焊接裂纹-冷裂纹资料精选课件PPT

2021/3/2
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三、焊接冷裂纹的机理
钢种的淬硬倾向、焊接接头含量及其分布，以及接 头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂 纹的三大主要因素[11、20、21]。这三个因素在一 定条件下是相互联系和相互促进的。
（一）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 工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大， 越易产生裂纹，因此，采用高强度钢建造焊接结构 就受到限制。
其后，氢又不断向新的三向应力区扩散，达到临 界浓度时又发生了新的裂纹扩展。
周而复始，直至成为宏观裂纹。
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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。
2．淬硬会形成更多的晶格缺陷 金属在热力不平衡 的条件下会形成大量的晶格缺陷。主要是空位和位 错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都 会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界 值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就 会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。
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（二）氢的作用
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1.氢的来源及焊缝中的含氢量
焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、 油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的来源。
2．金属组织对氢扩散的影响
氢在不同金属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在铁素体中的溶解度 大，并且随温度的增高而增加。
因此，在焊接时有奥氏体转变为铁素体时，氢的 溶解度 急剧下降，而氢的扩散速度恰好相反，由 奥氏体转变为铁素体时突然增大。
（二）焊道下裂纹
这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的 焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行， 但也有垂直熔线的，如图5-40中B和图5-41所示。
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（三）根部裂纹
这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要 发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下，这种 裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最 大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段， 也可能出现在焊缝金属中，这决定于母材பைடு நூலகம்焊缝的 强韧程度，以及根部的形状，如图5-42所示。
为什么钢淬硬之后会引起开裂呢？
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1．形成脆硬的马氏体组织 马氏体是碳在铁中的过 饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中， 使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致 使组织处于硬化状态。马氏体是一种脆硬的组织， 发生断裂时将消耗较低的能量 因此，焊接接头有 马氏体存在时，裂纹是易于形成和扩展。
冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢 的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、 钛及钛合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中。
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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。
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焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在熔池 中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的 急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来 不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处 于过饱和状态，因而氢要极力进行扩散。
3.氢在致裂过程中的动态行为
由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝在较高的 温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠 光体、贝氏体，以及低碳马氏体等（根据焊缝的 化学成分和冷却速度而定）。此时母材热影响区 金属尚未开始奥氏体分解（因含碳高，发生滞后 相变）。
当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时， 氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这一地 区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应，并且 氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾 裂纹。若氢的浓度更高，可是马氏体更加脆化， 也可能产生焊道下裂纹。
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4.延迟裂纹的开裂机理 （见下图）
冷裂纹的延迟行为主要是由氢引起的。
氢的应力扩散理论：
金属内部的缺陷（包括微孔、微夹杂和晶格缺陷 等）提供了潜在裂源，在应力的作用下，这些微 观缺陷的前沿形成的三向应力区，诱使氢向该处 扩散并聚集，应力随之提高。
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使该处变脆，当 应力进一步加大时，促使缺陷扩散。
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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冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时 间（几小时，几天甚至更长）才出现。开始少量出 现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在 焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是 冷裂纹中比较普遍的一种形态。
由于延迟裂纹不是在焊后立即可以了现，需延迟一 段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害 性就更为严重。
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般是在焊后冷却过程中，Ms点 附近或更低的温度区间逐渐产生的，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。