第17讲 焊接冷裂纹

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1、第四章焊接气孔和裂纹第17讲1434.2.2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；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。2432、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

2、碳较高的Ni-Cr-Mo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。3432)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

3、的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。443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0.1-0.2mm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。图4.8三种冷裂纹示意图1——焊趾裂纹，2——根部裂纹，3——焊道下裂纹543二、冷裂纹

4、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。6432、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

5、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，结果就以过饱和状态存在于焊缝中。图4.9氢在铁中的溶解度与温度的关系7432)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

6、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。8433)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943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。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）

7、TAF——焊缝A体相变等温面，TAM——热影响区A体相变等温面，a、b——熔合线10434)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。1143(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