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1、4314.2.2 4.2.2 焊接冷裂纹焊接冷裂纹一、焊接冷裂纹类型一、焊接冷裂纹类型 1 1基本特征基本特征焊接接头冷却到较低温度下焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说，在对于钢来说，在MsMs温度温度以下以下)产生的焊接裂纹统称冷裂纹。产生的焊接裂纹统称冷裂纹。冷裂纹可以在焊后马上出现，有时却要经过一段时间，冷裂纹可以在焊后马上出现，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。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；钢及钛合金也出现在焊缝上；裂纹的起源多发生在具有
2、缺口效应的焊接热影响区或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匀整的氢聚集的局部地带；物理化学不匀整的氢聚集的局部地带；裂纹的分布与最大应力方向有关。裂纹的分布与最大应力方向有关。4322 2、分类、分类焊接生产中由于接受的钢种、焊接材料不同，结构的焊接生产中由于接受的钢种、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：类型、刚度以及施工的条件不同，大致分为：1)1)淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹 一些淬硬倾向很大的钢种（焊接含碳较高的一些淬硬倾向很大的钢种（焊接含碳较高的Ni-Cr-MoNi-Cr-Mo钢、马氏体不锈钢、工具钢，及异种钢等），焊接钢、马氏体不锈钢、工
3、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时即使没有氢的诱发，仅在拘束应力作用下就能导致开裂。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，完全是由于冷却时发生马氏体相变而脆化所造成的，焊后常马上出现，在热影响区和焊缝上都可产生。焊后常马上出现，在热影响区和焊缝上都可产生。通常接受较高的预热温度和运用高韧性焊条，基本上通常接受较高的预热温度和运用高韧性焊条，基本上可防止这类裂纹。可防止这类裂纹。433 2)2)低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 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
4、收缩而引起的应接高铬合金），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。产生的裂纹。通常也是焊后马上产生，无延迟现象。通常也是焊后马上产生，无延迟现象。3)3)延迟裂纹延迟裂纹 焊后不马上出现，有确定孕育期焊后不马上出现，有确定孕育期(又叫潜藏期又叫潜藏期)，具有，具有延迟现象。延迟现象。确定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷确定于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。金属中的扩散氢含量。434按其发生和分布位置的特征可分为三类：按其发生和分布位置的特征可分为三类：焊趾裂纹焊趾裂
5、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(如咬肉处如咬肉处)。裂纹从表面动身，往厚度的纵深方向扩展，止。裂纹从表面动身，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。于近缝区粗晶部分的边缘，一般沿纵向发展。根部裂纹或称焊根裂纹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，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。也可以起源于焊缝金属的根部。焊道下裂纹焊道下裂纹 产生在靠近焊道之下的热影响区内部，距熔合线约产生在靠近焊道之下的热影响区内部，距熔合线
6、约0.1-0.2mm0.1-0.2mm处，该处常常是粗大马氏体组织。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。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435二、冷裂纹的特征及产朝气理二、冷裂纹的特征及产朝气理 1 1、产生延迟裂纹的三个基本要素、产生延迟裂纹的三个基本要素 钢材的淬硬倾向钢材的淬硬倾向 焊接接头中的氢含量及其分布焊接接头中的氢含量及其分布 焊接接头的拘束应力状态焊接接头的拘束应力状态产生延迟裂纹的孕育期：产生延迟裂纹的孕育期：确定于焊缝金属中扩散氢的含量与焊接接头确定于焊缝
7、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。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。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。氢量比较低，经过不长的孕育期，即有裂纹产生。4362 2、三大要素的作用、三大要素的作用 (1)(1)氢的作用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
8、扩散氢对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干脆影响。钢的焊接冷裂纹起干脆影响。1)1)氢在焊缝中的溶解氢在焊缝中的溶解从图从图4.94.9中可知，氢在铁中的中可知，氢在铁中的溶解度随温度变更很大，并溶解度随温度变更很大，并在凝固点发生突变。由于熔在凝固点发生突变。由于熔池很快由液态凝固，多余的池很快由液态凝固，多余的氢来不及逸出，结果就以过氢来不及逸出，结果就以过饱和状态存在于焊缝中。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437 2)2)氢在焊接区的浓度扩散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，在含量差焊缝中过饱和状态的氢处于
9、不稳定状态，在含量差的作用下会自发地向四周热影响区和大气中扩散。的作用下会自发地向四周热影响区和大气中扩散。这种浓度扩散的速度与温度有关。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。低时，氢的活动受抑制，因此都不会产生冷裂纹。只有在确定温度区间只有在确定温度区间(约约-100-100100)100)氢的作用才显氢的作用才显著，假犹如时有敏感组织和应力存在，就会产生冷著，假犹如时有敏感组织和应力存在，就会产生冷裂纹。裂纹。在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间在预热条件下焊
10、接时，由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间之上停留时间(t100)(t100)较长，大部分氢已在高温下从较长，大部分氢已在高温下从焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢己不焊接区逸出，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缘由足以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的缘由之一。之一。4383)3)氢的组织诱导扩散氢的组织诱导扩散氢在不同组织中的溶解和扩散氢在不同组织中的溶解和扩散实力是不同的，见图实力是不同的，见图5-165-16。在在 中氢具有较大的溶解度，但中氢具有较大的溶解度，但扩散系数较小；在扩散系数较小；在 中氢却具中氢却具有较小的溶解度和较大的扩有
11、较小的溶解度和较大的扩散系数。散系数。图4.10 氢在钢中的溶解度H与扩散系数D随温度的变更439v在焊接过程中，氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散在焊接过程中，氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散的状况如图的状况如图4.114.11所示。所示。v通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是限制在通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是限制在低于母材，因此焊缝金属在较高温度低于母材，因此焊缝金属在较高温度(TAF)(TAF)下就产下就产生相变，即原生相变，即原A A分解为分解为F F和和P 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焊缝A体相变等温面，TAM热影响区A体相变等
12、温面，a、b熔合线43104)4)氢的应力诱导扩散氢的应力诱导扩散v氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它有向有向三向拉应力区扩散的趋势三向拉应力区扩散的趋势。常在应力集中或缺口等。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。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对氢的诱导扩散作用愈大。4311(2)(2)组织的作用组织的作用钢
13、材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越简洁产生钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越简洁产生冷裂纹。冷裂纹。因为马氏体是碳在因为马氏体是碳在 铁中的过饱和固溶体，是一种硬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。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的冷裂敏感性不同，不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不同，假如出现的是板条状低碳马氏体，因假如出现的是板条状低碳马氏体，因MsMs点较高，转点较高，转变后有自回火作用，既有较高的强度又有足够的韧变后有自回火作用，既有较高的强度又有足够的韧性，抗裂性能优于含碳量较高的片状孪晶马氏体。性，抗裂性能
14、优于含碳量较高的片状孪晶马氏体。孪晶马氏体的硬度很高，韧性也很差，对冷裂纹特孪晶马氏体的硬度很高，韧性也很差，对冷裂纹特殊敏感。殊敏感。4312v冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域，这是由于冷裂纹常起源于热影响区的粗晶区域，这是由于晶粒粗大，能显著降低相变温度，同时也使晶界晶粒粗大，能显著降低相变温度，同时也使晶界上偏析物增多，因而使该区冷裂倾向增大。上偏析物增多，因而使该区冷裂倾向增大。v在淬硬组织中具有更多的晶格缺陷，如空位、位在淬硬组织中具有更多的晶格缺陷，如空位、位错等。在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集，错等。在应力作用下这些缺陷会发生移动和聚集，当汇合到确定尺寸，就会形成裂纹源，进
15、一步扩当汇合到确定尺寸，就会形成裂纹源，进一步扩展成宏观裂纹。展成宏观裂纹。v组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为：组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为：v 粗大孪晶马氏体的形成，晶界夹杂物的聚集，粗大孪晶马氏体的形成，晶界夹杂物的聚集，以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂纹倾向增大。以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂纹倾向增大。4313 (3)(3)应力的作用应力的作用 1)1)热应力热应力在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而变更，冷却后在接头上留存着残余应力，其大小及分布确变更，冷却后在接头上留存着残余应力，其大小及分布确定于母材和填充
16、金属的热物理性质、温度场以及结构的刚定于母材和填充金属的热物理性质、温度场以及结构的刚度等，其最大值可达母材的屈服点度等，其最大值可达母材的屈服点ss。2)2)组织应力组织应力高强度钢奥氏体分解时，析出铁素体、珠光体、马氏体等组高强度钢奥氏体分解时，析出铁素体、珠光体、马氏体等组织，由于它们具有不同的膨胀系数，引起了局部体积变更，织，由于它们具有不同的膨胀系数，引起了局部体积变更，从而产生组织应力。从而产生组织应力。3)3)拘束应力拘束应力指的是接头受到外部刚性拘束，焊件收缩不自由而引起的应指的是接头受到外部刚性拘束，焊件收缩不自由而引起的应力。它的大小与结构的厚度和拘束度等合关。力。它的大小
17、与结构的厚度和拘束度等合关。4314 3、三大要素综合影响的评定、三大要素综合影响的评定 在实际焊接中须要有反映出材料淬硬组织在实际焊接中须要有反映出材料淬硬组织(或化学成分或化学成分)、扩散氢和应力三大要素同时对、扩散氢和应力三大要素同时对冷裂纹发生影响的定量关系。国内外学者通过冷裂纹发生影响的定量关系。国内外学者通过大量插销试验，建立了临界断裂应力计算公式，大量插销试验，建立了临界断裂应力计算公式，这些公式较好地反映了这三大要素之间的联系这些公式较好地反映了这三大要素之间的联系和对冷裂纹的影响，还可以用此临界断裂应力和对冷裂纹的影响，还可以用此临界断裂应力作为是否产生冷裂纹的判据。作为是否
18、产生冷裂纹的判据。(1)日本溶接学会举荐公式日本溶接学会举荐公式cr=(86.3-211Pcm-28.21g(H+1)+2.73t8/5+9.710-3t100)9.84315式中，式中，cr插销试验的临界断裂应力插销试验的临界断裂应力(MPa)；Pcm合金元素的裂纹敏感系数合金元素的裂纹敏感系数()；H按日本标准甘油法按日本标准甘油法(JIS31131975)测定测定的扩散氢含量的扩散氢含量(mL100g)；t8/5熔合区旁边从熔合区旁边从800到到500的冷却时间的冷却时间(s)；t100熔合区旁边从最高温度熔合区旁边从最高温度(约约1350)到到100的冷却时间的冷却时间(s)。4316
19、(2)天津高校张文钺等人举荐公式：天津高校张文钺等人举荐公式：cr（132.3-27.5g(H-1)-0.216HV+0.0102t100)9.8式中，式中，H按按GBl2251976法测定的扩散氢含量法测定的扩散氢含量(mL100g)；HV热影响区的平均最大硬度热影响区的平均最大硬度(维氏维氏)。表 两个临界断裂应力公式应用范围4317v假如能通过试验或计算得出实际焊接结构假如能通过试验或计算得出实际焊接结构(如船舶、如船舶、桥梁、压力容器等桥梁、压力容器等)焊接接头的拘束应力焊接接头的拘束应力，就可以，就可以与由两个临界断裂应力公式计算出的临界断裂应力与由两个临界断裂应力公式计算出的临界断
20、裂应力作比较作比较:v 当当cr 时时,不裂。不裂。43185.4.3 冷裂倾向的判据冷裂倾向的判据如何依据焊接结构的材料，结构和工艺特点去推断其如何依据焊接结构的材料，结构和工艺特点去推断其冷裂纹倾向或其敏感性，是焊接工作者最关切的的冷裂纹倾向或其敏感性，是焊接工作者最关切的的问题，因为它是评定金属材料焊接性的重要依据。问题，因为它是评定金属材料焊接性的重要依据。1、与材料化学成分有关的判据、与材料化学成分有关的判据 主要从材料淬硬程度方面去评定其冷裂倾向，因主要从材料淬硬程度方面去评定其冷裂倾向，因为钢材的淬硬倾向越大，越简洁产生冷裂纹。为钢材的淬硬倾向越大，越简洁产生冷裂纹。43191)
21、国际焊接学会国际焊接学会(IIW)举荐的公式举荐的公式此式适用于中高强度此式适用于中高强度(b500900MPa级级)非调质高非调质高强度钢。当强度钢。当CEIIW0.45时，厚度在时，厚度在25mm以内的以内的钢板焊接时不预热，也不裂。钢板焊接时不预热，也不裂。2)美国焊接学会美国焊接学会(AWS)提出的公式提出的公式此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。一般认为板厚在此式适用于低碳钢和低合金高强度钢。一般认为板厚在25mm以内以内CEAWS0.4，可不预热，焊接也不裂。，可不预热，焊接也不裂。43203)日本日本JIS及及WES举荐的公式举荐的公式适用于强度适用于强度b5001000MPa级低
22、碳调质低合金高级低碳调质低合金高强钢，认为强钢，认为CEWES0.46可以不预热，焊接也可以不预热，焊接也不裂。不裂。4321(2)临界冷却时间临界冷却时间Cf在热影响区熔合线旁边从在热影响区熔合线旁边从A3冷至冷至500起先出现铁素体起先出现铁素体组织的临界时间组织的临界时间Cf可以作为焊接热影响区冷裂倾向可以作为焊接热影响区冷裂倾向的判据，即的判据，即 t8/5 Cf 可能产生冷裂可能产生冷裂Cf可利用所探讨钢种的焊接热影响区可利用所探讨钢种的焊接热影响区CCT图确定。图确定。43222 与接头含氢量有关的判据与接头含氢量有关的判据v高强度钢焊接接头中的含氢量越多，则裂纹倾向越大。高强度钢
23、焊接接头中的含氢量越多，则裂纹倾向越大。当由于氢的扩散、聚集，使接头中局部地区的含氢量达当由于氢的扩散、聚集，使接头中局部地区的含氢量达到某一数值而产生裂纹时，此含氢量即为产生冷裂纹的到某一数值而产生裂纹时，此含氢量即为产生冷裂纹的临界含氢量临界含氢量HCr。v临界含氢量临界含氢量HCr与钢的化学成分、刚度、预热温度以及与钢的化学成分、刚度、预热温度以及接头的冷却条件等有关。临界含氢量随着钢种碳当量提接头的冷却条件等有关。临界含氢量随着钢种碳当量提高而减小。高而减小。v当实际热影响区的含氢量当实际热影响区的含氢量H大于或等于大于或等于HCr时，就可时，就可能产生冷裂纹。能产生冷裂纹。4323图
24、 碳当量与临界含氢量的关系43243与接头拘束度有关的判据与接头拘束度有关的判据 (1)临界拘束度临界拘束度Rcr：衡量焊接接头刚性大小的一个衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标。定量指标。拘束度有拉伸和弯曲两类：拘束度有拉伸和弯曲两类：拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移时，焊缝每单位长度上受力的大小；性位移时，焊缝每单位长度上受力的大小；弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。4325 对接接头的拘束度对接接头的拘束度R随板
25、厚随板厚增加而增大，增加而增大，随拘束距离随拘束距离L的增大而减小。当拘束度增大的增大而减小。当拘束度增大到某一数值时，接头出现裂纹，此时的到某一数值时，接头出现裂纹，此时的R值值称临界拘束度称临界拘束度Rcr。焊接接头的临界拘束度。焊接接头的临界拘束度Rcr值越大，说明该接头的冷裂敏感性越小。值越大，说明该接头的冷裂敏感性越小。假照实际结构的拘束度为假照实际结构的拘束度为R，则不产生冷裂，则不产生冷裂纹的条件为：纹的条件为：Rcr R随着钢种强度级别提高，其临界拘束度降低，随着钢种强度级别提高，其临界拘束度降低，产生冷裂纹的倾向大。产生冷裂纹的倾向大。4326(2)临界拘束应力临界拘束应力c
26、r焊接接头冷却过程中起先产生冷裂纹的拘束应力称临焊接接头冷却过程中起先产生冷裂纹的拘束应力称临界拘束应力界拘束应力cr。它可以接受各种冷裂纹试验方法。它可以接受各种冷裂纹试验方法定量地测定出来，也可用阅历公式进行计算。定量地测定出来，也可用阅历公式进行计算。焊接接头实际的拘束应力焊接接头实际的拘束应力可通过试验或按拘束度可通过试验或按拘束度R的的关系来确定，即关系来确定，即 mRm为转换系数，它与钢材的热物理性能、接头结构特为转换系数，它与钢材的热物理性能、接头结构特点、工艺条件有关。当点、工艺条件有关。当cr 时不裂。时不裂。43274、综合性判据、综合性判据 冷裂纹的产生事实上是钢材的化学
27、成分、接头的冷裂纹的产生事实上是钢材的化学成分、接头的扩散氢含量及接头拘束度三方面的因素综合作用的扩散氢含量及接头拘束度三方面的因素综合作用的结果。前面所述，通过插销试验得出临界断裂应力结果。前面所述，通过插销试验得出临界断裂应力cr，即属于综合性判据。，即属于综合性判据。4328三、冷裂纹的防止措施三、冷裂纹的防止措施 1 1、限制母材的化学成分、限制母材的化学成分 从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材，从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材，把好进料关。把好进料关。尽量选择碳当量尽量选择碳当量CECE或冷裂纹敏感系数或冷裂纹敏感系数PcmPcm小小的钢材，因为钢种的的钢材，因为钢种的CECE
28、或或PcmPcm越高，淬硬倾向越越高，淬硬倾向越大，产生冷裂纹的可能性越大。大，产生冷裂纹的可能性越大。43292 2合理选择和运用焊接材料合理选择和运用焊接材料 主要目的是削减氢的来源和改善焊缝金属的主要目的是削减氢的来源和改善焊缝金属的塑性和韧性。塑性和韧性。(1)(1)选用低氢和超低氢焊接材料选用低氢和超低氢焊接材料碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量比酸性焊条低，碱性焊条熔敷金属中的扩散氢含量比酸性焊条低，所以碱性焊条的抗冷裂纹性能大大优于酸性焊条。所以碱性焊条的抗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，原则上都对于重要的低合金高强度钢结构的焊接，原则上都应选用碱性焊
29、条。应选用碱性焊条。(2)(2)严格烘干焊条或焊剂严格烘干焊条或焊剂焊条和焊剂要妥加保管，不能受潮。焊前必需严格焊条和焊剂要妥加保管，不能受潮。焊前必需严格烘干，运用碱性焊条更应如此。烘干，运用碱性焊条更应如此。随着烘干温度上升，焊条扩散氢含量明显下降。随着烘干温度上升，焊条扩散氢含量明显下降。4330(3)(3)选用低匹配焊条选用低匹配焊条选择强度级别比母材略低的焊条有利于防止冷裂纹，选择强度级别比母材略低的焊条有利于防止冷裂纹，因强度较低的焊缝不仅本身冷裂倾向小，而且由于因强度较低的焊缝不仅本身冷裂倾向小，而且由于它较易塑性变形，从而降低了接头的拘束应力，使它较易塑性变形，从而降低了接头的
30、拘束应力，使焊趾、焊根等部位的应力集中效应相对减小，改善焊趾、焊根等部位的应力集中效应相对减小，改善了热影响区的冷裂倾向。了热影响区的冷裂倾向。还可接受还可接受“软层焊接软层焊接”的方法去制造一些高强度钢的的方法去制造一些高强度钢的球形容器和反应堆外壳。即用抗裂性能好的焊条作球形容器和反应堆外壳。即用抗裂性能好的焊条作底层、内层接受与母材等强度的焊条，而表层底层、内层接受与母材等强度的焊条，而表层2 26mm6mm接受稍低于母材的焊条，这样可增加焊缝金属接受稍低于母材的焊条，这样可增加焊缝金属的塑性储备，降低焊接接头的拘束内力，从而提高的塑性储备，降低焊接接头的拘束内力，从而提高其抗裂性能。其
31、抗裂性能。4331(4)(4)选用奥氏体焊条选用奥氏体焊条接受奥氏体焊条焊接淬硬倾向较大的低、中合金高强接受奥氏体焊条焊接淬硬倾向较大的低、中合金高强度钢能很好地避开冷裂纹。因为奥氏体焊缝可以溶度钢能很好地避开冷裂纹。因为奥氏体焊缝可以溶解较多的氢，同时奥氏体的塑性好，可以减小接头解较多的氢，同时奥氏体的塑性好，可以减小接头的拘束应力。的拘束应力。留意：留意：奥氏体焊缝强度低，对承受主应力的焊缝，只奥氏体焊缝强度低，对承受主应力的焊缝，只有在接头强度允许的状况下才能运用；在运用时要有在接头强度允许的状况下才能运用；在运用时要接受小的焊接电流，使熔合比减小；假如焊接电流接受小的焊接电流，使熔合比
32、减小；假如焊接电流大，熔合比的增大将使焊缝边界过渡层的大，熔合比的增大将使焊缝边界过渡层的CrCr、NiNi稀稀释，在过渡层中可能出现淬硬的马氏体组织，而增释，在过渡层中可能出现淬硬的马氏体组织，而增大冷裂倾向。运用奥氏体焊条焊接高强度钢时，仍大冷裂倾向。运用奥氏体焊条焊接高强度钢时，仍旧要限制含氢量。旧要限制含氢量。4332(5)(5)提高焊缝金属韧性提高焊缝金属韧性 通过焊接材料在焊缝中增加某些微量合金元素，通过焊接材料在焊缝中增加某些微量合金元素，如钛、铌、钼、钒、硼、碲、稀土等来韧化焊缝，如钛、铌、钼、钒、硼、碲、稀土等来韧化焊缝，也能减小冷裂纹倾向。因为在拘束应力作用下，利也能减小冷
33、裂纹倾向。因为在拘束应力作用下，利用焊缝足够的塑性储备，可以减轻热影响区的负担，用焊缝足够的塑性储备，可以减轻热影响区的负担，从而提高整个接头的抗裂性。从而提高整个接头的抗裂性。43333.3.正确制订焊接工艺正确制订焊接工艺 包括合理选定焊接热输入、预热及层间温度、焊后包括合理选定焊接热输入、预热及层间温度、焊后热处理和正确的施焊依次等。目的在于改善热影响热处理和正确的施焊依次等。目的在于改善热影响区和焊缝组织，促使氢的逸出以及削减焊接拘束应区和焊缝组织，促使氢的逸出以及削减焊接拘束应力。力。(1)(1)严格限制焊接热输入严格限制焊接热输入高强度钢对焊接热输入较为敏感。高强度钢对焊接热输入较
34、为敏感。热输入取得过大，会使热影响区奥氏体晶粒粗化，接热输入取得过大，会使热影响区奥氏体晶粒粗化，接头韧性下降，降低其抗裂性能；头韧性下降，降低其抗裂性能；热输入取得过小，则冷却速度大，易淬硬而增大其冷热输入取得过小，则冷却速度大，易淬硬而增大其冷裂倾向。裂倾向。合理的作法应当是在充分保证焊接接头韧性的前提下，合理的作法应当是在充分保证焊接接头韧性的前提下，适当加大焊接热输入。这样可以增大冷却时间适当加大焊接热输入。这样可以增大冷却时间(t8/5(t8/5或或t100)t100)减小热影响区的淬硬倾向和有利于氢的扩散减小热影响区的淬硬倾向和有利于氢的扩散逸出，达到防止冷裂纹的产生。逸出，达到防
35、止冷裂纹的产生。对每种钢经工艺试验或评定合格的焊接热输入，都应对每种钢经工艺试验或评定合格的焊接热输入，都应严格执行，不能随意变动。严格执行，不能随意变动。4334(2)(2)合理选择预热温度合理选择预热温度预热的主要目的是为了增大热循环的低温参数预热的主要目的是为了增大热循环的低温参数t100t100，使之有利于氢的充分扩散逸出。使之有利于氢的充分扩散逸出。预热温度的选择须视施焊环境温度、钢材强度等级、预热温度的选择须视施焊环境温度、钢材强度等级、焊件厚度或坡口形式、焊缝金属中扩散氢含量等因焊件厚度或坡口形式、焊缝金属中扩散氢含量等因素而定。素而定。有很多确定预热温度的方法，下向介绍其中几种
36、：有很多确定预热温度的方法，下向介绍其中几种：1)1)依据钢材碳当量和板厚确定预热温度，见图依据钢材碳当量和板厚确定预热温度，见图4-124-12和和表表4-14-1。碳当量按美国焊接学会。碳当量按美国焊接学会(AWS)(AWS)提出的公式确提出的公式确定。定。4335表表4-1 4-1 不同焊接性等级的钢材应接受的施工条件不同焊接性等级的钢材应接受的施工条件图图4-12 4-12 施焊条件与碳当量施焊条件与碳当量43363)3)按化学成分、板厚和扩散氢含量确定的预热温度按化学成分、板厚和扩散氢含量确定的预热温度由斜由斜Y Y形坡口的铁研式抗裂试验所建立的阅历公式形坡口的铁研式抗裂试验所建立的
37、阅历公式T0T01440Pc1440Pc392392式中，式中，T0T0预热温度预热温度()()；Pc Pc冷裂纹敏感指数。冷裂纹敏感指数。上式适用于上式适用于w(c)0.17w(c)0.17的低合金钢，的低合金钢，HH1 15mL5mL100g100g，191950mm50mm范围。范围。国产低合金钢在插销试验条件下确定的阅历公式：国产低合金钢在插销试验条件下确定的阅历公式：T0T0324Pcm324Pcm17.7H+0.14b+4.72-21417.7H+0.14b+4.72-214式中式中,b,b被焊金属的抗拉强度被焊金属的抗拉强度(MPa)(MPa)。4337v按上述公式确定的是整体预
38、热温度。按上述公式确定的是整体预热温度。v对于大型焊接结构，接受整体预热有困难，常接受对于大型焊接结构，接受整体预热有困难，常接受局部预热。通常是在焊缝两侧各局部预热。通常是在焊缝两侧各100-200mm100-200mm范围内范围内进行。进行。v局部预热温度不宜过高，否则要产生附加应力。最局部预热温度不宜过高，否则要产生附加应力。最好接受履带式电热器或火焰加热器进行局部预热。好接受履带式电热器或火焰加热器进行局部预热。v预热温度基本确定之后，尚须依据下列状况作适当预热温度基本确定之后，尚须依据下列状况作适当调整：调整：v 当施焊环境温度较低时，如当施焊环境温度较低时，如-10-10，预热温度
39、应，预热温度应适当提高；适当提高；v 接受低氢的焊接方法时接受低氢的焊接方法时,如如CO2CO2气体爱护焊或氩气体爱护焊或氩弧焊等，其预热湿度可适当降低；弧焊等，其预热湿度可适当降低；4338 接受低匹配的焊接材料焊接时，也可以降低预接受低匹配的焊接材料焊接时，也可以降低预热温度；热温度；坡口根部所造成的应力集中越显著时，其预热坡口根部所造成的应力集中越显著时，其预热温度就应适当提高；温度就应适当提高；如焊后实行紧急后热，也可以适当降低预热温如焊后实行紧急后热，也可以适当降低预热温度。度。留意留意:预热对防止冷裂纹有效，但终归是一种消极措预热对防止冷裂纹有效，但终归是一种消极措施，更不是预热温
40、度越高越好。预热温度过高不施，更不是预热温度越高越好。预热温度过高不仅恶化工人劳动条件，而且奢侈能源。假如是局仅恶化工人劳动条件，而且奢侈能源。假如是局部预热，还会引起附加应力，反而促使冷裂纹的部预热，还会引起附加应力，反而促使冷裂纹的产生。所以预热温度的确定要慎重。产生。所以预热温度的确定要慎重。4339(3)(3)紧急后热紧急后热 冷裂纹一般在焊后一段时间后才产生，如在裂冷裂纹一般在焊后一段时间后才产生，如在裂纹产生之前能刚好进行加热处理，即所谓紧急后热，纹产生之前能刚好进行加热处理，即所谓紧急后热，也能达到防止冷裂纹的目的。也能达到防止冷裂纹的目的。紧急后热工艺的关键在于刚好，确定要在热
41、影紧急后热工艺的关键在于刚好，确定要在热影响区冷却到产生冷裂纹的上限温度响区冷却到产生冷裂纹的上限温度Tuc(Tuc(一般在一般在100100左右左右)之前快速加热，加热的温度也应高于之前快速加热，加热的温度也应高于TucTuc，并且需保温确定时间。，并且需保温确定时间。后热的作用是使扩散氢在温度后热的作用是使扩散氢在温度TucTuc以上便能充分以上便能充分扩散逸出。若焊后间隔时间较长，裂纹已经产生才扩散逸出。若焊后间隔时间较长，裂纹已经产生才后热就失去意义。后热就失去意义。选用合适的后热温度，可以适当降低预热温度选用合适的后热温度，可以适当降低预热温度或代替某些重大焊件的中间热处理，达到改善
42、劳动或代替某些重大焊件的中间热处理，达到改善劳动条件等目的。条件等目的。后热不仅能消氢，也能韧化热影响区和焊缝组后热不仅能消氢，也能韧化热影响区和焊缝组织，特殊对于一些淬硬倾向较大的中碳调质钢，效织，特殊对于一些淬硬倾向较大的中碳调质钢，效果更明显。果更明显。4340v钢的碳当量越高，后热所需温度也越高。避开冷钢的碳当量越高，后热所需温度也越高。避开冷裂纹的后热温度及后热时间如图裂纹的后热温度及后热时间如图4-134-13所示，后热温所示，后热温度越高则所需后热时间就越短。度越高则所需后热时间就越短。4-13 4-13 避开冷裂纹的后热温度刚好间（焊前预热避开冷裂纹的后热温度刚好间（焊前预热1
43、30130）图4341(4)(4)接受多层焊接受多层焊多层焊时，后层对前层有消氢和改善热影响区组织多层焊时，后层对前层有消氢和改善热影响区组织的作用，前层焊道的余热又相当于对后层焊道进行的作用，前层焊道的余热又相当于对后层焊道进行了预热。了预热。多层焊时的预热温度可比单层焊时适当降低。要使多层焊时的预热温度可比单层焊时适当降低。要使多层焊发挥消氢作用关键在于限制层间温度不能低多层焊发挥消氢作用关键在于限制层间温度不能低于预热温度。于预热温度。如条件允许，应尽量接受短段多层焊，使每一焊道如条件允许，应尽量接受短段多层焊，使每一焊道的间隔时间不宜过长。但也不宜过短，因层间温度的间隔时间不宜过长。但
44、也不宜过短，因层间温度过高，又会引起接头过热脆化。过高，又会引起接头过热脆化。43424.4.加强工艺管理加强工艺管理很多焊接裂纹事故并不是由于母材或焊材选择不当或很多焊接裂纹事故并不是由于母材或焊材选择不当或结构设计不合理，更多的是由于施工质量差所造成。结构设计不合理，更多的是由于施工质量差所造成。因此要防止冷裂纹，在施工中应留意：因此要防止冷裂纹，在施工中应留意：1)1)彻底清理焊接坡口彻底清理焊接坡口 焊前对焊接坡口及其两侧约焊前对焊接坡口及其两侧约10mm10mm的范围应用砂轮的范围应用砂轮等工具细致清理，去除锈迹、油污和水分等。并防等工具细致清理，去除锈迹、油污和水分等。并防止己清理
45、过的坡口被再次污染。止己清理过的坡口被再次污染。2)2)保证焊条或焊剂的烘干保证焊条或焊剂的烘干 未经烘干的焊条或焊剂不得运用。若条件允许，未经烘干的焊条或焊剂不得运用。若条件允许，每位焊工都配备焊条保温筒，保证用前焊条处于干每位焊工都配备焊条保温筒，保证用前焊条处于干燥状态。燥状态。43433)3)提高装配质量提高装配质量避开出现过大错边或过大的装配间隙，以免造成未焊避开出现过大错边或过大的装配间隙，以免造成未焊透、夹渣或焊缝成形不良等缺陷；透、夹渣或焊缝成形不良等缺陷；尽量不运用夹具进行强制装配，以免造成过大的装配尽量不运用夹具进行强制装配，以免造成过大的装配应力和拘束应力，这些都会增加冷
46、裂纹倾向。应力和拘束应力，这些都会增加冷裂纹倾向。4)4)保证焊接质量保证焊接质量对于重要焊接结构，如压力容器等，严格焊工持证上对于重要焊接结构，如压力容器等，严格焊工持证上岗制度，确定按工艺规程操作，防止发生气孔、夹岗制度，确定按工艺规程操作，防止发生气孔、夹杂、未焊透，咬边等工艺缺陷，这些缺陷构成局部杂、未焊透，咬边等工艺缺陷，这些缺陷构成局部应力集中，成为氢的富集场所，从而增加了冷裂纹应力集中，成为氢的富集场所，从而增加了冷裂纹倾向。倾向。5)5)留意施工环境留意施工环境 避开在阴雨潮湿天气中施工，冬天在室外焊接时，避开在阴雨潮湿天气中施工，冬天在室外焊接时，要有防风雪措施，以免焊缝过快的冷却。要有防风雪措施，以免焊缝过快的冷却。