焊接缺陷(热、冷裂纹)

冷裂纹的两种学说（1） （1）马氏体致裂学说：
对淬硬倾向较大的钢焊接出现的冷裂纹是由于M体组织硬 脆造成的，而且片状 M 体（挛晶 M 体）的淬火钢中更容易出 现显微裂纹。这是由于硬脆 M 体形成时以极大的速度彼此撞 击而成。在这些裂纹空间极易集聚氢，使裂纹扩展。所以M 体相变是冷裂纹的主导因素，氢的作用是辅助的。
2 冷裂纹的一般特征（1） （1） 发生在中高碳钢、合金钢的热 影响区（图5－39）。（高强） （2） 在焊后冷至Ms点附近或更低的 温度下逐渐生成。（低温）
（3） 多发生在具有应力集中的焊接 热影响区。（高应力）
冷裂纹的一般特征（2）
（4） 裂纹可沿晶扩展，也可穿 晶扩展。（脆断）
（ 5 ）裂纹可能在焊后立即出现， 也可能经过一段时间出现，在 25℃时的孕育期最短 （图 8 － 5 ） 。 （延迟性）
产生热裂纹的原因是晶间存在 液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸 应力。
结晶裂纹的形成机理（2）
在整个结晶过程中，从液到固可分 为三个阶段：
（1）液－固阶段（液多于固）
液态金属可在固态金属中自由流动， 此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。
结晶裂纹的形成机理（3）
（2）固－液阶段（固多于液）
随着固态金属量增加，剩余的液 态金属多为低熔点共晶，流动也发生 困难，这时若有拉伸应力产生的小裂 纹无 法 靠 液 态 金 属 填充 ， 成为一个 “裂纹源”。此阶段也叫“脆性温度 区”。 （3）完全凝固阶段 完全凝固后金属有较好的强度和 塑性，既使有拉伸应力也难以产生裂 纹。
（2）金属组织对氢扩散的影响（1） 氢在A体中的溶解度远大于在F体 中的溶解度，因此在 A →F时氢的溶 解度急剧下降（图5－46a）。 氢在 F体的扩散速度大于 A体（图 5 －46b，表5－5）。
表 5—5 氢在不同组织中的扩散系数(C=0.54％) 铁素体、珠光体 索氏体 D(cm2／s) 表面饱和浓度(mL/100g) 4.0× 10-7 40 3.5× 10—7 32
第三节 焊接冷裂纹
一、冷裂纹的危害及特征 1 危害性 主要发生在中高碳钢、合金钢等的热影响区和厚板多层焊 的焊缝中，并发生在拘束度较大的 T形接头和十字形接头应力 集中较大的接头上（表8-1）。一般是在焊后出现，不易发现。
表 8—1 钢结构(桥梁结构)的焊接裂纹事故统计(65 例) 接头形式 热裂纹 (％) 冷裂纹 (％) 总 计 角接头 3 6 9 丁字接头 5 25 30 2 43 45 十字接头 0 9 9 斜接头 0 7 7 对接接头 10 90 100 总 计
式中Tc－某瞬间温度；T0－初始温度；E－焊接线能量；λ－导热系 数；C－比热容；e－密度。
焊接工艺参数（2） 则对厚板
et 2 Tc T0 t E
2
对薄板
et 2CeTc T0 t E / 2
3
由这二式可见，适当增加线能量E和提高预热温度，可降低 冷却速度，减少焊缝金属的应变，从而降低结晶裂纹倾向。
三、 防止结晶裂纹的措施 从冶金因素和工艺因素（减少应力）两方面着手。 1 冶金因素
（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量
尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊 金属，一般低碳钢、低合金钢 S 、 P<0.05 ％，高合金钢 <0.04 ％， 不锈钢<0.02％或更低。 对重要焊接构件应采用碱性焊条或焊剂，以进一步减小有 害杂质含量。
二、 冷裂纹的种类（1）
常见低合金高强钢的延迟裂纹有：
1 焊趾裂纹 起源于母材与焊缝交界处有明显应力集中的部位，裂纹 走向与焊道平行，由焊趾表面开始向母材的深处扩展。
冷裂纹的种类（2） 2 焊道下裂纹
发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的热影响区，裂纹走向 与熔合线平行。
冷裂纹的种类（3）
3 根部裂纹
第七章 焊接缺陷
第一节 概述 优质的焊接接头应具备两个条件：一是使用性能不低于 母材；二是没有技术条件中规定不允许存在的缺陷。 焊接过程中，在焊接接头中产生的金属不连续、不致密 或连接不良的现象，叫做焊接缺陷。焊接缺陷的种类很多， 有些是因施焊中操作不当或焊接参数不正确所造成，如咬边、 焊穿、焊缝尺寸不足、末焊透等，有些是由于化学冶金、凝 固或固态相变过程的产物而造成的，如气孔、夹杂和裂纹等。 这些缺陷与母材、焊接材料的化学成分有密切关系，因此称 之为焊接冶金缺陷。 本部分内容重点介绍常见焊接冶金缺陷中的裂纹特征、 产生原因及防止措施。
（2）改善焊缝组织
加入细化晶粒元素（Ti、Mo、 V、Nb）细化晶粒。 对A体不锈钢焊接可采用A+δ 双相组织焊缝（δ~5％），以减少 结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀 能力。
2 抗热裂的工艺措施
选用合理的焊接工艺，如焊接工艺参数、预热、接头型 式、焊接顺序等，目的是尽量减少焊缝的拉伸应力。
（1）焊接工艺参数
合金因素对产生结晶裂纹的影响（6） 4）硅：Si是 脱氧元素，但焊缝中Si>0.4％时，容易形成硅酸 盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹倾向。 5）钛、锆、稀土：Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多，有 良好的消除结晶裂纹作用，但它们也是强脱氧元素。 氧化稀土也有脱硫作用。 6）镍： Ni 和S形成低熔点共晶（NiS2 645℃），易于引起结 晶裂纹。
表 5-4 硫和磷的溶解度 元 素 S P 最大的溶解度(％) 在δ 相 0.18 2.8 在γ 相 0.05 0.25
合金因素对产生结晶裂纹的影响（5） 3）锰：Mn有脱硫作用，生成高 熔 点 MnS （ 1600℃ ） ， 生 产 的 MnS为球状。 随着钢中含碳量增加， Mn/S 也应提高。否则影响 Mn 的脱硫 效果。含碳量越高，S的危害越 大（图5－23 ）。
第二节 焊接热裂纹
一、结晶裂纹的形成机理 有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂，也有沿焊缝中的 树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹，有时也发生在焊 缝内部两个树枝状晶体之间，这说明在结晶过程中晶界是最 薄弱的部位。
结晶裂纹的形成机理（1）
由于先结晶的固相金属较纯， 后结晶的金属含杂质多，并富集在 晶界。这些杂质容易形成低的熔点 的共晶，最后被推向晶界，在晶粒 之间形成一个液态薄膜。如果此时 有拉伸应力存在就会产生裂纹（图516）。
四、影响冷裂纹的主要因素及其防治 1 钢化学成分的影响 实质是钢的淬硬性的影响，Ceq越高，淬硬倾向就越大， 冷裂敏感性越强。 根据构件的碳当量、氢含量和板厚可以估算冷裂纹的敏感 性： H H R Pc Pcm Pw Pcm 60 600 或 60 400000
（2） 接头形式
焊接接头形式对接头的受力状态、 结晶条件和热的分布影响很大，因而 结晶裂纹倾向也不同（图5－26）。
多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小， 因为 1）每层焊接线能量小； 2）前几道焊缝冷凝后起到拘束作用 接头处应尽量避免应力集中（错 边、咬肉、未焊透）*
（3）焊接次序 一般顺序原则：对称焊，分散应力，最后一道才是拘束封 闭（图5－27,28）。
托氏体 3.2× 10—7 26
马氏体 2.5× 10—7 24
奥氏体 2.1× 10—12 —
金属组织对氢扩散的影响（2）
在焊缝冷却过程中，由于溶解度下降，氢极力逸出。若焊 缝凝固速度较快，未逸出的氢滞留在焊缝金属中，氢原子便在 金属内部扩散。由于氢在M体中扩散系数最小，造成氢集聚。
表 5—5 氢在不同组织中的扩散系数(C=0.54％) 铁素体、珠光体 索氏体 D(cm2／s) 表面饱和浓度(mL/100g) 4.0× 10-7 40 3.5× 10—7 32 托氏体 3.2× 10—7 26 马氏体 2.5× 10—7 2wenku.baidu.com 奥氏体 2.1× 10—12 —
相图类型和结晶温度区的大小（2）
各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图5－20）。
（2）合金因素对产生结晶裂纹的影响（1） 对凝固温度范围的影响；
a) 对形成低熔点相的影响（尤其是S、P）。 对产生结晶裂纹的影响比较大的合金是一些能形成低熔点 共晶的合金元素，熔点越低、数量越大，裂纹倾向越大。
合金因素对产生结晶裂纹的影响（2）
二、 结晶裂纹的影响因素 产生热裂纹必须具备冶金因素（成分、偏析 … ）和力的 因素（金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等）。
1 冶金因素对结晶裂纹的影响
影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。
（1） 相图类型和结晶温度区的大小（1）
相图的结晶温度区间越大（即液 态存在的时间越长），产生热裂纹的 可能性越大（图5－19）。 影响相图结晶温度区间大小与合 金的含量有关。 由于焊接是在非平衡条件下结晶， 结晶温度区间要偏离平衡条件下的结 晶温度区间，因此最大结晶裂纹可能 发生在低合金含量区（图5－19虚线）。
合金因素对产生结晶裂纹的影响（7） (7)铜：铜易引起热裂纹，如黄铜钎焊20钢引起的裂纹。
（3）结晶组织对结晶裂纹的影响（1） 焊缝晶粒大小、形态和方向对抗裂性有很大影响。 晶粒越粗大、柱状晶方向越明显，产生结晶裂纹的倾向 就越大。所以细化晶粒有利于打破液膜的连续性，是减 小结晶裂纹的有效措施。
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（4） 2 ）碳：碳在 δ 相中的溶解度大于 γ 相 （表 5 － 4 ） ， 所以含碳 <0.10（无包晶反应）的钢不易发生热裂。 碳是易偏析元素，并能加剧其它元素的有害作用（如S、P 等）。
（2）氢脆致裂纹学说（1） 强调氢脆是冷裂纹的主要原因。主要观点为： 金属内部的缺陷（微孔、夹杂、位错、空位）提供了潜 在的裂纹源，在应力作用下，诱使氢原子向该处扩散并聚集 结合成氢分子，产生很大的应力。这样氢在裂口尖端产生三 维应力场，应力场又促使氢在该处富集造成更大的应力。当 应力超过一定值时裂纹向前延伸，应力释放一部分，使氢的 浓度扩散下降，低于氢的临界浓度，裂纹将暂停向前延伸。 等到氢再次达到临界浓度时，裂纹再次向前扩展。
（1）氢的来源及焊缝中的含氢量 氢主要来自焊接材料中的水份、焊缝周边的铁锈、油污等。 焊缝中含氢量与焊接区域的清理、焊条类型、烘干温度和 焊后的冷却速度等有关。
表 1－14 焊接碳钢时熔敷金属的含氢量 焊接方法 钛型焊条 低氢型焊条 埋弧焊 C02 保护焊 氧乙炔气焊 扩 散 氢 (㎝ 3／100g) 39.1 4.2 4.40 0.04 5.00 残 余 氢 (㎝ 3／100g) 7.1 2.6 1~1.5 1~1.5 1~1.5 总 氢 量 (㎝ 3／100g) 46.2 6.8 5.90 1.54 6.50
焊接热循环产生的拉伸应力引起应变为Δε，则单位温度变 化引起的应变是：
t c t t
式中：t－温度；α－膨胀系数；ωc－冷速。
（1） 焊接工艺参数（1）
对于厚板
2 Tc T0 c 2
E
对于薄板
2 Tc T0 c 2c E / 2
起源于焊缝根部应力集中最大的部位。
三、 焊接冷裂纹的机理 钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及其分布、焊接接头拘束力是 产生焊接冷裂纹的三大因素，而且这三个因素是相互关联的。 1 钢的淬硬倾向
淬硬倾向越大越易产生裂纹，原因在于：
（1）形成脆硬的马氏体组织 尤其是热影响区的过热区，冷速快时易形成粗大M体，硬而 脆，裂纹一旦形成，极易扩展。 各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为：F或 P→BL（下贝氏体）→ML（低碳M体）→BH（上贝氏体）→Bg （粒贝氏体）→Mr（高碳挛晶M体）。
（2）晶格缺陷
随着热应变量增加，位错密度也随之增加，在应力作用下 位错发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定临界值后，就会 形成裂纹源，在应力作用下，扩展形成宏观裂纹。 热影响区的最高硬度 Hmax 是评定高强钢裂纹倾向的重要指 标。
2
氢的作用
冷裂纹也称为“氢致裂纹”。高强 钢焊接接头含氢量越高裂纹的敏感性 就越大。 某种钢开始出现裂纹时的氢含量称 为临界含氢量[H]cr。各种钢的[H]cr值 不同的，与钢的化学成分、刚度、预 热温度及冷速有关。如碳当量越高， [H]cr越低（图5－43）。