第讲 焊接冷裂纹
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。
焊接裂纹产生机理及其防治
σcr ——插销试验临界应力（N/mm2）；
[H]——扩散氢含量（JIS测氢法）（mL/100g）；
t8/5——800~500℃冷却时间（s）； t100——由峰值温度冷至100℃冷却时间。
cr (132 .3 27.5lg([H] 1) 0.216 HV 0.0102 t100) 9.8 式中 [H]——扩散氢含量（mL/100g）； HV——热影响区的平均最大硬度（维氏）.
第1讲 焊接裂纹产生机理及其防治
结晶裂纹产生条件： a.脆性温度区间TB大小； b.脆性温度区间金属塑性Pmin ； c.脆性温度区间应变增长率. 脆性温度区间TB/脆性温度区间金属塑性Pmin 取决于： a.焊缝化学成分; b.偏析程度； c.晶粒大小和方向. 脆性温度区间应变增长率取决于： a.金属热物理性能；a.接头刚度；c.焊接工艺参数
在焊缝结晶过程固相线附近，由于凝固金属收缩， 残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发 生沿晶开裂. 特征：a.裂纹断面有氧化彩色;b.焊缝中发生. 结晶裂纹产生原因： a.焊缝含杂质多(含硫、磷、碳、 硅偏高); b.凝固过程产生拉伸应力.
第1讲 焊接裂纹产生机理及其防治
图1 焊缝中的结晶裂纹
b. 减小焊接过程应力; c. 降低温度;
第1讲 焊接裂纹产生机理及其防治
第1讲 焊接裂纹产生机理及其防治
二 冷裂纹(Cold Cracking) 焊后冷至较低温度（马氏体转变温度Ms附近），由 拘束应力/淬硬组织和氢共同作用产生. 特征：a.主要在热影响区;b.焊缝少(横向裂纹）. 1. 延迟裂纹 特点:a.具有延迟现象. b.决定于钢种淬硬倾向 /焊 接接头应力状态和熔敷金属中扩散氢含量. 2. 淬硬脆化裂纹 特征：a.钢种淬硬倾向大;b.没有氢诱发/仅拘束应 力作用;c.没有延迟现象;d.出现热影响区或焊缝. 3. 低塑性脆化裂纹 特点：a.低塑性材料;b.无延迟现象.
焊接裂纹产生原因及防治措施
以下为焊接裂纹产生原因及防治措施，一起来看看吧。
1、焊接裂纹的现象在焊缝或近缝区，由于焊接的影响，材料的原子结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为焊接裂缝，它具有缺口尖锐和长宽比大的特征。
按产生时的温度和时间的不同，裂纹可分为：热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂。
在焊接生产中，裂纹产生的部位有很多。
有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能观察到；有的隐藏在焊缝内部，通过探伤检查才能发现；有的产生在焊缝上；有的则产生在热影响区内。
值得注意的是，裂纹有时在焊接过程中产生，有时在焊件焊后放置或运行一段时间之后才出现，后一种称为延迟裂纹，这种裂纹的危害性更为严重。
2、焊接裂纹的危害焊接裂缝是一种危害大的缺陷，除了降低焊接接头的承载能力，还因裂缝末端的尖锐缺口将引起严重的应力集中，促使裂缝扩展，最终会导致焊接结构的破坏，使产品报废，甚至会引起严重的事故。
通常，在焊接接头中，裂缝是一种不允许存在的缺陷。
一旦发现即应彻底清除，进行返修焊接。
3、焊接裂纹的产生原因及防治措施由于不同裂缝的产生原因和形成机理不同，下面就热裂缝、冷裂缝和再热裂缝三类分别予以讨论。
3.1、热裂纹热裂缝一般是指高温下（从凝固温度范围附近至铁碳平衡图上的A3线以上温度）所产生的裂纹，又称高温裂缝或结晶裂缝。
热裂缝通常在焊缝内产生，有时也可能出现在热影响区。
原因：由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态间层存在形成偏析，凝固以后强度也较低，当焊接应力足够大时，就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂缝。
此外，如果母材的晶界上也存在有低熔点共晶和杂质，则在加热温度超过其熔点的热影响区，这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层，当焊接拉应力足够大时，也会被拉开而形成热影响区液化裂缝。
总之，热裂缝的产生是冶金因素和力学因素综合作用的结果。
防治措施：防止产生热裂缝的措施，可以从冶金因素和力学因素两个方面入手。
控制母材及焊材有害元素、杂质含量限制母材及焊接材料（包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体）中易偏析元素及有害杂质的含量。
焊接冷裂纹产生原因及防止措施
焊接冷裂纹产生原因及防止措施1.原因：1.1材料的选择不当：焊接材料的化学成分不合适，或者材料含有较高的残留应力，容易导致冷裂纹的生成。
1.2焊接过程中的热输入不合适：焊接过程中产生的热量和焊接速度不合理，容易造成焊缝和母材之间的温度差异，从而导致冷裂纹的生成。
1.3焊接残余应力：焊接后，热量的收缩导致焊缝和母材之间的残余应力，这些应力容易导致冷裂纹的生成。
1.4接缝设计不合理：接缝的形状和尺寸设计不合理，例如锯齿形的接头，容易导致应力集中，增加冷裂纹的风险。
1.5焊接过程中的不合理操作：焊接过程中出现的不合理操作，例如焊接速度太快或太慢，焊接温度不稳定，都会增加冷裂纹的发生风险。
2.防止措施：2.1合理选择焊接材料：选择合适的焊接材料，确保化学成分符合要求，并且没有过高的残余应力。
2.2控制热输入：控制焊接过程中的热输入，一方面要保证足够的热能输入，使焊缝和母材温度均匀，另一方面要避免过高的热输入，以免造成过大的残余应力。
2.3使用预热和后热处理：对于容易产生冷裂纹的材料和结构，可以采用预热和后热处理的方法来减少焊接过程中的残余应力。
2.4设计合理的焊缝：在设计焊缝时，应尽量避免锯齿形的接头，可以采用圆弧形或其他形状，以减少应力集中。
2.5严格控制焊接过程参数：焊接过程中应严格控制焊接速度、焊接压力和焊接温度等参数，确保稳定和合理的焊接条件。
2.6检测和治理裂纹：焊接后应对焊缝进行严格的裂纹检测，如超声波检测、磁粉检测等，一旦发现裂纹，应及时采取治理措施，包括打磨、退火或重新焊接等。
2.7人员培训和操作规范：通过人员培训，提高焊接人员的技术水平和操作规范，减少不合理操作的发生，从而减少冷裂纹的产生。
总结起来，焊接冷裂纹的产生主要是由材料的选择不当、焊接过程中的热输入不合适、焊接残余应力、接缝设计不合理和焊接过程中的不合理操作等原因造成的。
为了防止焊接冷裂纹的产生，应选择合适的焊接材料、控制热输入、使用预热和后热处理、设计合理的焊缝、严格控制焊接过程参数、检测和治理裂纹，并加强人员培训和操作规范。
焊接裂纹_精品文档
3、防止结晶裂纹的措施
1）、冶金方面
①控制焊缝中有害杂质的含量， 限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04 焊丝C<0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 ②改善焊缝的一次结晶 细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、
Al
2)、工艺方面（减少拉应力）
应变率 , E ↑、
↑应变率 ↓
例如：强度为600MPa焊条研究
焊缝成分分析
焊缝 C
S
Ｐ Ｍn Si Cr Ni
成分
Ao 0.10 0.037 0.017 0.94 0.54 0.20 0.87
A１ 0.09 0.015 0.014 1.25 0.44 0.19 0.83
注：A１ 焊缝中加入轻稀土１％
图2 焊缝冲击断口扫描形貌
b)、C
i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑
ii)、C>0.16% Mn/S↑无效,加剧P有害作
用 裂↑
iii)、C>0.51% 初生相
初生相
S、P在小相中溶解度低，析
出S、P集富在晶界上，裂纹↑
c)、Mn
Mn具有脱S作用
其中Mn熔
点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑
含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓
结 晶 裂 纹
2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的 倾向
在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物 被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜” ，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带 开裂，产生结晶裂纹。
产生结晶裂纹原因：①液态薄膜
②拉伸应力
液态薄膜—根本原因
拉伸应力—必要条件
以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段
焊接冷裂纹
焊接冷裂纹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。
焊接冷裂纹的分类、危害及机理
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。
冷裂纹可以焊后立即出现， 也有要经过一段时间才出 现
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。
cr [132.3 27.5 lg([H ] 1) 0.216HV 0.0102t100 ) 9.8
国产低合金钢抗裂试验建立的经验公式
初略估计，σ cr大于σ s，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。
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。
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。
焊接中冷裂纹的形成原理及防止措施
纤维素型焊条 :
60ml / 100g
低氢型焊条 :
5 - 7ml /100g
超低氢型焊条 :
2 - 5ml /100g
熔化极 或钨极 氩弧焊 : 2ml/100g
药芯焊丝气体保护焊 :
6 - 10ml/100g
埋弧焊 :
2 - 7 ml/100g
合肥工业大学材料科学与工程学院制作
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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一、冷裂纹的分类及特征 二、冷裂纹的影响因素 三、延迟裂纹的形成机理 四、冷裂纹的控制
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一、冷裂纹的分类及特征
按裂纹形成原因,冷裂纹可分为以下三类： 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹
裂缺纹陷热尖前应端沿力形应在成力缺新增陷的大, 三材裂向料纹应脆源力性前区增沿,加氢形,继成氢续 向浓三新度向的达应三到力向临区应界,诱力值使区时, 扩缺氢散陷向、前其聚沿内集开扩…裂散、、微聚 裂集纹这使扩一内展过压,程力增大, （ZHOU）而复始 持续进行,直至形成 宏观裂纹,
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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
由于微裂纹的形成与裂 应 纹的扩展与 H R的扩散、力 聚集速度有关,所以有延迟 断裂特征,产生裂纹之前的
σ/MPa
σuc
潜伏期
断裂曲线 裂纹扩展
潜伏期的长短与裂纹区的 应力大小有关,拉应力越小, 启裂所需临界氢的浓度越 高,潜伏期 延迟时间 就越 长,
某些淬硬倾向大的钢种,热加工后冷却到Ms 至 室温时,因发生马氏体相变而脆化,在拘束应力作 用下即可产生开裂,这种裂纹又称为淬火裂纹,其 产生与氢的关系不大,基本无延迟现象,成形加工
焊接人必备的知识——焊接冷裂纹的那些事！
焊接人必备的知识——焊接冷裂纹的那些事！
文章导读：
什么是冷裂纹？
是指在焊接接头冷却到较低温度时(对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下)所产生的焊接裂纹。
最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹(即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹，因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间)。
冷裂纹的延迟时间不定，由几秒钟到几年不等。
什么是焊接再热裂纹？
是指一些含铬、钼或钒的耐热钢、高强钢焊接后，为消除焊后残余应力，改善接头金相组织和力学性能，而进行消除应力热处理过程中产生的裂纹。
这种裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢、镍基合金等的焊接接头中，特别是热影响区的粗晶区。
最后附上焊接冷裂纹和焊接热裂纹的区别
1、产生的温度和时间不同
热裂纹一般产生在焊缝的结晶过程中。
冷裂纹大致发生在焊件冷却到200~300℃，有的焊后会立即出现，有的可以延至几小时到几周甚至更长时间才会出现。
所以冷裂纹又称延迟裂纹。
2、产生的部位和方向不同
热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，有的是纵向，有的是横向，有时热裂纹也会延伸到基本金属中去。
冷裂纹大多数产生在基本金属或熔合线上，大多数为纵向裂纹，少数为横向裂纹。
3、外观特征不同
热裂纹断面都有明显的氧化色。
冷裂纹断口发亮，无氧化色。
4、金相结构不同
热裂纹都是沿晶界开裂的。
冷裂纹是贯穿晶粒内部，即穿品开裂，不过也有的是沿晶界开裂。
—End—。
焊接冷裂纹
拘束度
焊接接头根部间隙产生单位长度的弹性位移 时，单位长度焊缝上所承受的力。
L 两端被固定 的对接接头
假定焊缝冷却结束时，根部间隙产生了单位长度 的弹性位移，则应变为：
h
1
L
焊缝对母材产 生的拉伸应力为：
E0
E0 L
单位长度母材上所承受的力与单位长度焊缝 上所承受的力相等，即拘束度R为：
I. 钢种的淬硬倾向
钢种的淬硬倾向主要决定于化学成 分，板厚、焊接工艺及冷却条件等也有 影响。钢种的淬硬倾向越大，冷裂倾向 越大。
• 脆硬的片M组织 • 淬硬会产生较多的晶格缺陷
焊接时，近缝区加热温度高，A晶 粒严重长大，在焊后快速冷却条件下， 粗大的A就转变为粗大的M。这种脆硬 的M组织易于裂纹的萌生及裂纹的扩展。
氢、组织和应力三者对冷 裂纹的影响是非常复杂的。
R / ×1000N(mm·mm)-1
20
氢
HD=4~5mL/100g
15
t8/5=8~9s
Ceq: IIW
10
应
组织
力
5
0.3
0.4
0.5
Ceq
Ceq
C
Mn 6
Cr
Mo V 5
Cu Ni 15
4.4.2 冷裂纹敏感指数
PC
Pcm
适用范围：
1) 合金元素含量 wt%
C Si Mn Cu Ni Cr Mo V Ti Nb B
0.07~
~ 0.4~
~
~
~
~
~
~
~
~
0.22 0.6 1.4 0.5 1.20 1.2 0.7 0.12 0.05 0.04 0.005
焊接冷裂纹与热裂纹的形成及防治措施
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碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施
碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施碳钢焊接常出现裂纹，其产生的原因有很多，主要包括：冷裂纹、热裂纹、固化裂纹和应力裂纹等。
本文主要介绍这些裂纹产生的原因以及预防措施。
1. 冷裂纹碳钢焊接后如果在冷却过程中产生裂纹，这种情况就称为冷裂纹。
冷裂纹主要产生于低温条件下，通常发生在焊接过程中或者焊后的冷却过程中。
产生冷裂纹的原因主要有以下两方面：（1）组织条件。
低温下，钢材的组织会发生相变，易形成脆性组织。
（2）应力状态。
在焊接过程中，产生的内应力、残余应力和变形应力等可能导致焊缝区出现应力集中，从而引发裂纹。
为了预防冷裂纹的产生，需要注意以下几点：（1）焊接前需要对钢材进行预热处理，提高焊接温度。
（2）控制焊接过程中的加热速度和冷却速度，使之均匀。
（3）选择对于在低温环境中具有较好韧性的钢材进行焊接。
热裂纹是指在焊接加热过程中或者焊接结束后，钢材表面或焊缝处产生的裂纹。
热裂纹通常发生在焊接开始或者结束的瞬间，并具有一定的热时间。
（1）固溶体凝固温度范围内的液体区域中积累了高应力。
（2）合金成分使得焊缝区域易于析出特定化合物，从而引发热裂纹。
（2）选择焊接材料的化学成分符合所需的要求。
（1）焊接材料中含有的一些元素，如磷、硫和锰等等，会导致产生固化裂纹。
（2）焊接区域的硬度或脆性较高，若后续应力应变变化较大就容易出现固化裂纹。
（3）进行足够的热处理，同时注意减少后续的应力应变变化。
应力裂纹是指在加工过程中或者使用过程中产生的裂纹。
应力裂纹通常发生在焊接后或者机械加工、冷加工或者零部件在使用过程中受到过大的载荷和应力时。
（2）加工过程中出现应力集中，从而引发裂纹。
（3）在零部件使用过程中，负载过大，应力过大，从而引发裂纹。
（1）控制加工过程中应力的大小，注意减少应力的影响。
（2）对于连接件，应该选择适当的焊接方式，从而避免应力的集中。
（3）在零部件使用前进行充分测试，确保零部件能够承受相关的加载。
综上所述，针对碳钢焊接中出现的裂纹，需要针对不同的裂纹类型采取相应的措施，从而实现有效的预防和治疗。
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。
焊接冷裂纹成因
焊接冷裂纹成因一、引言焊接冷裂纹是一种常见的焊接缺陷，主要发生在焊接完成后的冷却过程中。
它会导致焊接件在使用过程中出现裂纹，并对焊接件的强度和可靠性产生负面影响。
本文将探讨焊接冷裂纹的成因，以期提高焊接过程中的质量控制和缺陷预防能力。
二、焊接冷裂纹的基本概念焊接冷裂纹是指在焊接过程中，焊缝和热影响区在冷却过程中产生的裂纹。
它通常发生在高热应力和残余应力的作用下，并与材料本身的力学性能，焊接工艺参数，以及环境因素密切相关。
三、焊接冷裂纹的成因3.1 材料选择材料的选择是焊接冷裂纹发生的重要因素之一。
不同材料的热膨胀系数差异大，而焊接过程中，高温下的膨胀会产生应力。
如果材料的热膨胀系数不匹配，就容易导致焊接区域的应力集中，从而引发冷裂纹的发生。
3.2 焊接参数焊接参数的选择也是影响焊接冷裂纹的重要因素之一。
焊接过程中，焊接电流、焊接速度、预热温度等参数的不合理选择，都可能导致焊接区域内产生较大的残余应力。
残余应力的存在会使焊接件在冷却后发生变形和应力集中，从而引发冷裂纹的形成。
3.3 焊接过程焊接过程中的一些因素也会对冷裂纹的形成产生影响。
例如，焊接过程中的间歇冷却，温度冷降过快都会导致焊接区域内的应力集中，进而导致冷裂纹的发生。
此外，焊接过程中的气氛条件，如氧气含量过高，也会对冷裂纹形成起到促进作用。
3.4 环境条件环境条件对冷裂纹的形成同样具有重要影响。
焊接完成后，如果焊接件受到较低温度的环境影响，将会产生残余应力和冷却应力，进而引发冷裂纹的出现。
此外，一些特殊的环境，如腐蚀介质的作用、高温环境的影响等，都可能加剧冷裂纹形成的风险。
四、焊接冷裂纹的预防措施针对焊接冷裂纹发生的成因，可以采取以下预防措施来降低焊接冷裂纹的风险。
4.1 合理选择材料在焊接过程中，要合理选择材料，尽量控制不同材料的热膨胀系数差异。
优先选择具有较小热膨胀系数差异的材料，以降低残余应力的产生。
4.2 优化焊接参数通过合理优化焊接参数，控制焊接过程中的热输入和冷却过程，以减少残余应力的产生。
第4章 焊接裂纹
(2) 层状撕裂
层状撕裂示意图
4. 其他焊接裂纹
(3) 应力腐蚀裂纹
产生SCC的δth与钢的δs的关系 APC—应力阳极溶解开裂
HEC—应力阴极氢脆开裂
4. 其他焊接裂纹
起源于焊接热裂纹的应力腐蚀裂纹
a）16Cr23Ni13，80℃×720h，30% MgCl2
b）16Cr23Ni13，80℃×720h，15% MgCl2
3. 焊接冷裂纹
厚板多层焊接残余应力的分布
厚板多层焊扩散氢的分布
4. 其他焊接裂纹
(1) 再热裂纹
不同材料的再热温度与断裂时间的关系
再热裂纹的发生部位和形态 1—22Cr2NiMo 2—25CrNi3MoV 3—25NiMoV 4—20CrNiMoVNbB 5—25Cr2NiMoMnV
4. 其他焊接裂纹
2. 焊接热裂纹
熔池结晶阶段及脆性温度区 δ—塑性 y—流动性 TB—脆性温度区
2. 焊接热裂纹
Al-Mn合金的脆化温度区间
焊接时产生结晶裂纹的条件
1—Al-1.5% Mn
2—Al-1.5% Mn-0.2% Fe
TL—液相线温度 TS—固相线温度 TH—固液 阶段的开始温度 T‘S—固液阶段的结束温度
材料连接原理
第4章 焊接裂纹
主要内容
▲ 焊接裂纹的类型及特点 ▲ 焊接热裂纹 ▲ 焊接冷裂纹 ▲ 其他裂纹
1. 焊接裂纹的类型及特点
焊接裂纹的宏观形态及其分布 1—焊缝中纵向裂纹 2—焊缝中横线裂纹 3—熔合区裂纹 4—焊缝根部裂纹 5—HAZ根部裂纹 6—焊趾纵向裂纹（延迟裂纹） 7—焊趾纵向裂纹（液化裂纹、 再热裂纹） 8—焊道下裂纹（延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹） 9—层状撕裂
第17讲 焊接冷裂纹
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。
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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出现在焊缝上； ❖ 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-Cr-Mo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。
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。
❖ 组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为：
粗大孪晶马氏体的形成，晶界夹杂物的聚集，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
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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。 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。 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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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 43 过饱和状态存在于焊缝中。
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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 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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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 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溶解度与温度的关系
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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。 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，残留的扩散氢己不足 以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的原因之 一。 43 7
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；
图4.8 三种冷裂纹示意图 43 1——焊趾裂纹，2——根部裂纹，3——焊道下裂纹
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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。 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。
图4.11 高强度钢HAZ延迟裂纹形成过程（箭头表示 原子氢扩散方向） TAF——焊缝A体相变等温面，TAM——热影响区A 43 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。
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。
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。
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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。
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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： 粗大孪晶马氏体的形成，晶界夹杂物的聚集， 以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂纹倾向增大。