5.3 焊接裂纹-冷裂纹

第三节焊接冷裂纹一、冷裂纹的危害性及其一般特征（一）冷裂纹的危害性建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重（二）冷裂纹的一般特征高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，Ms点附近或更低的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径，有时是沿晶界扩展，有时是穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织和应力状态及氢的含量等而定。这一点不像热裂纹那样，都是沿晶界开裂。冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间（几小时，几天甚至更长）才出现。开始少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是冷裂纹中比较普遍的一种形态。由于延迟裂纹不是在焊后立即可以了现，需延迟一段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害性就更为严重。冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中。二、冷裂纹的种类延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下三种。（一）焊趾裂纹这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位（如咬肉处）。裂纹的走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展，如图5-40中A所示。（二）焊道下裂纹这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行，但也有垂直熔线的，如图5-40中B和图5-41所示。（三）根部裂纹这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下，这种裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在焊缝金属中，这决定于母材和焊缝的强韧程度，以及根部的形状，如图5-42所示。三、焊接冷裂纹的机理钢种的淬硬倾向、焊接接头含量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素[11、20、21]。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。（一）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、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，因此，采用高强度钢建造焊接结构就受到限制。为什么钢淬硬之后会引起开裂呢？1．形成脆硬的马氏体组织马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹是易于形成和扩展。2．淬硬会形成更多的晶格缺陷金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。主要是空位和位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。（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”。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，氢的溶解度急剧下降，而氢的扩散速度恰好相反，由奥氏体转变为铁素体时突然增大。焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力进行扩散。3.氢在致裂过程中的动态行为由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝在较高的温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体，以及低碳马氏体等（根据焊缝的化学成分和冷却速度而定）。此时母材热影响区金属尚未开始奥氏体分解（因含碳高，发生滞后相变）。当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快的从焊缝越过熔和线向尚未发生分解的奥氏体影响区扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合线附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这一地区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应，并且氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓度更高，可是马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。4.延迟裂纹的开裂机理（见下图）冷裂纹的延迟行为主要是由氢引起的。氢的应力扩散理论：金属内部的缺陷（包括微孔、微夹杂和晶格缺陷等）提供了潜在裂源，在应力的作用下，这些微观缺陷的前沿形成的三向应力区，诱使氢向该处扩散并聚集，应力随之提高。当氢的浓度达到一定程度时，一方面产生较大的应力，另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当应力进一步加大时，促使缺陷扩散。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。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。（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。四、影响焊接冷裂纹的主要因素钢种的化学成分、焊接时的拘束应力或拘束度、氢的有害作用以及焊接条件等（如焊接材料、线能量、预热、后热和多层焊等）对冷裂敏感性有较大影响。（一）钢种化学成分的影响关于化学成分对冷裂敏感性的影响，实质上就是对钢淬硬倾向的影响。钢种的碳当量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性。（二）拘束应力的影响拘束应力是焊接时产生裂纹的必备条件，然而正确地估算焊接拘束应力的大小是十分困难的。一般来讲，板厚越大，则拘束度也越大。（三）氢的有害影响焊接完了的瞬间，在冷却过程中，氢除向表面逸出氢之处，还向母材热影响区扩散。然而，这种扩散是不均匀的，常在有塑性应变和微观缺陷的部位发生氢的聚集，使这个部位很快达到临界氢浓度在熔合线和焊根部位使氢发生聚集，特别是采用硬质焊缝（高匹配）时，焊根处氢浓度聚集严重。此外，改变坡口形式（改善应力集中程度）和采用预热、后热等，均可不同程度地降低氢的聚集。氢在扩散过程中，由于金属组织和微观结构的变化，常在熔合区附近发生氢的聚集。氢气泡的动态逸出（四）焊接工艺对冷裂纹的影响施工中所采用的焊接工艺，如焊接材料、焊接线能量、焊前预热、后热、多层焊，以及焊接顺序等对冷裂纹均有不同程度的影响。1．焊接线能量的影响线能量过大，会引起近缝区晶粒粗大，降低接头的抗裂性能；线能量过小，又会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而也增大冷裂倾向。因此，对于不同钢种应选用最佳的焊接线能量。2．预热的影响预热可以在效地防止冷裂纹，但合理地选择预热温度是十分重要的。预热温度过高，一方面恶化了劳动条件，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，反而会促使产生冷裂。3．焊后后热的影响焊后进行紧急后热，可使扩散氢充分逸出，在一一程度上有降低残余应力的作用，也可适当改善组织，降低淬硬性。4．多层焊的影响多层焊由于后层对前层有消氢和改善热影响区组织的作用，因此，多层焊时的预热温度可比单层焊适当降低。应当指出，多层焊时应应尽可能严格控制层间预热温度或后热温度，以便使扩散氢逸出，否则，氢量会发生逐层积累。与此同时，在多次加热的条件下，会产生较大的残余应力，从而导致冷裂倾向反而增大。五、焊接冷裂纹的防止（一）冶金方面一方面采用低碳多种微量合金元素的强化方式，在提高强度的同时，也保证具有足够的韧性。另一方面，采用精炼技术尽可能降低钢中的杂质，使之硫、磷、氧、氮等元素控制在极低的水平。选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接方法，它是防止冷裂纹的有效措施之一。采用CO2气体保护焊，由于具有一定的氧化性，故而也可获得低氢焊缝，碱性药芯焊丝并配合CO2气体保护，同样也可得到低氢焊缝。严格控制氢的来源也是降氢的重要途径。认真焊前处理，对焊丝与钢板坡口附近的铁锈、油污等应仔细清理。采用钛、铌、钼、钒、硼、碲、稀土等微量元素来韧化焊缝，提高焊缝金属的韧性，也可提高抗冷裂的能力。采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的中、低合金钢强钢，也能很好的避免冷裂纹（二）工艺方面焊接工艺一般包括正确制定施工程序、选择焊接线能量、预热温度、焊后后热，以及焊后热处理等。为改善接头的应力状态，应合理地选择焊缝匹配、注意焊缝的分布位置和施焊的顺序。正确的焊前预热和焊后后热。对于多层焊，保持好层间温度，一般应不低于预热温度，但也不应高于预热温度的30℃以上。采用低匹配的焊缝。控制好焊接内部、外观质量，防止强制组对造成很大的应力。