第17講 焊接冷裂紋

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1、第四章焊接氣孔和裂紋第17講1434.2.2焊接冷裂紋一、焊接冷裂紋類型1．基本特征焊接接頭冷卻到較低溫度下(對于鋼來說，在Ms溫度以下)產(chǎn)生的焊接裂紋統(tǒng)稱冷裂紋。冷裂紋可以在焊后立即出現(xiàn)，有時卻要經(jīng)過一段時間，如幾小時，幾天，甚至更長時間才出現(xiàn)。多數(shù)出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)，但一些厚大焊件和超高強鋼及鈦合金也出現(xiàn)在焊縫上；裂紋的起源多發(fā)生在具有缺口效應(yīng)的焊接熱影響區(qū)或物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶；裂紋的分布與最大應(yīng)力方向有關(guān)。2432、分類焊接生產(chǎn)中由于采用的鋼種、焊接材料不同，結(jié)構(gòu)的類型、剛度以及施工的條件不同，大致分為：1)淬硬脆化裂紋一些淬硬傾向很大的鋼種（焊接含

2、碳較高的Ni-Cr-Mo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼，及異種鋼等），焊接時即使沒有氫的誘發(fā)，僅在拘束應(yīng)力作用下就能導(dǎo)致開裂。完全是由于冷卻時發(fā)生馬氏體相變而脆化所造成的，焊后常立即出現(xiàn)，在熱影響區(qū)和焊縫上都可產(chǎn)生。通常采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性焊條，基本上可防止這類裂紋。3432)低塑性脆化裂紋某些塑性較低的材料（鑄鐵補焊、堆焊硬質(zhì)合金和焊接高鉻合金），冷至低溫時，由于收縮而引起的應(yīng)變超過了材料本身所具有的塑性儲備或材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋。通常也是焊后立即產(chǎn)生，無延遲現(xiàn)象。3)延遲裂紋焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕育期(又叫潛伏期)，具有延遲現(xiàn)象。決定于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭

3、的應(yīng)力狀態(tài)和熔敷金屬中的擴散氫含量。443按其發(fā)生和分布位置的特征可分為三類：①焊趾裂紋起源于母材與焊縫交界的焊趾處，并有明顯應(yīng)力集中的部位(如咬肉處)。裂紋從表面出發(fā)，往厚度的縱深方向擴展，止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣，一般沿縱向發(fā)展。②根部裂紋或稱焊根裂紋起源于坡口的根部間隙處，可以起源于母材的近縫區(qū)金屬，也可以起源于焊縫金屬的根部。③焊道下裂紋產(chǎn)生在靠近焊道之下的熱影響區(qū)內(nèi)部，距熔合線約0.1-0.2mm處，該處常常是粗大馬氏體組織。裂紋走向大體與熔合線平行，一般不顯露于焊縫表面。圖4.8三種冷裂紋示意圖1——焊趾裂紋，2——根部裂紋，3——焊道下裂紋543二、冷裂紋

4、的特征及產(chǎn)生機理1、產(chǎn)生延遲裂紋的三個基本要素①鋼材的淬硬傾向②焊接接頭中的氫含量及其分布③焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生延遲裂紋的孕育期：決定于焊縫金屬中擴散氫的含量與焊接接頭所處的應(yīng)力狀態(tài)的交互作用。相應(yīng)于某一應(yīng)力狀態(tài)，焊縫金屬中含氫量愈高，裂紋的孕育期愈短，裂紋傾向就愈大。當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)惡劣，拉應(yīng)力水平高時，即使含氫量比較低，經(jīng)過不長的孕育期，即有裂紋產(chǎn)生。6432、三大要素的作用(1)氫的作用氫是引起的冷裂紋具有延遲的特征，稱為氫致裂紋。氫在鋼中分為殘余的固溶氫和擴散氫，只有擴散氫對鋼的焊接冷裂紋起直接影響。1)氫在焊縫中的溶解從圖4.9中可知，氫在鐵中的溶解度隨溫度變

5、化很大，并在凝固點發(fā)生突變。由于熔池很快由液態(tài)凝固，多余的氫來不及逸出，結(jié)果就以過飽和狀態(tài)存在于焊縫中。圖4.9氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系7432)氫在焊接區(qū)的濃度擴散焊縫中過飽和狀態(tài)的氫處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在含量差的作用下會自發(fā)地向周圍熱影響區(qū)和大氣中擴散。這種濃度擴散的速度與溫度有關(guān)。溫度很高時，氫很快從焊接接頭擴散出去；溫度很低時，氫的活動受抑制，因此都不會產(chǎn)生冷裂紋。只有在一定溫度區(qū)間(約-100℃～100℃)氫的作用才顯著，如果同時有敏感組織和應(yīng)力存在，就會產(chǎn)生冷裂紋。在預(yù)熱條件下焊接時，由于在冷裂紋敏感溫度區(qū)間之上停留時間(t100)較長，大部分氫已在高溫下從

6、焊接區(qū)逸出，降至較低溫度時，殘留的擴散氫己不足以引起冷裂紋，這就是預(yù)熱可防止冷裂紋的原因之一。8433)氫的組織誘導(dǎo)擴散氫在不同組織中的溶解和擴散能力是不同的，見圖5-16。在γ中氫具有較大的溶解度，但擴散系數(shù)較??；在α中氫卻具有較小的溶解度和較大的擴散系數(shù)。圖4.10氫在鋼中的溶解度[H]與擴散系數(shù)D隨溫度的變化943在焊接過程中，氫原子從焊縫向焊接熱影響區(qū)擴散的情況如圖4.11所示。通常焊接高強度鋼時焊縫金屬的含碳量總是控制在低于母材，因此焊縫金屬在較高溫度(TAF)下就產(chǎn)生相變，即原A分解為F和P。圖4.11高強度鋼HAZ延遲裂紋形成過程（箭頭表示原子氫擴散方向）

7、TAF——焊縫A體相變等溫面，TAM——熱影響區(qū)A體相變等溫面，a、b——熔合線10434)氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴散氫在金屬中的擴散還受到應(yīng)力狀態(tài)的影響，它有向三向拉應(yīng)力區(qū)擴散的趨勢。常在應(yīng)力集中或缺口等有塑性應(yīng)變的部位產(chǎn)生氫的局部聚集，使該處最早達到氫的臨界含量，這就是氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴散現(xiàn)象。應(yīng)力梯度愈大，氫擴散的驅(qū)動力也愈大，也即應(yīng)力對氫的誘導(dǎo)擴散作用愈大。1143(2)組織的作用鋼材的淬硬傾向越大或馬氏體數(shù)量越多，越容易產(chǎn)生冷裂紋。因為馬氏體是碳在α鐵中的過飽和固溶體，是一種硬脆組織，發(fā)生斷裂只需消耗較低的能量。不同化學(xué)成分和形態(tài)的馬氏體組織