第讲 焊接冷裂纹

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。
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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。
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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。
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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。
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。

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 7
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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。
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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。
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；
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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。
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。