第17讲 焊接冷裂纹.ppt

1、第43、1、4章焊接气孔和裂纹，第17回、43、2、4.2.2焊接冷裂纹1、焊接冷裂纹类型1基本特征焊接接头在比较低的温度下(对钢来说在Ms温度以下)产生的焊接裂纹总称为冷裂纹。 冷裂纹可以在焊接后立即发生，但有时需要几个小时、几天甚至更长的时间。 多出现在焊接热影响部，但一部分厚壁大焊接物、超高强度钢和钛合金也出现在焊接部，裂纹的起源与有切口效应的焊接热影响部和物理化学上不均匀的氢聚集的局部地带多发生的裂纹的分布与最大应力方向有关。43、3、2，根据分类焊接生产所采用的钢种、焊接材料，结构的类型、刚性及施工条件有所不同，大致分为：1)淬火脆化裂纹稍大的钢种(含碳高的Ni-Cr-Mo钢、马氏体

2、系不锈钢)焊接完全冷却时通常，使用高预热温度和高韧性焊条可以基本防止这种裂纹。 43、4、2 )有低塑性脆化裂纹的塑性低的材料(铸铁修补焊接、堆焊硬质合金和焊接高铬合金)，冷却到低温时，收缩引起的应变超过材料自身所具有的塑性储藏和材质变脆引起的裂纹。 通常也是焊接后立即发生，没有延迟现象。 3 )延迟裂纹焊接后不立即出现，有一定的培育期间(也称为潜伏期)，有延迟现象。 由钢种的淬火倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量决定。 43、5，根据其产生和分布位置的特征，止焊端裂纹发生于母材与焊接边界的止焊端，有明显的应力集中的部位(如咬壁部位)。 裂纹从表面向厚度的深度方向扩展，停留在近缝

3、区域的粗晶部分的边缘，一般向纵向发展。 根部裂纹和焊接根部裂纹可以从被称为坡口的根部间隙产生，也可以从母材的近缝部金属产生，还可以从焊接金属的根部产生。 焊道下的裂纹在接近焊道下的热影响部的内部，在距熔接线约0.1-0.2mm的地方发生，这里多为粗大的马氏体组织。 裂纹的行进与熔接线大致平行，不出现在焊接表面。 图4.8三种冷裂纹模式图1焊趾裂纹、2根部裂纹、3焊道下裂纹、43、6、2、冷裂纹的特征和产生机理1， 产生延迟裂纹三个基本要素钢材的淬火硬倾向焊接接头中的氢含量和其分布焊接接头的约束应力状态中产生延迟裂纹的育成期：根据焊接金属中的扩散氢含量和由焊接接头中的应力状态决定的应力状态，焊接

4、金属中的氢含量越高，裂纹的育成期间越短如果应力状态差、拉伸应力水平高，则即使氢含量比较低，也会经过长的培育期，即产生裂纹。 43、7、2、3大要素的作用(1)氢的作用氢具有引起的冷裂纹延迟的特征，被称为氢诱发裂纹。 氢在钢中分为残馀的固溶氢和扩散氢，只有扩散氢直接影响钢的焊接冷裂纹。 1 )氢在焊道中的溶解从图4.9可以看出，氢在铁中的溶解度随温度的变化很大，在凝固点发生了急剧变化。 熔池很快从液态中凝固，因此多才多艺的氢无法逃逸，结果以过饱和状态存在于焊接中。 图4.9氢在铁中的溶解度与温度的关系，43、8、2 )焊接部的浓度扩散焊接中过饱和状态的氢处于不稳定状态，根据含量差自发地向周围热影

5、响部和大气中扩散。 这种浓度扩散的速度与温度有关。 温度高时，氢从焊接接头立即扩散，温度低时，氢的运动受到抑制，因此不会发生冷裂纹。氢的作用仅在一定的温度区间(约-100100 )显着，敏感的组织和应力同时存在时会发生冷裂纹。 在预热条件下进行焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间上滞留时间(t100 )长，大部分氢在高温下从焊接部逃逸，下降到低温时，残留的扩散氢不足以引起冷裂纹，这是预热防止冷裂纹的原因之一。 (43、9、3 )根据氢的组织诱导扩散氢的组织的不同，溶解和扩散能力不同(参照图516 )。 中氢溶解度大，但扩散系数小，中氢溶解度小，扩散系数大。 图4.10氢在钢中的溶解度h和扩散系数d

6、的温度变化、43、10、焊接过程中，氢原子从焊接向焊接热影响部扩散的情况如图4.11所示。 通常，在焊接高强度钢时，焊接金属的碳含量总是控制得比母材低，因此焊接金属在比较高的温度(TAF )下相变，即原料a分解成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) TAF焊接a体相变等温面、TAM热影响区a体相变等温面、a、b熔接线、43、11、4 )氢在应力诱导扩散氢金属中的扩散受应力状态的影响，它是三向拉伸应力集中或缺损等塑性应变的应力梯度越大，氢扩散的驱动力也越大，即应力对氢的感应扩散作用也越大。 43、12、(2)组织作用钢材的淬火倾向越大，或者马氏体数越多，越容

7、易产生冷裂纹。 马氏体是铁中碳的过饱和固溶体，是硬脆的组织，因此断裂发生只能消耗较低的能量。 由于不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不同，板状低碳马氏体出现后，由于Ms点高，转变后有自燃作用，具有高强度和充分韧性，抗裂性能优于含碳量高的板状双晶马氏体。 孪晶马氏体硬度高，韧性差，对冷裂纹特别敏感。 43、13、冷裂纹多来自热影响部的粗晶区域，这是因为晶粒粗大，能够显着降低相变温度，并且在晶界偏析物也变多，因此增大了该区域的冷裂纹倾向。 淬火组织中大量存在孔隙、位错等晶格缺陷。 由于应力，这些缺陷发生移动和凝聚，聚集到一定尺寸后形成裂纹源，进一步扩展到宏观裂纹。 组织对冷裂纹敏感性的影响

8、，粗大双晶马氏体的形成、晶界夹杂物的凝聚以及高晶格缺陷密度都可以归结为促进冷裂纹倾向的增大。 43、14、(3)应力的作用1 )热应力在接头上不同位置的热应力，其方向和大小根据焊接热循环而变化，冷却后接头上残留有残馀应力，其大小和分布由母材和填充金属的热物性、温度场和结构的刚性等决定，其最大值达到母材的屈服点s。 2 )组织应力高的钢奥氏体分解时，铁素体、珠光体、马氏体等组织析出，由于它们具有不同的膨胀系数，引起局部的体积变化，产生组织应力。 3 )约束应力是指接头受到外部刚性约束，焊接物的收缩不自由引起的应力。 其大小与结构的厚度和约束度等有关。 对43、15、3、3三大要素综合影响的评定，

9、在实际焊接中需要反映材料淬火组织(或化学成分)、扩散氢和应力三大要素同时影响冷裂纹的定量关系。 国内外学者通过大量闩锁试验，建立了临界破坏应力的修正公式，这些公式很好地反映了这三个要素之间的关系和对冷裂纹的影响，并可以把这个临界破坏应力作为是否发生冷裂纹的判断标准。(1)日本焊接学会推荐式Cr=(86.3-211 PCM-28.21 g (h1)2. 73 t8/5. 710-3 t 100 )9. 8、43、16，式中，cr Pcm合金元素的裂纹敏感系数()； h通过日本标准甘油法(JIS31131975 )测定的扩散氢含量(mL100g) t8/5熔接区域附近的从800到500的冷却时间(

10、s) t100熔接区域附近的从最高温度(约1350 )到100的冷却时间(s )。 43、17、(2)天津大学张文铎等的推荐式： Cr (132.3-27.5 g (h-1 )-0.216hv0. 0102 t 100 )9. 8式中，h是按压GBl2251976的HV热影响部的平均最大硬度(维氏)。 表示两个临界断裂应力公式的适用范围43、18，如果实际焊接结构(如船舶、桥梁、压力容器等)的焊接接头的约束应力能够通过实验或修正算出，则与根据两个临界断裂应力公式修正的临界断裂应力相比，在cr时不裂纹。 43、19、5.4.3冷裂倾向的判断标准是根据焊接结构的材料、结构和工艺特征判断冷裂倾向或其

11、敏感性，是焊接作业者最关心的问题，也是评价金属材料可焊性的重要依据。 1 .有关材料化学成分的判断标准主要从材料淬火程度的方面评价其冷裂纹倾向。 这是因为钢材的淬火倾向越大，越容易发生冷裂纹。 43、20、1 )国际焊接学会(IIW )推荐的公式该公式适用于中高强度(b500900MPa级)非调质高强度钢。 CEIIW0.45的情况下，厚度25mm以内的钢板在焊接时既不预热也不裂纹。 2 )美国焊接学会(AWS )提出的式子适用于低碳钢和低合金高强度钢。 板厚在25mm以内的CEAWS0.4被认为既不预热也不焊接也不裂纹。 43、21、3 )日本JIS及WES推荐的公式适用于强度b500100

12、0MPa级低碳调质低合金高强度钢，CEWES0.46不预热，焊接也不裂纹。 43、22、(2)临界冷却时间Cf在热影响部熔接线附近从A3冷到500出现铁素体组织的临界时间Cf可以作为焊接热影响部冷裂倾向的判断基准，即t8/5 Cf可能发生冷裂的Cf可以利用研究钢种的焊接热影响部CCT图确定。 关于43、23、2接头的氢含量的判断基准高强度钢焊接接头中的氢含量越多，裂纹倾向越大。 由于氢的扩散、凝聚，中继手中的局部氢含量达到某个值而产生裂纹时，该氢含量成为产生冷裂纹的临界氢含量HCr。 临界氢含量HCr与钢的化学成分、刚性、预热温度及接头的冷却条件等有关。 临界氢含量随钢种碳当量的升高而减少。

13、实际热影响部的氢含量h在HCr以上时，有可能发生冷裂纹。43、24、图的碳当量与临界氢含量的关系、43、25、3接头约束度相关的判断标准(1)临界约束度Rcr :测定焊接接头刚性大小的定量指标。 约束度有拉伸和弯曲两种：拉伸约束度是在焊接接头的根部间隙产生每单位长度的弹性位移时，焊接每单位长度受到的力的大小，弯曲约束度是在焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时，焊接每单位长度受到的弯曲电动机43、26、对接接头的约束度r随板厚的增加而增大，随约束距离l的增加而减小。 约束度增大到某个值时，接头产生裂纹，此时的r值称为临界约束度Rcr。 焊接接头的临界约束度Rcr值越大，表示该接头的冷裂纹敏感性越小。

14、 设实际结构的约束度为r，不发生冷裂纹的条件是，RcrR随着钢种的强度水平提高临界约束度降低，发生冷裂纹的倾向大。43、27、(2)临界约束应力cr焊接接头冷却过程中开始产生冷裂纹的约束应力称为临界约束应力cr。 它可以用各种冷裂纹试验方法定量测定，也可以用经验式修正。 焊接接头的实际约束应力可以由实验或约束度r的关系确定，即mR m是变换系数，与钢材的热物理性能、接头结构特征、工艺条件有关。 cr时不破裂。、43、28、4，综合基准冷裂纹的发生实际上是钢材化学成分、接头扩散氢含量及接头约束度三个因素综合作用的结果。 如上所述，锁存试验的临界破坏应力cr是综合的判断基准。43、29、3、防止冷

15、裂纹的措施1、控制母材的化学成分，在设定修订上，首先要选择耐冷裂纹性能好的钢材，切断良好的供给。 尽量选择碳当量CE和冷裂纹敏感系数Pcm小的钢材。 因为钢种的CE和Pcm越高淬火倾向越大，发生冷裂纹的可能性越高。 合理选择使用43、30、2焊接材料的主要目的是减少氢的来源，改善焊接金属的塑性和韧性。 (1)由于选择了低氢和超低氢焊接材料的碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量低于酸性焊条，因此碱性焊条的耐冷裂纹性能大大优于酸性焊条。 对于重要的低合金高强度钢结构的焊接，原则上选用碱性焊条。 (2)请严格干燥保管焊条或焊剂焊条和焊剂，避免受潮。 焊接前要严格干燥，最好使用碱性焊条。 随着干燥温度的升高

16、，焊条的扩散氢含量显着降低。 43、31、(3)选择低匹配焊条并选择强度等级比母材稍低的焊条有利于防止冷裂纹，强度低的焊接不仅自身的冷裂纹倾向小，而且容易塑性变形，因此降低接头的约束应力，使焊趾、焊根等部位的应力集中效果相对减少另外，也可以采用“软层焊接”的方法，制造几个高强度钢球形容器和原子炉壳。 即采用耐裂性能好的焊条作为底层，内层采用母材等和强度较低的焊条，表层26mm采用比母材稍低的焊条，可以增加焊接金属的塑性储能，降低焊接接头的约束内力，提高耐裂性能。 (43、32、(4)使用奥体焊棒焊接淬火倾向大的低、中合金高强度钢能够很好地避免冷裂纹。 奥氏体焊接能够溶解很多氢，并且由于奥氏体的

17、塑性良好，因此能够减小接头的约束应力。 注意：奥氏体焊接的强度低，承受主应力的焊接，只有在接头强度允许的情况下才能使用。使用时请采用小的焊接电流，减小熔敷比焊接电流大时，由于熔敷比的增大，焊接边界过渡层的Cr、Ni被稀释，过渡层中淬火硬的马氏体组织使用奥氏体焊条焊接高强度钢时，仍然需要限制氢含量。 43、33、(5)通过提高焊接金属的韧性的焊接材料，在焊接中追加钛、铌、钼、钒、硼、碲、稀土类等微量合金元素而强化焊接，也能够减小冷裂纹的倾向。 这是因为，通过约束应力，能够利用焊接的充分的塑性贮存，减轻热影响部的负担，提高接头整体的耐裂纹性。 43、34、3 .正确制定焊接工艺包括合理选择焊接线能量、预热及层间温度、焊接后热处理和正确焊接顺序等。 目的是改善热影响区和焊接组织，促进氢的逸出，减少焊接约束应力。 (1)严格控制焊接线能量高强度钢对焊接线能量敏感。 热输入过大时，热影响部的奥氏体晶粒粗化，接头韧性降低，其耐裂纹性能降低，热输入过小时，冷却速度大，容易淬火的冷裂纹倾向变大。 合理的做法是在充分确保焊接接头韧性的基础上，适当增大焊接线能量。 由此，增大冷却时间(t8/5或t100 )，减小热影响部的淬火倾向，有利于氢的扩散逸出