焊接中冷裂纹的形成原理及防止措施
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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》
CF62钢球罐使用过程中在焊缝附近发现的裂纹 60×
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》
不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量
钛型焊条 :
30ml / 100g
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第六节ຫໍສະໝຸດ Baidu冷裂纹
冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷 却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中
碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金 及铸铁等材料成形加工时或使用过程中极易出现 的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。
合肥工业大学材料科学与工程学院制作
钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据 此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大， 其淬硬倾向和冷裂倾向越大。
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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》
（三）接头中的拘束应力状态
由如公前式所可述见，：焊刚接性接大头（存弹在性拘模束量应E力大。或拉板伸厚拘δ束大应）力或是拘 引束起距冷离裂L 纹小的的直焊接接原结因构，，并拘且束还度会与加拘剧束氢应的力有高害，作裂用纹。 倾接向头大的。拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
低塑性脆化裂纹
它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由
于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有 的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹通常也 无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成 形加工中。如灰口铸铁在400℃以下基本无塑性， 焊接裂纹倾向很大。
齿铸轮件毛尖坯角中部的位铸的造裂冷纹裂纹
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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》
起裂部位特点： 焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹： 是应力集中部位；存在粗大的马氏体组织；氢含量高。
3
3
3
1
2
2
图11-60 焊接冷裂纹分布形态 1－焊道下裂纹 2－焊根裂纹 3－焊趾裂纹
可见接头中的 [ H ]R 聚集部位正是延迟裂纹 的多发部位。
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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》
熔敷金相属因变含诱碳量导低扩于母散材而先氢发在生奥（氏A体→（γF-+FPe））转中变的，溶使解焊缝
中的度[ H较大]R向，焊扩接散系热数影较响小区；扩而散在。铁继素续体冷（却α该-区Fe金）属中由的奥溶氏解体向 马氏度体较转小变，，扩氢散便系以数过较饱大和。状因态此残，留当在金马属氏自体高中温。冷却发生
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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》
二、冷裂纹的影响因素
高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是：
（一） 接头中扩散氢的含量与分布 （二） 钢材的淬硬倾向 （三） 接头中的拘束应力状态
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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》
减少淬硬组织
紧急后热 约300℃ 并保温 合理的焊接线能量及焊接顺序
降低拘束应力
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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》
这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄（2003年2月3日）并传回的，当时 以色列总理沙龙正通过卫星与哥伦比亚号上首位进入太空的以色列宇航员拉蒙进行视频对 话，照片是通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄的 。照片上显示，哥伦比亚号航 天飞机的左翼上有两条清晰的裂纹。这两条裂纹应该就是导致哥伦比亚号在着陆前16分钟 出现技术问题，并且最终爆炸解体的主要原因。
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（二）钢材的淬硬倾向
淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的 淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向 大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺 陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力作用下会 发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂 纹源，并进一步扩展成宏观裂纹。
裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期 和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂 声音（可用声发射仪来监测）。
常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。
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淬硬脆化裂纹
缝[ 周H围]R的在焊接接头热中影的响含区量扩与散焊。接工艺过程有关。
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[ H ]R 在接头中的分布状况取决于氢在接 头中的扩散行为，后者服从以下规律：
“浓度扩散” 焊接热影响区 “相变诱导扩散” 焊道下过热粗晶区 “应力诱导扩散” 焊趾与焊根部位
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
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裂纹发生曲线
σLC
时间 t/h
图11-65 延迟断裂时间与应力的关系
σUC－上临界应力 σLC－下临界应力
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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》
四、冷裂纹的控制
对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是
控制冷裂纹形成的三大要素，即 降低扩散氢的
含量、改善接头组织和减小拘束应力。焊
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
A→F相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥 氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。
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“应力诱导扩散” 氢在金属中有向三
向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部 位常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的 临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越 大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。
计算，如平板对接接头：
R E m R l
L
F
F
m 是转换系数，与钢的线胀系数、比热
容、接头坡口形式和焊接方法等有关。
δ
L
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三、应延力迟诱裂导纹扩的散形理成论机：理
裂缺纹陷热尖前应端沿力形应在成力缺新增陷的大， 三材（向料裂应脆纹力性源区增）。加前氢。沿继形 续氢成向浓三新度向的达应三到力向临区应界，力值诱 区时使扩，氢散缺向、陷其聚前内集沿扩…开散裂、、 微聚裂这集纹一使扩过内展程压。周力而增复大。 始持续进行，直至 形成宏观裂纹。
按加工方法分类 ，可分为： 铸造冷裂纹 焊接冷裂纹
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延迟裂纹（氢致裂纹）
在氢、钢材淬硬组织 和 拘束应力 共同作用下产生。 形成温度在 Ms 以下 200℃ 至 室温范围。 具有明显的延迟特征（故又称为氢致裂纹）。
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， 成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有
强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、
工具钢的焊件中。
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3
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1
2
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图11-60 焊接冷裂纹分布形态 1－焊道下裂纹 2－焊根裂纹 3－焊趾裂纹
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本章结束
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R是拘束度；δ是工件厚度（mm）；Pcm是钢材的碳当量。
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（一）接头中扩散氢的含量与分布
焊因接焊冷接却冷过却程速中度，很当快温，度高足温够下高溶时入，液[ 态H金]R属能中很的快氢从来 金不属及内逸部出扩，散以逸过出饱，和不状会态引保起留裂在纹已；凝当固温的度焊很缝低中时。，由氢于的 扩H散将的受尺到寸抑很制小，，也可不以会在导金致属开晶裂格。点只阵有中在自一由定扩温散度，范焊围 （后－接1头00中～尚1未00来℃得）及时扩，散[出H去]的R氢才称会为起残致留裂扩作散用氢，这 一[温H度]范R 围。称焊为后延[迟H裂]R纹在的浓敏度感差温的度作区用间下。将自发地向焊
实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是上述三大因素 综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起 主要作用，其余的起辅助作用。
三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏 感性。其中最常用的关系式为：
[H] R
PW
Pcm
60
400000
PC
Pcm
[H] 60
600
式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；[H]是熔敷金属扩散氢含量；
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铸造冷裂纹是铸件凝固 后冷却到弹性状态时，因局 部铸造应力大于材料强度极 限而引起的开裂。这类裂纹 总是发生在冷却过程中承受 较高拉应力的部位，特别是 应力集中部位。壁厚不均匀、 形状复杂的大型铸件容易产 生冷裂纹。
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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
σ/MPa
σuc
潜伏期
断裂曲线 裂纹扩展
前的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。
接中常用的措施是合理选用焊接材料以及严格控
制焊接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处
理。
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防止冷裂纹的措施
选用低氢型焊材或焊接方法
冷裂纹的影响因素
减少[ H ]R含量
焊前严格清理焊件表面油污
焊前预热 T0 =1440Pw - 392 ℃
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不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量
钛型焊条 :
30ml / 100g
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第六节ຫໍສະໝຸດ Baidu冷裂纹
冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷 却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中
碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金 及铸铁等材料成形加工时或使用过程中极易出现 的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。
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钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据 此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大， 其淬硬倾向和冷裂倾向越大。
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（三）接头中的拘束应力状态
由如公前式所可述见，：焊刚接性接大头（存弹在性拘模束量应E力大。或拉板伸厚拘δ束大应）力或是拘 引束起距冷离裂L 纹小的的直焊接接原结因构，，并拘且束还度会与加拘剧束氢应的力有高害，作裂用纹。 倾接向头大的。拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式
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低塑性脆化裂纹
它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由
于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有 的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹通常也 无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成 形加工中。如灰口铸铁在400℃以下基本无塑性， 焊接裂纹倾向很大。
齿铸轮件毛尖坯角中部的位铸的造裂冷纹裂纹
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起裂部位特点： 焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹： 是应力集中部位；存在粗大的马氏体组织；氢含量高。
3
3
3
1
2
2
图11-60 焊接冷裂纹分布形态 1－焊道下裂纹 2－焊根裂纹 3－焊趾裂纹
可见接头中的 [ H ]R 聚集部位正是延迟裂纹 的多发部位。
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熔敷金相属因变含诱碳量导低扩于母散材而先氢发在生奥（氏A体→（γF-+FPe））转中变的，溶使解焊缝
中的度[ H较大]R向，焊扩接散系热数影较响小区；扩而散在。铁继素续体冷（却α该-区Fe金）属中由的奥溶氏解体向 马氏度体较转小变，，扩氢散便系以数过较饱大和。状因态此残，留当在金马属氏自体高中温。冷却发生
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二、冷裂纹的影响因素
高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是：
（一） 接头中扩散氢的含量与分布 （二） 钢材的淬硬倾向 （三） 接头中的拘束应力状态
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减少淬硬组织
紧急后热 约300℃ 并保温 合理的焊接线能量及焊接顺序
降低拘束应力
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这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄（2003年2月3日）并传回的，当时 以色列总理沙龙正通过卫星与哥伦比亚号上首位进入太空的以色列宇航员拉蒙进行视频对 话，照片是通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄的 。照片上显示，哥伦比亚号航 天飞机的左翼上有两条清晰的裂纹。这两条裂纹应该就是导致哥伦比亚号在着陆前16分钟 出现技术问题，并且最终爆炸解体的主要原因。
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（二）钢材的淬硬倾向
淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的 淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向 大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺 陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力作用下会 发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂 纹源，并进一步扩展成宏观裂纹。
裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期 和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂 声音（可用声发射仪来监测）。
常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。
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淬硬脆化裂纹
缝[ 周H围]R的在焊接接头热中影的响含区量扩与散焊。接工艺过程有关。
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[ H ]R 在接头中的分布状况取决于氢在接 头中的扩散行为，后者服从以下规律：
“浓度扩散” 焊接热影响区 “相变诱导扩散” 焊道下过热粗晶区 “应力诱导扩散” 焊趾与焊根部位
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
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裂纹发生曲线
σLC
时间 t/h
图11-65 延迟断裂时间与应力的关系
σUC－上临界应力 σLC－下临界应力
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四、冷裂纹的控制
对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是
控制冷裂纹形成的三大要素，即 降低扩散氢的
含量、改善接头组织和减小拘束应力。焊
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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
A→F相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥 氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。
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“应力诱导扩散” 氢在金属中有向三
向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部 位常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的 临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越 大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。
计算，如平板对接接头：
R E m R l
L
F
F
m 是转换系数，与钢的线胀系数、比热
容、接头坡口形式和焊接方法等有关。
δ
L
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三、应延力迟诱裂导纹扩的散形理成论机：理
裂缺纹陷热尖前应端沿力形应在成力缺新增陷的大， 三材（向料裂应脆纹力性源区增）。加前氢。沿继形 续氢成向浓三新度向的达应三到力向临区应界，力值诱 区时使扩，氢散缺向、陷其聚前内集沿扩…开散裂、、 微聚裂这集纹一使扩过内展程压。周力而增复大。 始持续进行，直至 形成宏观裂纹。
按加工方法分类 ，可分为： 铸造冷裂纹 焊接冷裂纹
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延迟裂纹（氢致裂纹）
在氢、钢材淬硬组织 和 拘束应力 共同作用下产生。 形成温度在 Ms 以下 200℃ 至 室温范围。 具有明显的延迟特征（故又称为氢致裂纹）。
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， 成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有
强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、
工具钢的焊件中。
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3
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1
2
2
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R是拘束度；δ是工件厚度（mm）；Pcm是钢材的碳当量。
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（一）接头中扩散氢的含量与分布
焊因接焊冷接却冷过却程速中度，很当快温，度高足温够下高溶时入，液[ 态H金]R属能中很的快氢从来 金不属及内逸部出扩，散以逸过出饱，和不状会态引保起留裂在纹已；凝当固温的度焊很缝低中时。，由氢于的 扩H散将的受尺到寸抑很制小，，也可不以会在导金致属开晶裂格。点只阵有中在自一由定扩温散度，范焊围 （后－接1头00中～尚1未00来℃得）及时扩，散[出H去]的R氢才称会为起残致留裂扩作散用氢，这 一[温H度]范R 围。称焊为后延[迟H裂]R纹在的浓敏度感差温的度作区用间下。将自发地向焊
实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是上述三大因素 综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起 主要作用，其余的起辅助作用。
三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏 感性。其中最常用的关系式为：
[H] R
PW
Pcm
60
400000
PC
Pcm
[H] 60
600
式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；[H]是熔敷金属扩散氢含量；
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铸造冷裂纹是铸件凝固 后冷却到弹性状态时，因局 部铸造应力大于材料强度极 限而引起的开裂。这类裂纹 总是发生在冷却过程中承受 较高拉应力的部位，特别是 应力集中部位。壁厚不均匀、 形状复杂的大型铸件容易产 生冷裂纹。
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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
σ/MPa
σuc
潜伏期
断裂曲线 裂纹扩展
前的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。
接中常用的措施是合理选用焊接材料以及严格控
制焊接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处
理。
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防止冷裂纹的措施
选用低氢型焊材或焊接方法
冷裂纹的影响因素
减少[ H ]R含量
焊前严格清理焊件表面油污
焊前预热 T0 =1440Pw - 392 ℃