焊接冷裂纹的分类、危害及机理剖析

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。
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。
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。
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）。
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wenku.baidu.com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。
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。
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。
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
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。
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：
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。
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。
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
—C
Si 30
Mn Cu Cr 20
Ni 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