焊接冷裂纹总结

焊接冷裂纹断口形貌的分析（1985年）

许玉环，张文钺，杜则裕，赵忠，陈邦固

1.冷裂纹的断口形貌可分为三个区域，即启裂区，扩展区和最后断裂区。

2.当材料的Pcm较大时，粗晶区出现粗大的板条马氏体，启裂区易出现沿晶断口和塑性变形较小的准解理断口。当材料的Pcm较小时，粗晶区出现铁素体等非淬硬组织，启裂区则易出现塑性变形较大的准解理和韧窝断口。当材料的Pcm由大到小变化时，扩展区由沿晶断口逐渐变化为韧窝断口。冷裂纹断裂区中，塑性断裂的程度增大，即韧窝断口的比例增加。既使在淬硬倾向较大的15MnV(A)中，断裂区中也出现了带有沿晶特点的韧窝断口。但由于材料的不同，韧窝特点也不同，随Pcm的减小，韧窝细化。

3.当钢种材料的Pcm较高时(18MnMoNb)，粗晶区往往出现粗大的板条马氏体组织，这种组织对氢敏感，本身塑性很差，往往在低应力下发生破坏。其启裂区、扩展区主要是沿晶断口，并有少量的准解理断口。当钢种材料的Pcm较小时，粗晶区往往有铁素体等非淬硬组织的存在，这时粗晶区塑性较好，且对氢敏感性差，所以整个断口都会显示出塑性断裂的特征。

4.冷裂纹三个阶段的断口形貌发生了很大变化。一般而言，扩展区中脆性断口比例最大，而断裂区中往往有撕裂剪唇的塑性断口存在。这是由于在扩展区中，冷裂纹的扩展速度较慢，在应力吸附的作用下，氢易于聚集到裂纹尖端，从而使该区域的组织脆化，致使脆性断口的

面积增加。当裂纹扩展到一定阶段后，出现失稳，裂纹出现快速扩展，直至插销最后断裂。在快速扩展中，由于氢不能迅速聚集到裂纹尖端，从而该区域组织的塑性较好，所以断裂区中往往有较多的韧窝断口存在。

5.尽管属于同样的断口形态，但由于钢材及焊接时冷却情况等的不同，其断裂特

征仍有一定的差别。在断裂区中，钢种随Po，的增加，韧窝断口的特征为:DR(细)一DR(较粗)一DR(沿晶)。

6.加载应力较高时，容易出现韧窝断口，而加载应力较低时，容易出现沿晶断口。

7.当钢材的冷裂敏感指数Pcm，熔敷金属中扩散氢含量[H]增加或外加应力下降时，断口中沿晶断口增加，反之则会出现韧窝断口。

焊前预热对高强钢焊接冷裂纹的影响（1993年）

胡中其，郑政

1.影响焊接冷裂纹三大因素的条件很多，但在实际生产中，钢种的化学成分、板厚及接头型式都已由设计确定，通常的焊条烘干、坡口清理、焊环境也都有常规要求，防止焊接冷裂纹就主要依靠调整焊接线能量和选择合适的预热温度了(当然也包括后热处理)。

2.预热温度对冷却时间的影响比线能量对冷却时间的影响要大些。而且线能量过大，会引起热影响区过热，使晶粒长大，降低接头的抗裂性能。同时线能量的调整还受到焊条直径、焊缝位置等条件的约束，调节范围有限，而预热温度的调节范围相对来说就大多了。

3.预热温度的选定取决于钢种的化学成分、焊缝金属含氢量、板厚、拘束度等条件。进行一系列试验，固然可以找到最佳预热温度。但根据实际条件，借助某些试验图表、数据，进行必要的运算，同样可以优选出最佳预热温度，满足生产需要，达到有效防止高强钢焊接时产生冷裂纹的目的。

4.在低合金高强钢的焊接中，氢是引起焊接冷裂纹的重要因素之一。焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大。由于热源的高温作用，加之药皮水分，空气中的湿气等条件，焊缝金属中溶解了很多氢。在冷却过程中，这些氢的动态行为有:外逸、扩散、聚集。在较高温度下，大部分扩散氢可逸出金属，而残余扩散氢含量在局部地区聚集到产生裂纹的临界浓度时，就会引起开裂并可能扩展。扩散氢在局部地区聚集，与氢在不同金相组织中的溶解度和扩散速度不同有关。

低合金高强钢焊接时之所以容易产生延迟裂纹，就是因为氢在奥氏体中的溶解度大，扩散速度较小，而在铁素体、珠光体中则溶解度下降，扩散速度很快。低合金钢焊缝金属含碳量低于母材，故在冷却过程中先于母材热影响区发生奥氏体分解，分解成铁素体、珠光体时氢的溶解度突然下降，扩散速度却很快，于是氢很快地从焊缝越过溶合线向尚未发生分解的热影响区奥氏体扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快地把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因此在熔合线附近就形成富氢地带。如果这个部位有缺口效应，氢便发生聚集，达到临界浓度值时，便可产生裂纹。氢致延迟裂纹既与应力状态有关，也与温度有密切关系。温度太高，氢易逸出，温度太低，氢

的扩散受到抑制。因此延迟破坏只是在一个温度区间发生，一般在-100～100℃。

图（a）氢在铁中的溶解度图（b）氢在不同组织的钢中的扩散速度

5.预热不仅可以降低焊接应力，而且可以提高钢的临界拘束应力。所谓临界拘束应力，就是焊接时产生的拘束应力不断增大，直至开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力，记作σcr。它实际上反映了产生延迟裂纹各个因素的共同作用结果。σcr值可用作评定冷裂纹敏感性的判据，σcr越大，则冷裂敏感性越小。

焊接冷裂纹临界冷却时间判据tcr的建立（1994年）

许玉环，张文钺，徐德禄

1.多年来，许多焊接工作者已经建立了各种冷裂判据:如碳当量、焊接热影响区(HAZ)最大硬度、冷裂敏感指数、临界应力、临界拘束度等。插销试验临界应力研究的比较多，但与实际结构的情况有较大差异，不能反映结构的坡口形式和受力状态。临界拘束度作为判据比较

合理，但试验装置比较复杂，并且接头受力常超出弹性范围，而处于弹塑状态，如何进行修正，尚处于研究阶段。至于碳当量、HAZ最大硬度、裂纹敏感指数等判据，往往只考虑单一的因素，因而有很大的局限性。

2.日本的百合冈等人提出了以临界冷却时间t cr为判据，由t cr与实际结构某部位接头的冷却时间t100相比:t cr《t100 安全；t cr>t100 裂。

3.以t cr为判据来判定冷裂敏感性，无论从理论上还是工程上都比较合理。因为从峰值温度冷至100℃的冷却时间t100对氢的逸出有重要影响。根据菊田等人的研究，氢的聚集开始于焊后冷到150-100℃，在焊后1-2h氢聚集达到最大值，然后逐渐耗散，氢聚集的位置主要在熔合区有缺口效应的部位。由以上看来，冷却达到100℃后，焊接区的残余扩散氢才是真正诱发裂纹的氢含量。

另一方面冷却时间t100的长短，对焊接接头的组织变化及拘束应力的大小也都有重要的影响。因此，采用临界冷却时间t cr能够综合反应钢的碳当量水平、接头扩散氢含量、焊接线能量、预热、后热及接头的拘束条件等对冷裂纹敏感性的影响。所以不同的临界冷却时间t cr 就反映了不同的冷裂纹敏感性，也就是说t cr可以作为焊接接头冷裂倾向的判据。

应力/应变场对插销试验焊接接头氢扩散的影响（2002年）

张显辉, 陈佩寅, 谭长瑛

结论：(1)静载拉伸使插销缺口尖端产生了较大的应力集中。随着载荷的增大,缺口尖端应力集中区域逐渐增大,但应力集中系数逐渐减