低合金高强度钢的焊接性

低合金高强度钢的焊接性分析

低合金高强钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接热影响区的力学性能。

众所周知，扩散氢、脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素，碳当量公式（如IIW的CEN公式）、热影响区最大硬度等都被用来评价钢材的冷裂敏感性。

（1）冷裂纹问题

对于现代低合金高强度钢，由于热机械控制工艺技术和微合金化技术的广泛应用，碳含量和碳当量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明显，除非在极端情况下（很大的拘束度或扩散氢含量很高），一般不会遭遇冷裂纹。

值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题。

冷裂纹倾向

低合金高强钢随着强度等级的增高，焊接接头冷裂纹倾向增大。冷裂纹又叫氢致裂纹或延迟裂纹，是指焊接接头冷却到较低温度（Ms温度以下）时产生的焊接裂纹冷裂纹一般产生在热影响区，有时也产生在焊缝金属内。产生冷裂纹的三个主要因素是：裂缝金属内残留的扩散氢、热影响区或焊缝金属硬组织、焊接残余应力。

焊接低合金高强度钢时，氢的主要来源是焊条药皮中的水分和破口表面的水分、油污等杂质。这些物质在电弧高温作用下分解出氢，溶解在熔池金属内，熔池冷却凝时氢来不及逸出，残留在焊缝内。另外，焊接低合金高强度钢的一个重要特点是热影响区有较大的淬硬倾向，随强度等级的提高、含碳元素或合金元素含量增多，其淬硬性也增大。当焊接浮大焊件或冷却速度过快时，热影响区或焊缝金属更容易产生淬硬组织。焊接时由于不均匀的加热和冷却以及构件本身的拘束作用，在焊缝内仍然会产生很大的残余应力。所以，低合金高强度钢焊接时有较大的冷裂倾向。

为防止冷裂纹的产生，焊前应严标按照说明书的规定烘干焊条，将坡口清理干净，并采取焊前预热、焊后保温缓冷及热处理等措施。

母材强度的提高和焊接性的改善，促使冷裂纹发生的位置从热影响区转移到焊缝。基于焊后随时间变化氢对局部临界开裂应力的影响，国际焊接联合会提出了判别高强钢冷裂纹位置的基本方法，焊后焊缝中的氢含量随时间单调减少，而

热影响区的氢含量先从母材基础值升高到峰值然后下降，整个过程只有几分钟，恰好与残余应力发生的过程同步，通过计算残余应力值-时间的变化、以及热影响区和焊缝受实时扩散氢含量影响的临界开裂应力，即可预测冷裂纹发生的位置。高强度焊缝金属对裂纹敏感性大，当然有利于焊缝冷裂纹。影响焊缝冷裂纹的还有残余应力值及其产生的时间，如果较早地产生较大的残余应力，则有利于焊缝冷裂纹值。相反，低强度焊缝金属、低残余应力或较晚产生残余应力有利于热影响区冷裂纹的产生。

（2）热裂纹倾向

在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。热裂纹都是沿着晶界开裂分布在焊缝中心或两侧，表面是不规则的锯齿状。产生热裂纹的主要原因是由于焊缝金属中碳、硫元素含量偏高，在焊接过程中形成低熔点共晶物，当液态金属冷却到结晶时聚集在晶界处，在焊接应力的作用下沿晶界开裂，形成热裂纹。低合金钢焊接时，应考虑钢材和焊接材料的含碳量，由于锰可以和硫形成硫化锰，硫化锰熔点高，会增加钢的抗裂纹性，同时还要减小焊接结构的刚性，控制焊缝成形系数等，防止热裂纹倾向。

（3）热影响区的组织和韧性

热影响区由不同区域的组织构成，每一区域的组织都受加热速度、峰值温度和冷却速度的影响。对于单道焊，根据峰值温度，热影响区可划分为粗晶区（GC 热影响区），细晶区（GR热影响区），中间临界区（IC热影响区）和亚临界区（SC 热影响区）；对于双道焊或多层焊，第二道焊道的热影响区与第一道重叠，在第一道的热影响区中形成被部分或完全再热区，其中最引人注目的是亚临界再热粗晶区（SCGC热影响区）和中间临界再热粗晶区（ICGC热影响区）。

粗晶区的组织与韧性

粗晶区因为奥氏体长大和易形成脆性组织而倍受关注，在1000°C以上，奥氏体长大迅速，利用微合金元素形成微小的碳化物或氮化物粒子是限制奥氏体晶粒长大的有效途径，Nb和Ti是应用最多的微合金元素，在管线钢、船板和建筑结构中均广泛使用，然而，必须严格控制其含量，使得碳氮化物粒子即不会太粗，也不会过分地细小。

粗晶区的相变组织是影响其韧性水平的主要因素。粗晶区奥氏体在冷却过程

中发生相变，相变组织主要取决于材料的淬透性和冷却速度，还取决于是否存在抑制晶界铁素体的B以及晶内是否有促进铁素体形核的细小粒子如TiO2，而这一切均能够在相变温度范围中体现。

中间临界再热粗晶区往往是可能的低韧性区，尤其是形成M-A组元的情况下。在再热粗晶区中，后续焊道将前边焊道的粗晶区再热到Ac1~Ac3的温度，使其发生部分奥氏体化转变，部分奥氏体化转变导致局部富碳的奥氏体的形成，并在冷却时转变为高碳孪晶马氏体。这些脆性的“小岛”尺寸可达5mm，在再热粗晶区中的相比例可达5%，因此导致再热粗晶区的韧性大幅度下降。

局部脆性区一般发生在粗晶区和再热粗晶区，较少地发生在再热热影响区，上世纪80年代以来，局部脆性区问题引起了广泛的关注和争议，一方面，裂纹尖端张开位移试验发现局部脆性区的韧性很低，有时裂纹尖端张开位移值低到0.05mm以下，另一方面，尚没有关于局部脆性区导致焊接结构提早失效的案例。有关局部脆性区的研究很多，总的说来局部脆性区的韧性取决于局部脆性区的宽度，局部脆性区越宽，裂纹尖端张开位移值就越低，而热影响区的韧性又是最低的，所以，在多层焊时焊道的布置和焊接工艺的控制十分重要。