1、焊接冷裂紋第1頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1434.2.2 焊接冷裂紋一、焊接冷裂紋類型 1基本特征焊接接頭冷卻到較低溫度下(對于鋼來說，在Ms溫度以下)產生的焊接裂紋統稱冷裂紋。冷裂紋可以在焊后立即出現，有時卻要經過一段時間，如幾小時，幾天，甚至更長時間才出現。多數出現在焊接熱影響區，但一些厚大焊件和超高強鋼及鈦合金也出現在焊縫上；裂紋的起源多發生在具有缺口效應的焊接熱影響區或物理化學不均勻的氫聚集的局部地帶；裂紋的分布與最大應力方向有關。第2頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2432、分類焊接生產中由于采用的鋼種、焊接材料不同，結構的類

2、型、剛度以及施工的條件不同，大致分為： 1)淬硬脆化裂紋 一些淬硬傾向很大的鋼種（焊接含碳較高的Ni-Cr-Mo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼，及異種鋼等），焊接時即使沒有氫的誘發，僅在拘束應力作用下就能導致開裂。完全是由于冷卻時發生馬氏體相變而脆化所造成的，焊后常立即出現，在熱影響區和焊縫上都可產生。通常采用較高的預熱溫度和使用高韌性焊條，基本上可防止這類裂紋。第3頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四343 2)低塑性脆化裂紋 某些塑性較低的材料（鑄鐵補焊、堆焊硬質合金和焊接高鉻合金），冷至低溫時，由于收縮而引起的應變超過了材料本身所具有的塑性儲備或材質變脆而產生的裂紋。通常

3、也是焊后立即產生，無延遲現象。 3)延遲裂紋 焊后不立即出現，有一定孕育期(又叫潛伏期)，具有延遲現象。決定于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的應力狀態和熔敷金屬中的擴散氫含量。第4頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四443按其發生和分布位置的特征可分為三類： 焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界的焊趾處，并有明顯應力集中的部位(如咬肉處)。裂紋從表面出發，往厚度的縱深方向擴展，止于近縫區粗晶部分的邊緣，一般沿縱向發展。 根部裂紋或稱焊根裂紋 起源于坡口的根部間隙處，可以起源于母材的近縫區金屬，也可以起源于焊縫金屬的根部。 焊道下裂紋 產生在靠近焊道之下的熱影響區內部，距熔合線約處，該處

4、常常是粗大馬氏體組織。裂紋走向大體與熔合線平行，一般不顯露于焊縫表面。圖4.8 三種冷裂紋示意圖1焊趾裂紋，2根部裂紋，3焊道下裂紋第5頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四543二、冷裂紋的特征及產生機理 1、產生延遲裂紋的三個基本要素 鋼材的淬硬傾向 焊接接頭中的氫含量及其分布 焊接接頭的拘束應力狀態產生延遲裂紋的孕育期： 決定于焊縫金屬中擴散氫的含量與焊接接頭所處的應力狀態的交互作用。 相應于某一應力狀態，焊縫金屬中含氫量愈高，裂紋的孕育期愈短，裂紋傾向就愈大。 當應力狀態惡劣，拉應力水平高時，即使含氫量比較低，經過不長的孕育期，即有裂紋產生。第6頁，共44頁，202

5、2年，5月20日，14點22分，星期四6432、三大要素的作用 (1)氫的作用氫是引起的冷裂紋具有延遲的特征，稱為氫致裂紋。氫在鋼中分為殘余的固溶氫和擴散氫，只有擴散氫對鋼的焊接冷裂紋起直接影響。 1)氫在焊縫中的溶解從圖4.9中可知，氫在鐵中的溶解度隨溫度變化很大，并在凝固點發生突變。由于熔池很快由液態凝固，多余的氫來不及逸出，結果就以過飽和狀態存在于焊縫中。圖4.9 氫在鐵中的溶解度與溫度的關系第7頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四743 2)氫在焊接區的濃度擴散焊縫中過飽和狀態的氫處于不穩定狀態，在含量差的作用下會自發地向周圍熱影響區和大氣中擴散。這種濃度擴散的速

6、度與溫度有關。溫度很高時，氫很快從焊接接頭擴散出去；溫度很低時，氫的活動受抑制，因此都不會產生冷裂紋。只有在一定溫度區間(約-100100)氫的作用才顯著，如果同時有敏感組織和應力存在，就會產生冷裂紋。在預熱條件下焊接時，由于在冷裂紋敏感溫度區間之上停留時間(t100)較長，大部分氫已在高溫下從焊接區逸出，降至較低溫度時，殘留的擴散氫己不足以引起冷裂紋，這就是預熱可防止冷裂紋的原因之一。第8頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四8433)氫的組織誘導擴散氫在不同組織中的溶解和擴散能力是不同的，見圖5-16。在中氫具有較大的溶解度，但擴散系數較小；在中氫卻具有較小的溶解度和較

7、大的擴散系數。圖4.10 氫在鋼中的溶解度H與擴散系數D隨溫度的變化第9頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四943在焊接過程中，氫原子從焊縫向焊接熱影響區擴散的情況如圖4.11所示。通常焊接高強度鋼時焊縫金屬的含碳量總是控制在低于母材，因此焊縫金屬在較高溫度(TAF)下就產生相變，即原A分解為F和P。圖4.11 高強度鋼HAZ延遲裂紋形成過程（箭頭表示原子氫擴散方向）TAF焊縫A體相變等溫面，TAM熱影響區A體相變等溫面，a、b熔合線第10頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四10434)氫的應力誘導擴散氫在金屬中的擴散還受到應力狀態的影響，它有向三向

8、拉應力區擴散的趨勢。常在應力集中或缺口等有塑性應變的部位產生氫的局部聚集，使該處最早達到氫的臨界含量，這就是氫的應力誘導擴散現象。應力梯度愈大，氫擴散的驅動力也愈大，也即應力對氫的誘導擴散作用愈大。第11頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1143(2)組織的作用鋼材的淬硬傾向越大或馬氏體數量越多，越容易產生冷裂紋。因為馬氏體是碳在鐵中的過飽和固溶體，是一種硬脆組織，發生斷裂只需消耗較低的能量。不同化學成分和形態的馬氏體組織的冷裂敏感性不同，如果出現的是板條狀低碳馬氏體，因Ms點較高，轉變后有自回火作用，既有較高的強度又有足夠的韌性，抗裂性能優于含碳量較高的片狀孿晶馬氏體

9、。孿晶馬氏體的硬度很高，韌性也很差，對冷裂紋特別敏感。第12頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1243冷裂紋常起源于熱影響區的粗晶區域，這是由于晶粒粗大，能顯著降低相變溫度，同時也使晶界上偏析物增多，因而使該區冷裂傾向增大。在淬硬組織中具有更多的晶格缺陷，如空位、位錯等。在應力作用下這些缺陷會發生移動和聚集，當匯集到一定尺寸，就會形成裂紋源，進一步擴展成宏觀裂紋。組織對冷裂紋敏感性的影響可歸結為： 粗大孿晶馬氏體的形成，晶界夾雜物的聚集，以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂紋傾向增大。第13頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1343 (3)應力的作用

10、 1)熱應力在接頭上不同位置的熱應力其方向和大小是隨焊接熱循環而變化，冷卻后在接頭上留存著殘余應力，其大小及分布決定于母材和填充金屬的熱物理性質、溫度場以及結構的剛度等，其最大值可達母材的屈服點s。 2)組織應力高強度鋼奧氏體分解時，析出鐵素體、珠光體、馬氏體等組織，由于它們具有不同的膨脹系數，引起了局部體積變化，從而產生組織應力。 3)拘束應力指的是接頭受到外部剛性拘束，焊件收縮不自由而引起的應力。它的大小與結構的厚度和拘束度等合關。第14頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1443 3、三大要素綜合影響的評定 在實際焊接中需要有反映出材料淬硬組織(或化學成分)、擴散氫

11、和應力三大要素同時對冷裂紋發生影響的定量關系。國內外學者通過大量插銷試驗，建立了臨界斷裂應力計算公式，這些公式較好地反映了這三大要素之間的聯系和對冷裂紋的影響，還可以用此臨界斷裂應力作為是否產生冷裂紋的判據。(1)日本溶接學會推薦公式cr=(86.3-211Pcm-28.21g(H+1)+2.73t8/5+9.710-3t100) 9.8第15頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1543式中，cr插銷試驗的臨界斷裂應力(MPa)； Pcm合金元素的裂紋敏感系數()； H按日本標準甘油法(JIS31131975)測定的擴散氫含量(mL100g)； t8/5熔合區附近從800

12、到500的冷卻時間(s)； t100熔合區附近從最高溫度(約1350) 到100的冷卻時間(s)。第16頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1643(2)天津大學張文鉞等人推薦公式：cr（132.3-27.5g(H-1)-0.216HV+0.0102t100)9.8式中，H按GBl2251976法測定的擴散氫含量(mL100g)； HV熱影響區的平均最大硬度(維氏)。表 兩個臨界斷裂應力公式應用范圍第17頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四1743如果能通過實驗或計算得出實際焊接結構(如船舶、橋梁、壓力容器等)焊接接頭的拘束應力，就可以與由兩個臨界斷

13、裂應力公式計算出的臨界斷裂應力作比較: 當cr 時,不裂。第18頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四18435.4.3 冷裂傾向的判據如何根據焊接結構的材料，結構和工藝特點去判斷其冷裂紋傾向或其敏感性，是焊接工作者最關心的的問題，因為它是評定金屬材料焊接性的重要依據。 1、與材料化學成分有關的判據 主要從材料淬硬程度方面去評定其冷裂傾向，因為鋼材的淬硬傾向越大，越容易產生冷裂紋。第19頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四19431)國際焊接學會(IIW)推薦的公式此式適用于中高強度(b500900MPa級)非調質高強度鋼。當CEIIW0.45時，厚度

14、在25mm以內的鋼板焊接時不預熱，也不裂。2)美國焊接學會(AWS)提出的公式此式適用于低碳鋼和低合金高強度鋼。一般認為板厚在25mm以內CEAWS0.4，可不預熱，焊接也不裂。第20頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四20433)日本JIS及WES推薦的公式適用于強度b5001000MPa級低碳調質低合金高強鋼，認為CEWES0.46可以不預熱，焊接也不裂。第21頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2143(2)臨界冷卻時間Cf在熱影響區熔合線附近從A3冷至500開始出現鐵素體組織的臨界時間Cf可以作為焊接熱影響區冷裂傾向的判據，即 t8/5 Cf

15、 可能產生冷裂Cf可利用所研究鋼種的焊接熱影響區CCT圖確定。第22頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四22432 與接頭含氫量有關的判據高強度鋼焊接接頭中的含氫量越多，則裂紋傾向越大。當由于氫的擴散、聚集，使接頭中局部地區的含氫量達到某一數值而產生裂紋時，此含氫量即為產生冷裂紋的臨界含氫量HCr 。臨界含氫量HCr與鋼的化學成分、剛度、預熱溫度以及接頭的冷卻條件等有關。臨界含氫量隨著鋼種碳當量提高而減小。當實際熱影響區的含氫量H大于或等于HCr時，就可能產生冷裂紋。第23頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2343圖 碳當量與臨界含氫量的關系第24

16、頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四24433與接頭拘束度有關的判據 (1)臨界拘束度Rcr：衡量焊接接頭剛性大小的一個定量指標。 拘束度有拉伸和彎曲兩類： 拉伸拘束度是焊接接頭根部間隙產生單位長度彈性位移時，焊縫每單位長度上受力的大小； 彎曲拘束度是焊接接頭產生單位彈性彎曲角變形時，焊縫每單位長度上所受彎矩的大小。 第25頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2543 對接接頭的拘束度R隨板厚增加而增大，隨拘束距離L的增大而減小。當拘束度增大到某一數值時，接頭出現裂紋，此時的R值稱臨界拘束度Rcr。焊接接頭的臨界拘束度Rcr值越大，說明該接頭的冷裂敏

17、感性越小。如果實際結構的拘束度為R，則不產生冷裂紋的條件為：RcrR隨著鋼種強度級別提高，其臨界拘束度降低，產生冷裂紋的傾向大。第26頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2643(2)臨界拘束應力cr焊接接頭冷卻過程中開始產生冷裂紋的拘束應力稱臨界拘束應力cr 。它可以采用各種冷裂紋試驗方法定量地測定出來，也可用經驗公式進行計算。焊接接頭實際的拘束應力可通過實驗或按拘束度R的關系來確定，即mRm為轉換系數，它與鋼材的熱物理性能、接頭結構特點、工藝條件有關。當cr 時不裂。第27頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四27434、綜合性判據 冷裂紋的產生實

18、際上是鋼材的化學成分、接頭的擴散氫含量及接頭拘束度三方面的因素綜合作用的結果。前面所述，通過插銷試驗得出臨界斷裂應力cr ，即屬于綜合性判據。第28頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四2843三、冷裂紋的防止措施 1、控制母材的化學成分 從設計上首先應選用抗冷裂性能好的鋼材，把好進料關。 盡量選擇碳當量CE或冷裂紋敏感系數Pcm小的鋼材，因為鋼種的CE或Pcm越高，淬硬傾向越大，產生冷裂紋的可能性越大。第29頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四29432合理選擇和使用焊接材料 主要目的是減少氫的來源和改善焊縫金屬的塑性和韌性。 (1)選用低氫和超低氫

19、焊接材料堿性焊條熔敷金屬中的擴散氫含量比酸性焊條低，所以堿性焊條的抗冷裂紋性能大大優于酸性焊條。對于重要的低合金高強度鋼結構的焊接，原則上都應選用堿性焊條。 (2)嚴格烘干焊條或焊劑焊條和焊劑要妥加保管，不能受潮。焊前必須嚴格烘干，使用堿性焊條更應如此。隨著烘干溫度升高，焊條擴散氫含量明顯下降。第30頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3043(3)選用低匹配焊條選擇強度級別比母材略低的焊條有利于防止冷裂紋，因強度較低的焊縫不僅本身冷裂傾向小，而且由于它較易塑性變形，從而降低了接頭的拘束應力，使焊趾、焊根等部位的應力集中效應相對減小，改善了熱影響區的冷裂傾向。還可采用“軟

20、層焊接”的方法去制造一些高強度鋼的球形容器和反應堆外殼。即用抗裂性能好的焊條作底層、內層采用與母材等強度的焊條，而表層26mm采用稍低于母材的焊條，這樣可增加焊縫金屬的塑性儲備，降低焊接接頭的拘束內力，從而提高其抗裂性能。第31頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3143(4)選用奧氏體焊條采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較大的低、中合金高強度鋼能很好地避免冷裂紋。因為奧氏體焊縫可以溶解較多的氫，同時奧氏體的塑性好，可以減小接頭的拘束應力。注意： 奧氏體焊縫強度低，對承受主應力的焊縫，只有在接頭強度允許的情況下才能使用；在使用時要采用小的焊接電流，使熔合比減小；如果焊接電流大，

21、熔合比的增大將使焊縫邊界過渡層的Cr、Ni稀釋，在過渡層中可能出現淬硬的馬氏體組織，而增大冷裂傾向。使用奧氏體焊條焊接高強度鋼時，仍然要限制含氫量。第32頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3243(5)提高焊縫金屬韌性 通過焊接材料在焊縫中增加某些微量合金元素，如鈦、鈮、鉬、釩、硼、碲、稀土等來韌化焊縫，也能減小冷裂紋傾向。因為在拘束應力作用下，利用焊縫足夠的塑性儲備，可以減輕熱影響區的負擔，從而提高整個接頭的抗裂性。第33頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四33433.正確制訂焊接工藝 包括合理選定焊接熱輸入、預熱及層間溫度、焊后熱處理和正確的施

22、焊順序等。目的在于改善熱影響區和焊縫組織，促使氫的逸出以及減少焊接拘束應力。(1)嚴格控制焊接熱輸入高強度鋼對焊接熱輸入較為敏感。熱輸入取得過大，會使熱影響區奧氏體晶粒粗化，接頭韌性下降，降低其抗裂性能；熱輸入取得過小，則冷卻速度大，易淬硬而增大其冷裂傾向。合理的作法應當是在充分保證焊接接頭韌性的前提下，適當加大焊接熱輸入。這樣可以增大冷卻時間(t8/5或t100)減小熱影響區的淬硬傾向和有利于氫的擴散逸出，達到防止冷裂紋的產生。對每種鋼經工藝試驗或評定合格的焊接熱輸入，都應嚴格執行，不能隨意變動。第34頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3443(2)合理選擇預熱溫度預

23、熱的主要目的是為了增大熱循環的低溫參數t100，使之有利于氫的充分擴散逸出。預熱溫度的選擇須視施焊環境溫度、鋼材強度等級、焊件厚度或坡口形式、焊縫金屬中擴散氫含量等因素而定。 有許多確定預熱溫度的方法，下向介紹其中幾種：1)根據鋼材碳當量和板厚確定預熱溫度，見圖4-12和表4-1。碳當量按美國焊接學會(AWS)提出的公式確定。第35頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3543表4-1 不同焊接性等級的鋼材應采用的施工條件圖4-12 施焊條件與碳當量第36頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四36433)按化學成分、板厚和擴散氫含量確定的預熱溫度由斜Y形

24、坡口的鐵研式抗裂試驗所建立的經驗公式T01440Pc392式中，T0預熱溫度()； Pc冷裂紋敏感指數。 上式適用于w(c) 0.17的低合金鋼，H15mL100g，1950mm范圍。國產低合金鋼在插銷試驗條件下確定的經驗公式：T0324Pcm17.7H+0.14b+4.72-214式中, b被焊金屬的抗拉強度(MPa)。第37頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3743按上述公式確定的是整體預熱溫度。對于大型焊接結構，采用整體預熱有困難，常采用局部預熱。通常是在焊縫兩側各100-200mm范圍內進行。局部預熱溫度不宜過高，否則要產生附加應力。最好采用履帶式電熱器或火焰加

25、熱器進行局部預熱。預熱溫度基本確定之后，尚須根據下列情況作適當調整： 當施焊環境溫度較低時，如-10，預熱溫度應適當提高； 采用低氫的焊接方法時,如CO2氣體保護焊或氬弧焊等，其預熱濕度可適當降低；第38頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3843 采用低匹配的焊接材料焊接時，也可以降低預熱溫度； 坡口根部所造成的應力集中越顯著時，其預熱溫度就應適當提高； 如焊后采取緊急后熱，也可以適當降低預熱溫度。注意:預熱對防止冷裂紋有效，但畢竟是一種消極措施，更不是預熱溫度越高越好。預熱溫度過高不僅惡化工人勞動條件，而且浪費能源。如果是局部預熱，還會引起附加應力，反而促使冷裂紋的產

26、生。所以預熱溫度的確定要慎重。第39頁，共44頁，2022年，5月20日，14點22分，星期四3943(3)緊急后熱 冷裂紋一般在焊后一段時間后才產生，如在裂紋產生之前能及時進行加熱處理，即所謂緊急后熱，也能達到防止冷裂紋的目的。 緊急后熱工藝的關鍵在于及時，一定要在熱影響區冷卻到產生冷裂紋的上限溫度Tuc(一般在100左右)之前迅速加熱，加熱的溫度也應高于Tuc，并且需保溫一定時間。 后熱的作用是使擴散氫在溫度Tuc以上便能充分擴散逸出。若焊后間隔時間較長，裂紋已經產生才后熱就失去意義。 選用合適的后熱溫度，可以適當降低預熱溫度或代替某些重大焊件的中間熱處理，達到改善勞動條件等目的。 后熱不僅能消氫，也能韌化熱影響區和焊縫組織，特別對于一些淬硬傾向較大的中碳調質鋼，效果更明顯。