第17讲 焊接冷裂纹

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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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(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，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。

适用于强度σb＝500～1000MPa级低碳调质低合金 高强钢，认为CEWES＜0.46％可以不预热，焊接也 不裂。
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21
(2)临界冷却时间Cf′

在热影响区熔合线附近从A3冷至500℃开始出现铁素
体组织的临界时间Cf′可以作为焊接热影响区冷裂倾
向的判据，即
t8/5＜ Cf′

可能产生冷裂
Cf′可利用所研究钢种的焊接热影响区CCT图确定。
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3、三大要素综合影响的评定
在实际焊接中需要有反映出材料淬硬组织(或化学
成分)、扩散氢和应力三大要素同时对冷裂纹发生影
响的定量关系。国内外学者通过大量插销试验，建
立了临界断裂应力计算公式，这些公式较好地反映
了这三大要素之间的联系和对冷裂纹的影响，还可 以用此临界断裂应力作为是否产生冷裂纹的判据。 (1)日本溶接学会推荐公式 σcr=(86.3-211Pcm-28.21g([H]+1)+2.73t8/5+9.7×10-3t100)
提高而减小。

当实际热影响区的含氢量[H]大于或等于[H]Cr时，就可
能产生冷裂纹。
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图 碳当量与临界含氢量的关系
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3．与接头拘束度有关的判据 (1)临界拘束度Rcr：衡量焊接接头刚性大小的一个 定量指标。 拘束度有拉伸和弯曲两类： 拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹 性位移时，焊缝每单位长度上受力的大小； 弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形 时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。
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按其发生和分布位臵的特征可分为三类： 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。
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对接接头的拘束度R随板厚δ增加而增大，随拘束
距离L的增大而减小。当拘束度增大到某一数值时，
接头出现裂纹，此时的R值称临界拘束度Rcr。焊接
接头的临界拘束度Rcr值越大，说明该接头的冷裂敏
感性越小。如果实际结构的拘束度为R，则不产生 冷裂纹的条件为： Rcr﹥R

随着钢种强度级别提高，其临界拘束度降低，产生 冷裂纹的倾向大。
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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9


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。
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
10
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。
100℃的冷却时间(s)。
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(2)天津大学张文钺等人推荐公式： σcr＝（132.3-27.5g([H]-1)-0.216HV+0.0102t100)×9.8 式中，[H]——按GBl225—1976法测定的扩散氢含量 (mL／100g)； HV——热影响区的平均最大硬度(维氏)。
表 两个临界断裂应力公式应用范围 43
钢材，因为钢种的CE或Pcm越高，淬硬倾向越大， 产生冷裂纹的可能性越大。
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2．合理选择和使用焊接材料 主要目的是减少氢的来源和改善焊缝金属的 塑性和韧性。 (1)选用低氢和超低氢焊接材料 碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量比酸性焊条低， 所以碱性焊条的抗冷裂纹性能大大优于酸性焊条。 对于重要的低合金高强度钢结构的焊接，原则上都 应选用碱性焊条。 (2)严格烘干焊条或焊剂 焊条和焊剂要妥加保管，不能受潮。焊前必须严格 烘干，使用碱性焊条更应如此。 随着烘干温度升高，焊条扩散氢含量明显下降。 30 43
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4、综合性判据
冷裂纹的产生实际上是钢材的化学成分、接头的
扩散氢含量及接头拘束度三方面的因素综合作用的
结果。前面所述，通过插销试验得出临界断裂应力
σcr ，即属于综合性判据。
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三、冷裂纹的防止措施 1、控制母材的化学成分
从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材，
把好进料关。
尽量选择碳当量CE或冷裂纹敏感系数Pcm小的
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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。
为钢材的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。
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1)国际焊接学会(ILeabharlann W)推荐的公式CE C

Mn 6

Cu Ni 15

Cr Mo 5
此式适用于中高强度(σb＝500－900MPa级)非调质高 强度钢。当CEIIW＜0.45％时，厚度在25mm以内的 钢板焊接时不预热，也不裂。 2)美国焊接学会(AWS)提出的公式
第四章 焊接气孔和裂纹
第17讲
43
1
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4.8 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
5
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。
CE
AWS
C
Mn 6

Si 24

Ni 15

Cr 5

Mo 4

Cu 13

P 2

此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。一般认为板 厚在25mm以内CEAWS＜0.4％，可不预热，焊接也不 裂。 43 20
3)日本JIS及WES推荐的公式
Ceq C Mn 6 Si 24 Ni 40 Cr 5 Mo 4 V 14

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
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。