范焊接，合理选定焊接热输入，预热及层间温度、焊后热处理（厚板）和正确焊接顺序等。
5.3 焊接裂纹-冷裂纹
1．形成脆硬的马氏体组织 马氏体是碳在铁中的 过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中， 使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致 使组织处于硬化状态。马氏体是一种脆硬的组织， 发生断裂时将消耗较低的能量 因此，焊接接头有 马氏体存在时，裂纹是易于形成和扩展。 2．淬硬会形成更多的晶格缺陷 金属在热力不平 衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。主要是空位和 位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错 都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临 界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下， 就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。
1.氢的来源及焊缝中的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、 油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的来源。 油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的来源。 2．金属组织对氢扩散的影响 氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同。 氢在奥氏体中的溶解度远比在铁素体中的溶解度 大，并且随温度的增高而增加。 因此，在焊接时有奥氏体转变为铁素体时，氢的 溶解度 急剧下降，而氢的扩散速度恰好相反， 由奥氏体转变为铁素体时突然增大。
4.延迟裂纹的开裂机理 （见下图） 4.延迟裂纹的开裂机理 冷裂纹的延迟行为主要是由氢引起的。 氢的应力扩散理论： 金属内部的缺陷（包括微孔、微夹杂和晶格缺陷 等）提供了潜在裂源，在应力的作用下，这些微 观缺陷的前沿形成的三向应力区，诱使氢向该处 扩散并聚集，应力随之提高。 当氢的浓度达到一定程度时，一方面产生较大的 应力，另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当 应力进一步加大时，促使缺陷扩散。 其后，氢又不断向新的三向应力区扩散，达到临 界浓度时又发生了新的裂纹扩展。 周而复始，直至成为宏要经过一段时 间（几小时，几天甚至更长）才出现。开始少量出 现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在 焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹” 焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是 冷裂纹中比较普遍的一种形态。 由于延迟裂纹不是在焊后立即可以了现，需延迟一 段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害 性就更为严重。 冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢 的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、 钛及钛合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中。
焊接裂纹的分类及危害性
应力腐蚀裂纹
焊接构件在腐蚀介质和拉应力 共同作用下产生的一种延迟破 坏现象称为应力腐蚀裂纹 （Stress Corrosion Cracking）简称SCC。
近缝区或多层焊的层间 部位，在热循环峰值温 度的作用下，由于被焊 金属含有较多的低熔点 共晶被重新熔化，在拉 应力作用下沿奥氏体晶 粒发生开裂。
液化裂纹 TIG焊因科镍尔合金
多边化裂纹
焊缝或近缝区在固相线下的高温区间，刚凝固的金属中 存在很多晶格缺陷及严重的物理和化学不均匀性，在 一定温度和应力作用下，由于缺陷的迁移和聚集，便 形成二次边界，称为“多边化边界”
再热裂纹多发生在 低合金高强钢、珠 光体耐热钢、奥氏 体不锈钢和某些镍 基合金的焊接热影 响区的粗晶区。
冷裂纹
冷裂纹：焊后冷却至较低温度下产生的裂纹，是焊接生 产中较为普遍的一种裂纹。
根据钢种和结构的不同，冷裂纹大致可分为三类：
延迟裂纹
裂纹不是焊后立即出现， 有一定孕育期具有延迟 现象。 主要取决于淬硬倾向、 应力状态好扩散氢含量。
淬硬脆化裂纹 淬硬倾向很大的钢种，仅 在拘束应力作用下导致的 开裂。
低塑性脆化裂纹 塑性较低的材料，冷却至低温，由于收缩应力而引起 的应变超过材料本身所具有的塑性储备或材料变脆 而产生裂纹。
层状撕裂
扎制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物，在焊接时 产生的垂直于扎制方向的应力，致使热影响区附近或 稍远的地方，产生呈“台阶”形的裂纹，称为层状撕 裂。
热裂纹：焊接高温下产生的裂纹。 特征：沿原奥氏体晶界开裂。 不同材料产生裂纹的形态、温度区间和原因各不相同。
结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在 固相线附近，由于凝 固金属的收缩，残余 液体金属不足不能及 时填充，在应力作用 下发生沿晶开裂，称 为～。
焊接裂纹的分类及特点解析
焊接裂纹的分类及特点解析在焊接接头中由于焊接所引起的各种裂纹，统称焊接裂纹。
焊接裂纹在焊缝金属与热影响区中都可能产生，是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生最为危险的一种缺陷。
焊接结构产生的破坏事故大部分都是焊接裂纹所引起的。
随着现代工业的发展，焊接结构也趋向大型化、大容量和高参数发展。
有的在低温、腐蚀介质下工作，也有的在高温高压下工作，广泛都用到各种高合金钢、不锈钢，以及种种合金材料。
这些材料往往都对裂纹十分敏感，而裂纹却又是大多重大事故的诱因，必须十分重视。
焊接裂纹种类繁多，产生的条件和原因各不相同。
有些裂纹在焊后立即产生了，有些在焊后延续一定时间再产生，甚至在使用过程中，在一定的外界条件诱发下再产生。
裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。
它对焊接结构的危害有以下几点。
a）减少了焊接接头的有效截面积，因而降低了焊接结构的承载能力。
b）构成了严重的应力集中。
裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切口。
具有高的应力集中，既降低了结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏。
c）造成泄漏。
用于承受高温高压的焊接锅炉或者压力容器，若有穿透性裂纹，那必然会发生泄露，在工程上是不允许的。
d）表面裂纹容易藏垢纳污，容易造成或者加速结构的腐蚀。
e）留下隐患，是结构变得不可靠。
延迟裂纹产生不定期性，以及微裂纹和内部裂纹容易造成漏检。
漏检的裂纹即使很小，但在一定条件下会发生扩展，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。
焊接裂纹可以从不同角度进行分类，如：a）按裂纹的分布形态划分：1.在相对于焊道的方向上可分为纵向裂纹（与焊缝轴线平行）和横向裂纹（与焊缝轴线垂直）。
2.在裂纹尺寸大小上可分为宏观裂纹和微观裂纹。
3.在裂纹的分布上可分为表面裂纹、内部裂纹和弧坑裂纹。
4.相对于焊缝断面位置可分为焊趾裂纹、根部裂纹、焊道下裂纹和层状撕裂等。
b）按裂纹产生机理可分为：热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹分类及特点裂纹分类敏感温度区间母材位置裂纹走向热裂纹结晶裂纹固相线温度以上稍高的温度（固液状态）杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体钢、镍基合金及铝焊缝上、少量在热影响区沿奥氏体晶界多边化裂纹固相线一下再结晶温度纯金属及单项奥氏体合金焊缝上、少量在热影响区沿奥氏体晶界液化裂纹固相线以下稍低温度含S、P、C较多的镍铬高强钢、奥氏体钢、镍基合金热影响区及多层多道焊的层间沿晶界开裂在热裂纹600-700℃回火处理含有沉淀强化元素的高强钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等热影响区的粗晶区沿晶界开裂冷裂纹延迟裂纹在Ms线以下中、高碳钢、低、中合金钢、钛合金等热影响区、少量在焊缝沿晶或穿晶淬硬脆化裂纹Ms点附近含碳的NiCrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢热影响区、少量在焊缝沿晶或穿晶低塑性脆化裂纹400℃以下铸铁、堆焊硬质合金热影响区及焊缝沿晶或穿晶层状撕裂400℃以下含有杂质的低合金高强度钢厚板、不锈钢厚板热影响区附近沿晶或穿晶应力腐蚀任何工作温度碳钢、低合金钢、不锈钢、铝等焊缝和热影响区沿晶或穿晶开裂焊接接头裂纹分布示意图a—纵向裂纹 b—横向裂纹 c—星形裂纹1—焊缝中的纵向裂纹和弧形裂纹（多为结晶裂纹）2—焊缝中的横向裂纹（多为延迟裂纹）3—熔合区附近的横向裂纹（多为延迟裂纹）4—焊缝根部裂纹（延迟裂纹、热应力裂纹）5—近缝区根部裂纹（延迟裂纹）6—焊趾处纵向裂纹（延迟裂纹）7—焊趾处纵向裂纹（液化裂纹、再热裂纹）8—焊道下裂纹9—层状撕裂。
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日本IL委员会通过插销试验建立的经验公式
cr [86.3 211Pcm 28.2 lg([H ] 1)
2.73t8/ 5 9.7 103t100] 9.8
Pcm
—CSi 30Mn Cu Cr 20Ni 60
Mo 15
V 5B 10
国产低合金钢抗裂试验建立的经验公式
cr [132.3 27.5lg([H]1) 0.216HV 0.0102t100)9.8
预测某结构各部位 的焊接拘束应力比较困 难，采用拘束度作为预 测拘束应力的桥梁比较 方便。
mR
m (TM T0)Htg
c
同样钢种和同样板厚，由 于接头的坡口型式不同，即使拘 束度相同，也会产生不同的拘束 应力。
当拘束应力达到临界值σcr时，产生裂纹。临界值σcr反 映了产生延迟裂纹各种因素共同作用的结果（钢的化学 成分、接头的含氢量、冷却速度和应力状态），所以， 临界值σcr可作为评价冷裂纹敏感性判据。 利用TRC、RRC和插销试验可定量确定产生裂纹的临界应 力。
裂纹的延迟出现与温度密切相关，钢中延迟破坏只是在 一定的温度区间发生（-100～100℃），温度过高氢 易逸出，
温度太低则氢扩散 受到抑制。
氢在不同钢种的扩散速度不同
氢在低碳钢中扩散速度很快，焊接时大部分氢可 逸出金属；高合金钢种氢的扩散速度很小，溶解度大， 不会在局部聚集；只有在高中碳钢、低合金钢氢的扩 散速度既来不及逸出，也不能完全抑制，易在内部聚 集，具有延迟裂纹倾向。
氢的应力扩散理论：金属内部的缺陷（包括微孔、夹 杂、晶格缺陷）提供潜在的裂源，在应力作用下，微 观缺陷的前沿形成三向应力区，诱使氢向该处扩散并 聚集。当氢的浓度达到一定程度时，一方面产生较大 的应力，另一方面阻碍位错移动而脆化，当应力进一 步加大时，促使缺陷扩展形成裂纹。
电解渗氢的钢丝加载试验 和W.F.Savage等人观察形 成裂纹时气泡的逸出情况说明 应力扩散理论的合理性。
用应力扩散理 论可解释试验现象。
焊接接头应力状态
焊接条件下主要由以下几种应力： 不均匀加热冷却过程产生的热应力 金属相变产生的组织应力
结构自身拘束条件所造成的应力
上述三种应力都与各种条件拘束有关，三种应力的综合 作用统称为拘束应力。可分为“内拘束应力”（热应 力和相变应力）和“外拘束应力”（结构刚度、焊接 顺序、受载情况等造成的应力）。
确定HR100 有两个途径：① 实测；②根据Fick扩散定 律建立方程求解。
H R100
8
H0
exp
2M
4hw
H0 — 凝 固 时 焊 缝 初 始 含 氢 量（ml /100g)
hw — 焊 缝 平 均 厚 度(mm )
M — 氢 的 热 扩 散 因 子(mm 2)
氢在形成冷裂纹过程中的作用： ① 氢的来源及焊缝中的含氢量
6.3 焊接冷裂纹
6.3.1冷裂纹的危害性及其一般特征 冷裂纹的危害性
焊接裂纹不仅造成设备的损失，更重要的是直接威胁人 的生命安全。
冷裂纹的一般特征
裂纹在Ms点附近或更低温度区间逐渐产生；裂纹起源 多发生在具有缺口效应的热影响区或物理化学不均匀 的氢聚集的局部地带；裂纹扩展或沿晶或穿晶，取决 于组织、应力状态和氢含量等。
焊接拘束应力的大小决定于拘束度R 拘束度R：单位焊缝长度，在根部间隙生产单位长度
的弹性位移所需要的力。
S b w S b R F F L
lb l Lb 1 E
L L
可见，改变拘束距离L和板厚δ，可以调节拘束度R的大 小。L↓、δ↑，R↑，当R 达到一定程度时，就产生裂纹， 即 Rcr；Rcr越大，表示接头的抗裂性越强。 实际上拘束度反映了不同焊接条件下，焊接接头所承受 拘束应力的程度。
焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环 境湿度等是焊缝中富集氢的来源。 ② 金属组织对扩散氢的影响 氢在不同组织中的溶解度和扩散系数不同。
氢在奥氏体中的溶解度远比铁素体高，且随温度增高而 增加；氢在奥氏体中扩散速度比在铁素体中慢。
③ 氢在致裂过程中的动态行为
④ 延迟裂纹开裂机理 充氢钢拉伸延迟断裂实验结 果：
初略估计，σcr大于σs，认为是安全的。否 则设法降低[H] ,提高t8/5和t100。
高强钢焊接产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之后受到氢 的侵袭和诱发，使之脆化，在拘束应力的作用下产生 裂纹。
试验研究表明，含氢量越高，裂纹敏感性越大，当局 部地区的含氢量超过某一临界值[H]cr时，便开始出现 裂纹。
[H]cr与钢的化学成分、刚度、预热温度及冷却条件有 关。
碳当量与临界含氢量的关系
实验证明焊缝氢含量中的扩散氢对冷裂纹的产生和扩 展起决定作用，实际上只有在较低温度下的扩散氢才 具有致裂作用。这部分扩散氢称为“残余扩散氢[H]R”。 焊接高强钢冷至100℃附近时，氢在某些部位发生聚 集而起致裂作用，因此冷至100℃时的残余扩散氢 [H]R100才是致裂的有效氢含量。
冷裂纹可以焊后立即出现， 也有要经过一段时间才出 现
6.3.2 冷裂纹的种类
延迟裂纹可分为以下三种： 1）焊趾裂纹 2）焊道下裂纹 3）根部裂纹
A
B
A焊趾裂纹及B焊道下裂纹
6.3.3 焊接冷裂纹的机理
大量实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头 焊氢量及其分布，以及接头所承受的拘束英里状态是 高强钢焊接冷裂纹产生的三大要素。
钢种的淬硬倾向
淬硬引起开裂的原因：
形成淬硬的马氏体组织 焊接条件下形成的M是一脆硬组织，发生断裂消耗能量 较低，裂纹易形成和扩展。但不同成分和形态的M，对 裂纹的敏感性是不同的。组织对裂纹敏感性顺序
F或P→BL→ML→Bu→Bg→M-A→MT 淬硬会形成更多的晶格缺陷
氢的作用
氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延 迟特性。