焊接缺陷(热、冷裂纹)

（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
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
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。
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。
（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）。
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）。
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）。
（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。
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。
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）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
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。
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。
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）。
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
（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
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。