焊接冷裂纹

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第60页（3224字）

1．冷裂纹的一般特征

(1)产生的温度和时间：冷裂纹是在焊接后较低的温度下产生的。对于易淬硬的高强钢来讲，冷裂纹一般是在焊后冷却过程中马氏体转变点附近或200～300℃以下的温度区间发生的。冷裂纹可以在焊后立即出现，也有的裂纹要经过一段时间才出现，也有的裂纹数量开始少，随时间延长逐渐增多，对于这些不是在焊后立即出现的冷裂纹，称为延迟裂纹，是冷裂纹中一种比较普遍的形态。由于延迟裂纹不是在焊后立即可以发现的，需要延迟一段时间，甚至在使用过程中才会发现，因此，其危害性比其他形态的裂纹更为严重。

(2)产生的部位和方向：冷裂纹多发生在热影响区或热影响区与焊缝交界的熔合线上，但有时也可能产生在焊缝上，冷裂纹可能出现的部位如图2－13所示。根据冷裂纹产生的部位，通常将冷裂纹分为三种：

图2－13 冷裂纹可能出现的部位

1－焊道下裂纹 2－焊趾裂纹 3－焊根裂纹

1)焊道下裂纹：这种裂纹常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的热影响区，一般情况下，裂纹的方向与熔合线平行，但也有时垂直于熔合线。

2)焊趾裂纹：这种裂纹起源于焊缝和母材的交界处，并有明显的应力集中点，裂纹的方向经常与焊缝纵向平行，一般由焊趾的表面开始，向母材深处延伸。

3)根部裂纹：这种裂纹比较常见，主要发生在使用含氢量较高的焊条和预热温度不足或不预热的情况下。这种裂纹也是起源于焊缝根部的最大应力处，根部裂纹可能发生在焊接热影响区，也可能发生在焊缝金属内。

(3)金相特点：冷裂纹的断裂有时沿晶界扩展，有时穿晶前进，与焊接接头当时所处的应力状态和金相组织有关。

(4)外观特点：冷裂纹的断裂表面没有氧化色彩，表明冷裂纹是在较低温度时产生的。

2．冷裂纹产生的原因

冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金或中合金高强度钢的热影响区，但某些合金成分较高的超高强钢、钛及钛合金等金属，冷裂纹有时也产生在焊缝上。大量的生产实践和理论研究证明，促成冷裂纹的主要因素有三个方面，即钢种的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头受到的拘束应力。

(1)钢种的淬硬倾向：焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。因为，钢种的淬硬倾向越大，就意味着得到更多的马氏体组织。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、结构板厚及冷却条件等。

(2)氢的作用：氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素之一，并且使之具有延迟的特征，通常把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”，其形成过程如下：

焊缝金属二次结晶时要发生金属的相变，金属相变时，不仅氢的溶解度会发生急剧的变化，同时氢的扩散能力也会有很大的不同。实践表明，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，氢的溶解度会突然降低，与此同时，氢的扩散速度在奥氏体向铁素体转变时突然增加。焊接高强钢时，焊缝金属的含碳量总是被控制低于母材，因此，焊缝在较高的温度就发生了相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体等，此时，热影响区的金属尚未开始奥氏体的分解，当焊缝金属发生由奥氏体向铁素体组织转变时，氢的溶解度突然降低，同时，氢在铁素体、珠光体中的扩散速度比较大，因此，此时氢就很快地从焊缝穿过熔合区向尚未发生分解的奥氏体的热影响区中扩散，而氢在奥氏体中的扩散速度较小，还来不及扩散到距离熔合区较远的母材方面去，因此在熔合区附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区发生奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残存于马氏体中。如果热影响区存在一些微观缺陷，如显微杂质和微孔，氢便会在这些缺陷处发生聚集，并由原子状态转变为分子状态，形成较大的压力，促使这些原有微观缺陷的地方不断扩展，直至形成宏观的裂纹。氢由溶解、扩散、聚集、产生应力以致开裂是需要时间的，具有延迟现象，因此称为延迟裂纹。

热影响区中氢的浓度足够高时，能使热影响区的马氏体进一步脆化，就会形成焊道下裂纹，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裂纹。

(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如下：

1)焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中所产生的热应力：

2)金属相变时由于体积的变化而引起的组织应力；

3)结构拘束条件下产生的应力：结构形式、焊缝位置、施焊顺序及方向、部件自身刚性、冷却过程中其他受热部位的收缩以及夹持部件的松紧程度都会使焊接接头承受不同的应力。

上述三大因素对冷裂纹产生的影响都有各自的内在规律，但它们之间又存在着相互联系和相互依赖的关系。

3．预防冷裂纹的措施

(1)冶金措施：

1)采用优质的低氢高韧焊接材料。

2)严格控制氢的来源：焊前烘干焊条和焊剂，仔细清除焊件焊接区和焊丝上的污染物，如油、水、锈等。

3)通过焊接材料向焊缝添加合金元素，细化焊缝晶粒组织，提高焊缝金属的塑性，有利于防止冷裂纹的产生。

4)采用奥氏体焊条，奥氏体组织塑性好，可以减少焊接接头残余应力，同时，奥氏体组织的焊缝可以溶解较多的氢。

(2)工艺措施：

1)焊前预热：采用焊前预热是防止冷裂纹的有效措施。

2)后热或焊后缓冷：采取焊后继续加热，减缓焊后冷却速度，使扩散氢能充分从焊缝逸出，对于防止延迟裂纹有明显的效果。

3)合适的焊接线能量：焊接线能量越大，则焊接接头的冷却时间越长，因而热影响区可以减轻或避免淬火，同时也有利于氢的逸出，可以降低冷裂纹的倾向；但焊接线能量的调整很有限，线能量太大时，在热影响区内可能产生过热组织，晶粒粗大，反而会降低焊接接头的抗裂性能。

4)焊后热处理：一些高强度钢的厚壁容器，大刚度的焊接结构，以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，常要求焊后进行回火处理，一方面能消除焊接残余应力，另一方面能改善组织，使已产生的马氏体高温回火，并能进一步脱氢，对于消除延迟裂纹，改善热影响区的塑性都有较好的效果。