焊接冷裂纹

焊接冷裂纹1.前言1.1焊接裂纹的简介焊接裂纹是指金属在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏所产生的缝隙。

在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹，焊接裂纹产生的条件和原因各有不同。

有些裂纹在焊后立即产生，有些在焊后延续一段时间才发生，有的在一定外界条件诱发下才产生；裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。

焊接裂纹对焊接结构的危害有：①减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力②构成了严重的应力集中。

裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切口应力集中，既降低结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏。

③造成泄漏。

由于盛装或输送有毒且可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏。

④表面裂纹能藏污纳垢，容易造成或加速结构的腐蚀。

⑤留下隐患，使结构变得不可靠。

由于延迟裂纹产生具有不定期性，微裂纹和内部裂纹易于漏检，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。

焊接裂纹是焊接结构最严重的工艺缺陷，直接影响产品质量，甚至引起突发事故，例如，焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，各种类型压力容器爆炸等恶性事故。

随着现代钢铁、石油化工、船舶和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数方向发展，有的在低温、深冷或腐蚀介质下工作，都广泛采用各种低合金高强钢材料，而这些金属材料通常对裂纹十分敏感。

因此，从焊接裂纹的微观形态、起源与扩展及影响因素等进行深入分析，对防止焊接裂纹和保证工程结构的质量稳定性是十分重要的。

1.2焊接裂纹分类焊接裂纹按产生的机理可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。

(1)热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。

根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也不同。

一般把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类。

①结晶裂纹（凝固裂纹）：是在焊缝凝固过程的后期所形成的裂纹，所有结晶裂纹都是沿一次结晶的晶界分布，特别是沿柱状晶的晶界分布。

裂纹多呈纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧；通常纵向裂纹铰长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。

弧坑裂纹也属结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。

多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化色彩，表明它是在高温下产生的。

在扫描电镜下观察结晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒表面光滑。

②液化裂纹：在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹。

液化裂纹多为微裂纹，尺寸很小，一般在0.5mm以下，个别达1mm。

主要出现在合金元素铰多的高合金钢、不锈钢和耐热合金的焊件中。

③多边化裂纹（高温低塑性裂纹）：焊接时在金属多边化晶界上形成的一种热裂纹，由于在高温时塑性很低造成的，多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，个别情况下出现在热影响区中。

(2)冷裂纹冷裂纹是焊接中最为普遍的一种裂纹，它是焊后冷至较低温度下产生的。

对于低合金高强钢来讲在Ms附近，是由拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用而产生的。

冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区，个别情况下，如焊接超高强钢或某些铁合金时，也出现在焊缝金属上。

冷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。

冷裂纹有时沿晶界扩展，有时穿晶前进，较多的是沿晶为主兼有穿晶的混合型断裂。

裂纹的分布与最大应力方向有关，纵向应力大，出现横向冷裂纹，横向应力大，出现纵向裂纹。

冷裂纹大致可以分为三类：淬硬脆化裂纹纹、低塑性脆化裂纹和延迟裂纹。

(3)再热裂纹（消除应力裂纹）厚板焊接结构并含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。

由于这种裂纹是再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”，简称SR裂纹。

再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、典氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。

再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约在550-650℃。

这种裂纹具有沿晶开裂的特点，但在本质上与结晶裂纹不同。

(4)层状撕裂当焊接大型厚壁结构时，如果在钢板厚度方向受到较大的拉伸应力，就可能在钢板内部出现沿钢板轧制方向发展的具有阶梯状的裂纹，这种裂纹称为层状撕裂。

层状撕裂常出现在T形接头、角接接头和十字接头中，对接接头中很少出现，但当在焊趾和焊根处由于冷裂纹的诱导也会出现层状撕裂，层状撕裂不发生在焊缝上，只产生在焊接热影响区或母材金属的内部，一般在钢表面上难以发现；由焊趾或焊根冷裂纹诱发的层状撕裂，有可能在这些部位暴露于金属表面。

层状撕裂与钢种强度级别无关，主要与钢中夹杂物的数量及其分布状态有关，在撕裂平台上常发现不同种类的非金属夹杂物。

层状撕裂的危险在于它的隐蔽性，外观上没有任何迹象，现有的无损检测手段难以发现。

发生层状撕裂的结构多为大型厚壁的重要结构，如海洋采油平台、核反应堆压力容器、潜艇外壳等。

（5）应力腐蚀裂纹金属材料在一定温度下受腐蚀介质和拉伸应力共同作用而产生的裂纹称为应力腐蚀裂纹，简称SCC。

由应力腐蚀而引起的断裂没有明显的宏观变形、无任何征兆，破坏具有突发性，裂纹往往深入到金属内部，一旦发生很难修复。

从宏观形态看，应力腐蚀裂纹只产生在与腐蚀介质接触的金属表面，然后由表面向内部延伸，表面看呈多直线状、树枝状、龟裂状或放射状等多种形态，但都没有明显塑性变形，裂纹走向与所受拉应力垂直。

平焊缝上多为垂直焊缝的横向裂纹；而管材焊缝多为平行于焊缝的裂纹。

从微观形态看，深入金属内部的应力腐蚀裂纹呈干枯的树枝状，裂纹断口为典型的脆性断口。

一般情况下，低碳钢、低合金钢、铝合金等多为沿晶断裂。

2.焊接冷裂纹2.1冷裂纹的分类冷裂纹大致可以分为三类：淬硬脆化裂纹纹、低塑性脆化裂纹和延迟裂纹。

淬硬脆化裂纹(淬火裂纹) 。

一些淬硬倾向很大的钢种，焊接时即使没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下就能导致开裂。

它完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的，与氢的关系不大，基本上没有延迟现象。

焊后常立即出现，在热影响区和焊缝上都可发生。

焊接含碳量较高的Ni-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢，以及异种钢等都有可能出现这种裂纹。

低塑性脆化裂纹。

某些塑性较低的材料冷至低温时，由于收缩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。

例如，铸铁补焊、堆焊硬质合金和焊接高铬合金时，就容易出现这类型纹。

通常也是焊后立即产生，无延迟现象。

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，它是冷裂纹中较为常见的一种形态。

延迟现象决定于淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量，其中扩散氢起着非常特殊的作用。

2.2冷裂纹的特征冷裂纹产生于有淬硬倾向的中碳、高碳钢及低合金高强度钢的焊接接头中，裂纹大多在热影响区，通常发源于熔合线附近，有时也出现在高强度钢或钛合金的焊缝中。

其出现的时间具有不确定性，有时出现在焊接过程中，但较多的是在焊后延迟一段时间后才产生，延迟的时间可能几秒钟、几分钟，也可能达数月之久。

从宏观上看冷裂纹的断口具有脆性断裂的特征，有金属光泽，呈人字形发展；从微观上看裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的晶界处，可以沿晶发展也可以穿晶发展，多是沿晶与穿晶断裂的混合。

根据焊接冷裂纹在焊接接头中发生和分布的特征，将焊接冷裂纹分为四种典型情况①焊道下裂纹：裂纹发生于距熔合线0.1-0.2mm的近缝区，这个部位常具有粗大的马氏体组织，裂纹走向与熔合线大体平行，而且一般不显露于焊缝表面。

②焊趾裂纹：即在应力集中的焊趾（焊缝表面与母材交界处）处形成的裂纹，裂纹一般向热影响区的粗晶区发展，有时也向焊缝中发展。

③根部裂纹：即沿应力集中的焊根处形成的裂纹，裂纹可能扩展到热影响区的粗晶区，也可能向焊缝中发展。

根部裂纹是高强钢焊接时最为常见的一种冷裂纹类型。

④横向裂纹：对于淬硬倾向大的合金钢，一般起源于熔合线，沿垂直于熔合线的方向向热影响区及焊缝扩展，常可显露于表面。

在厚板多层焊时，则多发生在距焊缝上表面有一小段距离的焊缝内部，为不显于表面的微裂纹形态，其方向大致垂直于焊缝轴线。

降低焊缝氢含量可以防止这种焊缝横裂纹。

2.2冷裂纹产生的原因焊接接头中的氢含量、钢种的淬硬倾向、焊接接头的拘束应力是形成冷裂纹的三大要素，通常称为生成冷裂纹的三要素。

三大因素之间相互联系、相互依赖，不同条件下起主要作用的因素不同，它们对焊接冷裂纹产生的影响都有各自的内在规律。

2.2.1焊接接头中的氢含量氢在钢中以扩散氢和残余氢两种形式存在。

实验证明，只有扩散氢才会导致焊接冷裂纹，随着焊缝金属中扩散氢含量的增加，冷裂纹率提高。

另外，扩散氢还影响延迟裂纹延时的长短，扩散氢含量越高，延时越短。

焊缝金属二次结晶时要发生金属的相变，金属相变时，氢的溶解度会发生急剧变化。

因为氢在奥氏体中的溶解度大，在铁素体中的溶解度小，当焊缝金属由奥氏体向铁素体转变时，氢的溶解度会突然下降，与此同时，氢的扩散速度突然增加。

氢在铁素体、珠光体中的扩散速度较大，氢很快从焊缝穿过熔合区向未发生分解的奥氏体热影响区中扩散。

氢在奥氏体中的扩散速度小，来不及扩散到距离熔合区较远的母材中，在熔合区附近形成富氢地带。

当滞后相变的热影响区发生奥氏体向马氏体转变时，氢以过饱和状态残存于马氏体中。

如果热影响区存在微观缺陷（显微杂质和微孔等），氢会在这些原有微观缺陷的地方不断扩展，直至形成宏观裂纹。

氢由溶解、扩散、聚集、产生应力以至开裂需要时间，因此具有延迟性。

焊接热影响区中氢的浓度足够高时，能使具有马氏体组织的热影响区进一步脆化，形成焊道下裂纹；氢的浓度稍低时，仅在有应力集中的部位出现裂纹，容易形成焊趾裂纹和焊根2.2.2钢种的淬硬倾向。

焊接时钢种的淬硬倾向越大，就意味着得到更多的马氏体组织，从而越容易产生冷裂纹。

马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，是一种脆硬组织，在一定的应变条件下，马氏体由于变形能力低而容易发生脆性断裂形成裂纹。

焊接接头的淬硬倾向主要取决于钢种的化学成分、焊接工艺、结构板厚度及冷却条件等。

2.2.3焊接接头的拘束应力。

焊接时产生和影响拘束应力的主要因素有①焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中的热应力；②金属相变时由于体积的变化而引起的组织应力；③结构在拘束条件下产生的应力：结构形式、焊接位置、施焊顺序及方向等都会使焊接接头承受不同的应力。

2.3防止冷裂纹的措施主要是对影响冷裂纹产生的三大要素进行控制，如改善焊接接头组织、消除一切氢的来源和尽可能降低焊接应力。

常用措施主要有控制母材的化学成分，合理选用焊接材料和严格控制焊接工艺，必要时采用焊后热处理等。