第17讲_焊接冷裂纹..
焊接裂纹冷裂纹
（二）氢的作用 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”。
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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由此看来，氢 所诱发的裂纹， 从潜伏、萌生、 扩展，以至开 裂是具有延迟 特征的。 因此，可以说 焊接延迟裂纹 就是由许多单 个的微裂断续 合并而形成的 宏观裂纹。
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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
（三）焊接接头的应力状态 延迟裂纹的产生不仅决定钢的淬硬倾向和氢的有 害作用，而且还决定于焊接接头所处的应力状态： 1．不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力。球 罐点焊焊缝，加热时开裂。 2．金属相变时产生的组织应力。 3．结构自身拘束条件所造成的应力
高强钢焊接时产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之 后受氢的侵袭和诱发，使之脆化，在拘束应力的 作用下产生了裂纹。
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在焊接中什么是冷裂纹和热裂纹
在焊接中什么是冷裂纹和热裂纹低碳钢焊接性分析：（一）冷裂纹碳当量：钢材和熔敷金属的碳含量增加大桥焊条，焊接性变差；硅锰含量增加，焊接性变差;CE值增加，产生冷裂纹倾向增大，焊接性变差淬硬倾向：淬硬组织或马氏体组织越多，其硬度越高，焊缝和热影响区硬度越高，焊接性差。
冷却速度影响因素：（1）钢材厚度和接头几何形状，（2）焊接时母材的实际起始温度（3）焊接线能量大小。
拘束度和氢。
板厚增加，拘束度增加;焊接区被刚性固定，拘束度增加，提高氢致裂纹敏感性钢材成分一定，淬硬组织比例越高，冷裂所需临界氢含量越低，所需拘束应力也就越低，冷裂倾向越大。
组织氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。
（二）热裂纹在焊接SP过高的碳钢时，一方面：在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点SP化物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹;若板厚较大，沿不同偏析带分布的碳化物等，在T形等接头中引起层状撕裂。
另一方面：当母材稀释率较高时，进入焊缝的SP也偏多，容易引起焊缝中热裂纹。
中碳钢焊接大多需要预热和控制层间温度，以降低焊缝金属和热影响区冷却速度，抑制马氏体形成，提高接头塑性，减小残余应力。
合金结构钢种类：低合金钢，中合金钢，高合金钢。
1强度用钢：热轧及正火钢，低碳调质钢，中碳调质钢。
2专用钢：珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢热轧钢：把钢锭加热到1300度左右，经热轧成板材，然后空冷。
正火钢：钢板轧制和冷却后，再加热到900度附近，然后在空气中冷却。
调质钢：900度附近加热后放入淬火设备中水淬，后在600度左右回火处理。
控轧：采用控制钢板温度和轧制工艺得到高强度，高韧性钢的方法。
热轧钢通常是铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织。
正火钢是在固溶强化基础上，加入合金元素在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。
热轧及正火钢焊接性分析：Q345（16Mn)裂纹脆化1冷裂纹淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。
冷裂敏感性一般随强度提高而增加2热裂纹降低焊缝中碳含量和提高锰含量，解决了热裂纹问题。
焊接裂纹的形成机理与预防措施
焊接裂纹的形成机理与预防措施1、产生焊接冷裂纹的原因焊接冷裂纹在焊后较低的温度下形成。
由于这种裂纹形成与氢有关，且有延迟开裂的特点，因此又称之为焊接氢致裂纹或延迟裂纹。
产生焊接冷裂纹的三个必要条件：〔1〕氢。
氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。
这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。
在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中存在着扩散氢。
根据氢脆理论，这种扩散氢将向应变集中区〔如微裂纹或缺口尖端附近〕扩散，当该区的氢浓度到达*一临界值时，裂纹便继续扩展。
〔2〕应力。
依据目前国内及国际的施工水平，在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对，所以在组装完成后便存在着内应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除。
再加上球罐焊接是一个局部加热过程，在焊接过程中产生应力与应变的循环，因此球罐焊接后必然存在剩余应力。
〔3〕组织。
焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量越多越容易产生冷裂纹。
3、防止产生焊接冷裂纹的措施〔1〕尽量选用对冷裂纹不敏感的材料选用内在质量好的母材。
即选用碳当量低的优质钢材，尤其是防止母材大型夹渣。
所以在球壳板制造前必须对板材进展严格的超声波检查，对有严重夹层等缺陷的钢材不得使用。
〔2〕尽量减少氢的来源。
第一，球罐的焊接选用低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进展烘干，并贮存在100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口外表及坡口两侧20mm范围内的油污、水分，、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊；第五，采取有效的防风措施，以防止吹弧，使焊接熔池得到有效的隔离保护。
〔3〕选用适当的焊前预热温度和预热范围。
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—。
压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施
压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施焊接在金属压力容器制造过程中是一道主要的工序，随着压力容器的大型化和重型化，焊接在压力容器制造过程中处于关键和重要的工序。
大多数压力容器属于特种设备，其安全运行关系人民的生命及财产安全，因此避免压力容器在制造过程中产生焊接缺陷，是保证压力容器制造质量在运行后安全工作的关键步骤。
1 焊接冷裂纹的分类及产生的基本过程焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹，常见钢材产生的温度为在Ms温度以下或200-300 ℃。
冷裂纹包括:延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，在压力容器制造行业所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。
压力容器焊接冷裂纹主要发生在高硬度及高强度的钢材中，如抗拉强度大于等于540MPa以上的材料或者中碳钢、低合金和中合金的高强度钢中。
这些材料在焊接过程中金属熔池溶解了大气或者焊接材料中的氢，加上焊接接头在焊接过程中产生了材料加热时产生的拘束应力，焊缝本身组织淬硬，无法通过塑性变形等方式释放应力，在三种因素的作用下，发生开裂，形成裂纹。
延迟裂纹具有显著的延迟性，分为潜伏期、缓慢扩散期、突然断裂期三个连续的过程，潜伏期有可能几小时、几天、几个月甚至几年，有可能压力容器已投入使用期间，因此更具危险性。
2 冷裂纹的产生原因分析形成冷裂纹的原因主要有以下4 个:(1)焊接接头形成淬硬组织，减小了金属的塑性储备;(2)扩散氢的存在和浓集;(3)焊件钢性大而产生较大的焊接拉伸应力;(4)焊肉存在某种缺陷致使应力集中。
以上这4 个因素，其中含氢量和拉应力是冷裂纹产生的2 个重要因素，但4 个原因的存在相互影响、促进。
它们中可能某一个原因成为冷裂纹的主要因素，然而决不可能是唯一因素。
一般来说，金属内部原子的排列并非完全有序的，而是有许多微观缺陷，在拉应力的作用下，原子氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。
当氢聚集到一定浓度时，就会破坏金属中原子的结合键，金属内就出现一些微观裂纹，应力不断作用，氢不断地聚集，微观裂纹不断地扩散，直至发展为宏观裂纹，最后断裂。
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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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。
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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பைடு நூலகம்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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(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。
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4.9 氢在铁中的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 8
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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。
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。
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-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、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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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平行，一般不显露于焊缝表面。
第四章 焊接气孔和裂纹
第17讲
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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4.11 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。
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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。