第17講_焊接冷裂紋

1、431 第四章第四章 焊接氣孔和裂紋焊接氣孔和裂紋 第17講 432 4.2.2 4.2.2 焊接冷裂紋焊接冷裂紋 一、焊接冷裂紋類型一、焊接冷裂紋類型 1 1基本特征基本特征 v焊接接頭冷卻到較低溫度下焊接接頭冷卻到較低溫度下( (對于鋼來說，在對于鋼來說，在MsMs溫度以下溫度以下) )產(chǎn)產(chǎn) 生的焊接裂紋統(tǒng)稱冷裂紋。生的焊接裂紋統(tǒng)稱冷裂紋。 v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)。幾小時，幾天，甚至更長時間才出現(xiàn)。 v多數(shù)出現(xiàn)在多數(shù)出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)，但一些厚大焊件和超高強(qiáng)鋼及，但

2、一些厚大焊件和超高強(qiáng)鋼及 鈦合金也出現(xiàn)在鈦合金也出現(xiàn)在焊縫焊縫上；上； v裂紋的起源多裂紋的起源多發(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化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶； v裂紋的分布與最大應(yīng)力方向有關(guān)裂紋的分布與最大應(yīng)力方向有關(guān)。 433 2 2、分類、分類 v焊接生產(chǎn)中由于采用的鋼種、焊接材料不同，結(jié)構(gòu)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：的類型、剛度以及施工的條件不同，大致分為： 1) 1)淬硬脆化裂紋淬硬脆化裂紋 v一些淬硬傾向很大的鋼種（一些淬硬傾向很大的鋼種（焊接含碳較

3、高的焊接含碳較高的Ni-Cr-Ni-Cr- MoMo鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼，及異種鋼等）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。能導(dǎo)致開裂。 v完全是由于冷卻時發(fā)生馬氏體相變而脆化所造成的，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。焊后常立即出現(xiàn)，在熱影響區(qū)和焊縫上都可產(chǎn)生。 v通常采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性焊條，基本通常采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性焊條，基本 上可防止這類裂紋上可防止這類裂紋。 434 2) 2)低塑性脆化裂紋低塑性

4、脆化裂紋 v某些塑性較低的材料（鑄鐵補(bǔ)焊、堆焊硬質(zhì)合金和某些塑性較低的材料（鑄鐵補(bǔ)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。而產(chǎn)生的裂紋。 v通常也是焊后立即產(chǎn)生，無延遲現(xiàn)象通常也是焊后立即產(chǎn)生，無延遲現(xiàn)象。 3) 3)延遲裂紋延遲裂紋 v焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕育期焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕育期( (又叫潛伏期又叫潛伏期) )，具，具 有延遲現(xiàn)象有延遲現(xiàn)象。 v決定于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和熔決定于鋼種的淬硬傾向

5、、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和熔 敷金屬中的擴(kuò)散氫含量敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。 435 按其發(fā)生和分布位置的特征可分為三類：按其發(fā)生和分布位置的特征可分為三類： 焊趾裂紋焊趾裂紋 v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 位位( (如咬肉處如咬肉處) )。裂紋從表面出發(fā)，往厚度的縱深方向擴(kuò)展，裂紋從表面出發(fā)，往厚度的縱深方向擴(kuò)展， 止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣，一般沿縱向發(fā)展。止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣，一般沿縱向發(fā)展。 根部裂紋或稱焊根裂紋根部裂紋或稱焊根裂紋 v起源于坡口的根部間隙處起源于坡口的根部間隙處，可以起源于，可以起源于母材的近縫區(qū)金屬

6、母材的近縫區(qū)金屬， 也可以起源于也可以起源于焊縫金屬的根部。焊縫金屬的根部。 焊道下裂紋焊道下裂紋 v產(chǎn)生在產(chǎn)生在靠近焊道之下的熱影響區(qū)內(nèi)部，距熔合線約靠近焊道之下的熱影響區(qū)內(nèi)部，距熔合線約0.1-0.1- 0.2mm0.2mm處處，該處常常是，該處常常是粗大馬氏體組織粗大馬氏體組織。 v裂紋裂紋走向大體與熔合線平行走向大體與熔合線平行，一般不顯露于焊縫表面。，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 436 二、冷裂紋的特征及產(chǎn)生機(jī)理二、冷裂紋的特征及產(chǎn)生機(jī)理 1 1、產(chǎn)生延遲裂紋的三個基本要素、產(chǎn)生延遲裂紋的三個基本要素 鋼材的淬硬傾向鋼材的

7、淬硬傾向 焊接接頭中的氫含量及其分布焊接接頭中的氫含量及其分布 焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài) v產(chǎn)生延遲裂紋的孕育期：產(chǎn)生延遲裂紋的孕育期： 決定于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量與焊接接頭決定于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量與焊接接頭 所處的應(yīng)力狀態(tài)的交互作用。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。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)生氫量比較低，經(jīng)過不長的孕育期，即有

8、裂紋產(chǎn)生。 437 2 2、三大要素的作用、三大要素的作用 (1)(1)氫的作用氫的作用 v氫是引起的冷裂紋具有延遲的特征，稱為氫是引起的冷裂紋具有延遲的特征，稱為氫致裂紋。氫致裂紋。 v氫在鋼中分為殘余的固溶氫和擴(kuò)散氫，氫在鋼中分為殘余的固溶氫和擴(kuò)散氫，只有擴(kuò)散氫只有擴(kuò)散氫 對鋼的焊接冷裂紋起直接影響對鋼的焊接冷裂紋起直接影響。 1) 1)氫在焊縫中的溶解氫在焊縫中的溶解 v從圖從圖4.94.9中可知，中可知，氫在鐵中氫在鐵中 的溶解度隨溫度變化很大，的溶解度隨溫度變化很大， 并在凝固點(diǎn)發(fā)生突變并在凝固點(diǎn)發(fā)生突變。由于。由于 熔池很快由液態(tài)凝固，多余熔池很快由液態(tài)凝固，多余 的氫來不及逸出，

9、結(jié)果就以的氫來不及逸出，結(jié)果就以 過飽和狀態(tài)存在于焊縫中。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 438 2) 2)氫在焊接區(qū)的濃度擴(kuò)散氫在焊接區(qū)的濃度擴(kuò)散 v焊縫中過飽和狀態(tài)的氫處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在含量焊縫中過飽和狀態(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(kuò)差的作用下會自發(fā)地向周圍熱影響區(qū)和大氣中擴(kuò) 散。散。這種濃度擴(kuò)散的速度與溫度有關(guān)這種濃度擴(kuò)散的速度與溫度有關(guān)。 v溫度很高時，氫很快從焊接接頭擴(kuò)散出去溫度很高時，氫很快從焊接接頭擴(kuò)散出去；溫度溫度 很低時，氫的活動受抑制，因此都不會產(chǎn)生冷裂很低時，氫的活動受抑制，因此都不會產(chǎn)生冷裂 紋

10、。紋。 v只有只有在一定溫度區(qū)間在一定溫度區(qū)間( (約約-100-100100)100)氫的作用才氫的作用才 顯著，如果同時有敏感組織和應(yīng)力存在，就會產(chǎn)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。生冷裂紋。 v在在預(yù)熱條件預(yù)熱條件下焊接時，由于在冷裂紋敏感溫度區(qū)下焊接時，由于在冷裂紋敏感溫度區(qū) 間之上停留時間間之上停留時間( (t t100 100) )較長，大部分氫已在高溫下從 較長，大部分氫已在高溫下從 焊接區(qū)逸出，降至較低溫度時，殘留的擴(kuò)散氫己焊接區(qū)逸出，降至較低溫度時，殘留的擴(kuò)散氫己 不足以引起冷裂紋，不足以引起冷裂紋，這就是預(yù)熱可防止冷裂紋的這就是預(yù)熱可防止冷裂紋的 原因之

11、一原因之一。 439 3) 3)氫的組織誘導(dǎo)擴(kuò)散氫的組織誘導(dǎo)擴(kuò)散 v氫在不同組織中的溶解和擴(kuò)氫在不同組織中的溶解和擴(kuò) 散能力是不同的，見圖散能力是不同的，見圖5-165-16。 v在在 中氫具有較大的溶解度，中氫具有較大的溶解度， 但擴(kuò)散系數(shù)較?。辉诘珨U(kuò)散系數(shù)較??；在 中氫卻中氫卻 具有較小的溶解度和較大的具有較小的溶解度和較大的 擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)。 圖4.10 氫在鋼中的溶解度H 與擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度的變化 4310 v在焊接過程中，氫原子從焊縫向焊接熱影響區(qū)擴(kuò)散在焊接過程中，氫原子從焊縫向焊接熱影響區(qū)擴(kuò)散 的情況如圖的情況如圖4.114.11所示。所示。 v通常焊接高強(qiáng)度鋼時焊縫金屬的含碳

12、量總是控制在通常焊接高強(qiáng)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低于母材，因此焊縫金屬在較高溫度( (T TAF AF) )下就產(chǎn)生 下就產(chǎn)生 相變，即原相變，即原A A分解為分解為F F和和P P。 圖4.11 高強(qiáng)度鋼HAZ延遲裂紋形成過程（箭頭表示 原子氫擴(kuò)散方向） 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 4311 4) 4)氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散 v氫在金屬中的擴(kuò)散還受到應(yīng)力狀態(tài)的影響，它氫在金屬中的擴(kuò)散還受到應(yīng)力狀態(tài)的影響，它有向有向 三向拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散的趨勢三向拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散的趨勢。常在應(yīng)力集中或缺口等。常在應(yīng)力集中或

13、缺口等 有塑性應(yīng)變的部位產(chǎn)生氫的局部聚集，使該處最早有塑性應(yīng)變的部位產(chǎn)生氫的局部聚集，使該處最早 達(dá)到氫的臨界含量，這就是氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散現(xiàn)象。達(dá)到氫的臨界含量，這就是氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散現(xiàn)象。 應(yīng)力梯度愈大，氫擴(kuò)散的驅(qū)動力也愈大，也即應(yīng)力應(yīng)力梯度愈大，氫擴(kuò)散的驅(qū)動力也愈大，也即應(yīng)力 對氫的誘導(dǎo)擴(kuò)散作用愈大對氫的誘導(dǎo)擴(kuò)散作用愈大。 4312 (2)(2)組織的作用組織的作用 v鋼材的淬硬傾向越大或馬氏體數(shù)量越多，越容易產(chǎn)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。生冷裂紋。 v因?yàn)轳R氏體是碳在因?yàn)轳R氏體是碳在 鐵中的過飽和固溶體，是一種鐵中的過飽和固溶體，是一種 硬脆組織，發(fā)生斷裂只需

14、消耗較低的能量。硬脆組織，發(fā)生斷裂只需消耗較低的能量。 v不同化學(xué)成分和形態(tài)的馬氏體組織的冷裂敏感性不不同化學(xué)成分和形態(tài)的馬氏體組織的冷裂敏感性不 同同，如果出現(xiàn)的是板條狀低碳馬氏體，因，如果出現(xiàn)的是板條狀低碳馬氏體，因MsMs點(diǎn)較點(diǎn)較 高，轉(zhuǎn)變后有自回火作用，既有較高的強(qiáng)度又有足高，轉(zhuǎn)變后有自回火作用，既有較高的強(qiáng)度又有足 夠的韌性，抗裂性能優(yōu)于含碳量較高的片狀孿晶馬夠的韌性，抗裂性能優(yōu)于含碳量較高的片狀孿晶馬 氏體。孿晶馬氏體的硬度很高，韌性也很差，對冷氏體。孿晶馬氏體的硬度很高，韌性也很差，對冷 裂紋特別敏感。裂紋特別敏感。 4313 v冷裂紋常起源于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)域冷裂紋常起源于熱影

15、響區(qū)的粗晶區(qū)域，這是由于，這是由于 晶粒粗大，能顯著降低相變溫度，同時也使晶界晶粒粗大，能顯著降低相變溫度，同時也使晶界 上偏析物增多，因而使該區(qū)冷裂傾向增大。上偏析物增多，因而使該區(qū)冷裂傾向增大。 v在淬硬組織中具有更多的在淬硬組織中具有更多的晶格缺陷晶格缺陷，如空位、位，如空位、位 錯等。錯等。在應(yīng)力作用下這些缺陷會發(fā)生移動和聚集，在應(yīng)力作用下這些缺陷會發(fā)生移動和聚集， 當(dāng)匯集到一定尺寸，就會形成裂紋源，進(jìn)一步擴(kuò)當(dāng)匯集到一定尺寸，就會形成裂紋源，進(jìn)一步擴(kuò) 展成宏觀裂紋展成宏觀裂紋。 v組織對冷裂紋敏感性的影響可歸結(jié)為：組織對冷裂紋敏感性的影響可歸結(jié)為： 粗大孿晶馬氏體的形成，晶界夾雜物的聚

16、集，粗大孿晶馬氏體的形成，晶界夾雜物的聚集， 以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂紋傾向增大以及高的晶格缺陷密度，均促使冷裂紋傾向增大。 4314 (3)(3)應(yīng)力的作用應(yīng)力的作用 1) 1)熱應(yīng)力熱應(yīng)力 v在接頭上不同位置的熱應(yīng)力其方向和大小是隨焊接熱循環(huán)在接頭上不同位置的熱應(yīng)力其方向和大小是隨焊接熱循環(huán) 而變化，而變化，冷卻后在接頭上留存著殘余應(yīng)力，其大小及分布冷卻后在接頭上留存著殘余應(yīng)力，其大小及分布 決定于母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)、溫度場以及結(jié)構(gòu)的決定于母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)、溫度場以及結(jié)構(gòu)的 剛度等，其最大值可達(dá)母材的屈服點(diǎn)剛度等，其最大值可達(dá)母材的屈服點(diǎn) s s。 2) 2)組織

17、應(yīng)力組織應(yīng)力 v高強(qiáng)度鋼奧氏體分解時，析出鐵素體、珠光體、馬氏體等高強(qiáng)度鋼奧氏體分解時，析出鐵素體、珠光體、馬氏體等 組織，由于它們具有不同的膨脹系數(shù)，引起了局部體積變組織，由于它們具有不同的膨脹系數(shù)，引起了局部體積變 化，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力。化，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力。 3) 3)拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力 v指的是接頭受到外部剛性拘束，焊件收縮不自由而引起的指的是接頭受到外部剛性拘束，焊件收縮不自由而引起的 應(yīng)力。應(yīng)力。它的大小與結(jié)構(gòu)的厚度和拘束度等合關(guān)。它的大小與結(jié)構(gòu)的厚度和拘束度等合關(guān)。 4315 3、三大要素綜合影響的評定、三大要素綜合影響的評定 在實(shí)際焊接中需要有反映出在實(shí)際焊接中需要有反映出材料淬

18、硬組織材料淬硬組織(或化學(xué)或化學(xué) 成分成分)、擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫和和應(yīng)力應(yīng)力三大要素同時對冷裂紋發(fā)生影三大要素同時對冷裂紋發(fā)生影 響的定量關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者通過大量插銷試驗(yàn)，建響的定量關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者通過大量插銷試驗(yàn)，建 立了臨界斷裂應(yīng)力計(jì)算公式，這些公式較好地反映立了臨界斷裂應(yīng)力計(jì)算公式，這些公式較好地反映 了這三大要素之間的聯(lián)系和對冷裂紋的影響，還可了這三大要素之間的聯(lián)系和對冷裂紋的影響，還可 以用此臨界斷裂應(yīng)力作為是否產(chǎn)生冷裂紋的判據(jù)。以用此臨界斷裂應(yīng)力作為是否產(chǎn)生冷裂紋的判據(jù)。 (1)日本溶接學(xué)會推薦公式日本溶接學(xué)會推薦公式 cr=(86.3-211Pcm-28.21g(H+1)+2.73t8

19、/5+9.710-3t100) 9.8 4316 式中，式中，cr插銷試驗(yàn)的臨界斷裂應(yīng)力插銷試驗(yàn)的臨界斷裂應(yīng)力(MPa)； Pcm合金元素的裂紋敏感系數(shù)合金元素的裂紋敏感系數(shù)()； H按日本標(biāo)準(zhǔn)甘油法按日本標(biāo)準(zhǔn)甘油法(JIS31131975)測定測定 的擴(kuò)散氫含量的擴(kuò)散氫含量(mL100g)； t8/5熔合區(qū)附近從熔合區(qū)附近從800到到500的冷卻時間的冷卻時間(s)； t100熔合區(qū)附近從最高溫度熔合區(qū)附近從最高溫度(約約1350) 到到 100的冷卻時間的冷卻時間(s)。 4317 (2)天津大學(xué)張文鉞等人推薦公式：天津大學(xué)張文鉞等人推薦公式： cr（132.3-27.5g(H-1)-0.

20、216HV+0.0102t100)9.8 式中，式中，H按按GBl2251976法測定的擴(kuò)散氫含量法測定的擴(kuò)散氫含量 (mL100g)； HV熱影響區(qū)的平均最大硬度熱影響區(qū)的平均最大硬度(維氏維氏)。 表 兩個臨界斷裂應(yīng)力公式應(yīng)用范圍 4318 v如果能通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得出實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)如果能通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得出實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)(如船舶、如船舶、 橋梁、壓力容器等橋梁、壓力容器等)焊接接頭的拘束應(yīng)力焊接接頭的拘束應(yīng)力，就可以，就可以 與由兩個臨界斷裂應(yīng)力公式計(jì)算出的臨界斷裂應(yīng)力與由兩個臨界斷裂應(yīng)力公式計(jì)算出的臨界斷裂應(yīng)力 作比較作比較: 當(dāng)當(dāng)cr 時時,不裂不裂。 4319 5.4.3 冷裂傾向的判據(jù)冷

21、裂傾向的判據(jù) v如何根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的材料，結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)去判斷如何根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的材料，結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)去判斷 其冷裂紋傾向或其敏感性，是焊接工作者最關(guān)心的其冷裂紋傾向或其敏感性，是焊接工作者最關(guān)心的 的問題，因?yàn)樗窃u定金屬材料焊接性的重要依據(jù)。的問題，因?yàn)樗窃u定金屬材料焊接性的重要依據(jù)。 1、與材料化學(xué)成分有關(guān)的判據(jù)、與材料化學(xué)成分有關(guān)的判據(jù) 主要主要從材料淬硬程度方面從材料淬硬程度方面去評定其冷裂傾向，因去評定其冷裂傾向，因 為為鋼材的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生冷裂紋鋼材的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生冷裂紋。 4320 1)國際焊接學(xué)會國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的公式推薦的公式 v此式適用于中高強(qiáng)

22、度此式適用于中高強(qiáng)度(b500900MPa級級)非調(diào)質(zhì)高非調(diào)質(zhì)高 強(qiáng)度鋼。強(qiáng)度鋼。當(dāng)當(dāng)CEIIW0.45時，厚度在時，厚度在25mm以內(nèi)的以內(nèi)的 鋼板焊接時不預(yù)熱，也不裂。鋼板焊接時不預(yù)熱，也不裂。 2)美國焊接學(xué)會美國焊接學(xué)會(AWS)提出的公式提出的公式 v此式適用于低碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。此式適用于低碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。一般認(rèn)為板一般認(rèn)為板 厚在厚在25mm以內(nèi)以內(nèi)CEAWS0.4，可不預(yù)熱，焊接也不，可不預(yù)熱，焊接也不 裂。裂。 5156 MoCrNiCuMn CCE 2134515246 PCuMoCrNiSiMn CCE AWS 4321 3)日本日本JIS及及WES推薦的公式推

23、薦的公式 v適用于強(qiáng)度適用于強(qiáng)度b5001000MPa級低碳調(diào)質(zhì)低合金級低碳調(diào)質(zhì)低合金 高強(qiáng)鋼高強(qiáng)鋼，認(rèn)為認(rèn)為CEWES0.46可以不預(yù)熱，焊接也可以不預(yù)熱，焊接也 不裂。不裂。 144540246 VMoCrNiSiMn CCeq 4322 (2)臨界冷卻時間臨界冷卻時間Cf v在熱影響區(qū)熔合線附近從在熱影響區(qū)熔合線附近從A3冷至冷至500開始出現(xiàn)鐵素開始出現(xiàn)鐵素 體組織的臨界時間體組織的臨界時間Cf可以作為焊接熱影響區(qū)冷裂傾可以作為焊接熱影響區(qū)冷裂傾 向的判據(jù)，即向的判據(jù)，即 t8/5 Cf 可能產(chǎn)生冷裂可能產(chǎn)生冷裂 vCf可利用所研究鋼種的焊接熱影響區(qū)可利用所研究鋼種的焊接熱影響區(qū)CCT

24、圖確定。圖確定。 4323 2 與接頭含氫量有關(guān)的判據(jù)與接頭含氫量有關(guān)的判據(jù) v高強(qiáng)度鋼焊接接頭中的含氫量越多，則裂紋傾向越大。高強(qiáng)度鋼焊接接頭中的含氫量越多，則裂紋傾向越大。 當(dāng)由于氫的擴(kuò)散、聚集，使接頭中局部地區(qū)的含氫量達(dá)當(dāng)由于氫的擴(kuò)散、聚集，使接頭中局部地區(qū)的含氫量達(dá) 到某一數(shù)值而產(chǎn)生裂紋時，此含氫量即為產(chǎn)生冷裂紋的到某一數(shù)值而產(chǎn)生裂紋時，此含氫量即為產(chǎn)生冷裂紋的 臨界含氫量臨界含氫量HCr 。 v臨界含氫量臨界含氫量HCr與鋼的化學(xué)成分、剛度、預(yù)熱溫度以與鋼的化學(xué)成分、剛度、預(yù)熱溫度以 及接頭的冷卻條件等有關(guān)。臨界含氫量隨著鋼種碳當(dāng)量及接頭的冷卻條件等有關(guān)。臨界含氫量隨著鋼種碳當(dāng)量 提

25、高而減小。提高而減小。 v當(dāng)實(shí)際熱影響區(qū)的含氫量當(dāng)實(shí)際熱影響區(qū)的含氫量H大于或等于大于或等于HCr時，就可時，就可 能產(chǎn)生冷裂紋。能產(chǎn)生冷裂紋。 4324 圖 碳當(dāng)量與臨界含氫量的關(guān)系 4325 3與接頭拘束度有關(guān)的判據(jù)與接頭拘束度有關(guān)的判據(jù) (1)臨界拘束度臨界拘束度Rcr：衡量焊接接頭剛性大小的一個衡量焊接接頭剛性大小的一個 定量指標(biāo)。定量指標(biāo)。 拘束度有拉伸和彎曲兩類：拘束度有拉伸和彎曲兩類： 拉伸拘束度是焊接接頭根部間隙產(chǎn)生單位長度彈拉伸拘束度是焊接接頭根部間隙產(chǎn)生單位長度彈 性位移時，焊縫每單位長度上受力的大??；性位移時，焊縫每單位長度上受力的大??； 彎曲拘束度是焊接接頭產(chǎn)生單位彈性

26、彎曲角變形彎曲拘束度是焊接接頭產(chǎn)生單位彈性彎曲角變形 時，焊縫每單位長度上所受彎矩的大小。時，焊縫每單位長度上所受彎矩的大小。 4326 對接接頭的拘束度對接接頭的拘束度R隨板厚隨板厚增加而增大，隨拘束增加而增大，隨拘束 距離距離L的增大而減小的增大而減小。當(dāng)拘束度增大到某一數(shù)值時，。當(dāng)拘束度增大到某一數(shù)值時， 接頭出現(xiàn)裂紋，此時的接頭出現(xiàn)裂紋，此時的R值稱臨界拘束度值稱臨界拘束度Rcr。焊接焊接 接頭的臨界拘束度接頭的臨界拘束度Rcr值越大，說明該接頭的冷裂敏值越大，說明該接頭的冷裂敏 感性越小。感性越小。如果實(shí)際結(jié)構(gòu)的拘束度為如果實(shí)際結(jié)構(gòu)的拘束度為R，則不產(chǎn)生，則不產(chǎn)生 冷裂紋的條件為：冷

27、裂紋的條件為： RcrR v隨著鋼種強(qiáng)度級別提高，其臨界拘束度降低，產(chǎn)生隨著鋼種強(qiáng)度級別提高，其臨界拘束度降低，產(chǎn)生 冷裂紋的傾向大。冷裂紋的傾向大。 4327 (2)臨界拘束應(yīng)力臨界拘束應(yīng)力cr v焊接接頭冷卻過程中開始產(chǎn)生冷裂紋的拘束應(yīng)力稱焊接接頭冷卻過程中開始產(chǎn)生冷裂紋的拘束應(yīng)力稱 臨界拘束應(yīng)力臨界拘束應(yīng)力cr 。它可以采用各種冷裂紋試驗(yàn)方它可以采用各種冷裂紋試驗(yàn)方 法定量地測定出來，也可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。法定量地測定出來，也可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。 v焊接接頭實(shí)際的拘束應(yīng)力焊接接頭實(shí)際的拘束應(yīng)力可通過實(shí)驗(yàn)或按拘束度可通過實(shí)驗(yàn)或按拘束度R 的關(guān)系來確定，即的關(guān)系來確定，即 mR vm為轉(zhuǎn)

28、換系數(shù)，它與鋼材的熱物理性能、接頭結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)換系數(shù)，它與鋼材的熱物理性能、接頭結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)、工藝條件有關(guān)。當(dāng)特點(diǎn)、工藝條件有關(guān)。當(dāng)cr 時不裂。時不裂。 4328 4、綜合性判據(jù)、綜合性判據(jù) 冷裂紋的產(chǎn)生實(shí)際上是鋼材的化學(xué)成分、接頭的冷裂紋的產(chǎn)生實(shí)際上是鋼材的化學(xué)成分、接頭的 擴(kuò)散氫含量及接頭拘束度三方面的因素綜合作用的擴(kuò)散氫含量及接頭拘束度三方面的因素綜合作用的 結(jié)果。前面所述，通過插銷試驗(yàn)得出臨界斷裂應(yīng)力結(jié)果。前面所述，通過插銷試驗(yàn)得出臨界斷裂應(yīng)力 cr ，即屬于綜合性判據(jù)。，即屬于綜合性判據(jù)。 4329 三、冷裂紋的防止措施三、冷裂紋的防止措施 1 1、控制母材的化學(xué)成分、控制母材的化學(xué)成分

29、 從設(shè)計(jì)上首先應(yīng)選用抗冷裂性能好的鋼材，從設(shè)計(jì)上首先應(yīng)選用抗冷裂性能好的鋼材， 把好進(jìn)料關(guān)。把好進(jìn)料關(guān)。 盡量選擇碳當(dāng)量盡量選擇碳當(dāng)量CECE或冷裂紋敏感系數(shù)或冷裂紋敏感系數(shù)P Pcm cm小的 小的 鋼材，因?yàn)殇摲N的鋼材，因?yàn)殇摲N的CECE或或P Pcm cm越高，淬硬傾向越大， 越高，淬硬傾向越大， 產(chǎn)生冷裂紋的可能性越大。產(chǎn)生冷裂紋的可能性越大。 4330 2 2合理選擇和使用焊接材料合理選擇和使用焊接材料 主要目的是減少氫的來源和改善焊縫金屬的主要目的是減少氫的來源和改善焊縫金屬的 塑性和韌性。塑性和韌性。 (1)(1)選用低氫和超低氫焊接材料選用低氫和超低氫焊接材料 v堿性焊條熔敷金

30、屬中的擴(kuò)散氫含量比酸性焊條低，堿性焊條熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量比酸性焊條低， 所以堿性焊條的抗冷裂紋性能大大優(yōu)于酸性焊條。所以堿性焊條的抗冷裂紋性能大大優(yōu)于酸性焊條。 v對于重要的低合金高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的焊接，原則上對于重要的低合金高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的焊接，原則上 都應(yīng)選用堿性焊條。都應(yīng)選用堿性焊條。 (2)(2)嚴(yán)格烘干焊條或焊劑嚴(yán)格烘干焊條或焊劑 v焊條和焊劑要妥加保管，不能受潮。焊前必須嚴(yán)焊條和焊劑要妥加保管，不能受潮。焊前必須嚴(yán) 格烘干，使用堿性焊條更應(yīng)如此。格烘干，使用堿性焊條更應(yīng)如此。 v隨著烘干溫度升高，焊條擴(kuò)散氫含量明顯下降。隨著烘干溫度升高，焊條擴(kuò)散氫含量明顯下降。 4331 (3)(3

31、)選用低匹配焊條選用低匹配焊條 v選擇強(qiáng)度級別比母材略低的焊條有利于防止冷裂紋，選擇強(qiáng)度級別比母材略低的焊條有利于防止冷裂紋， 因因強(qiáng)度較低的焊縫不僅本身冷裂傾向小強(qiáng)度較低的焊縫不僅本身冷裂傾向小，而且由于，而且由于 它它較易塑性變形較易塑性變形，從而降低了接頭的拘束應(yīng)力從而降低了接頭的拘束應(yīng)力，使使 焊趾、焊根等部位的應(yīng)力集中效應(yīng)相對減小，改善焊趾、焊根等部位的應(yīng)力集中效應(yīng)相對減小，改善 了熱影響區(qū)的冷裂傾向。了熱影響區(qū)的冷裂傾向。 v還可還可采用采用“軟層焊接軟層焊接”的方法去制造一些高強(qiáng)度鋼的方法去制造一些高強(qiáng)度鋼 的球形容器和反應(yīng)堆外殼。的球形容器和反應(yīng)堆外殼。即用抗裂性能好的焊條即用

32、抗裂性能好的焊條 作底層、內(nèi)層采用與母材等強(qiáng)度的焊條，而表層作底層、內(nèi)層采用與母材等強(qiáng)度的焊條，而表層 2 26mm6mm采用稍低于母材的焊條，這樣可增加焊縫采用稍低于母材的焊條，這樣可增加焊縫 金屬的塑性儲備，降低焊接接頭的拘束內(nèi)力，從而金屬的塑性儲備，降低焊接接頭的拘束內(nèi)力，從而 提高其抗裂性能。提高其抗裂性能。 4332 (4)(4)選用奧氏體焊條選用奧氏體焊條 v采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較大的低、中合金高采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較大的低、中合金高 強(qiáng)度鋼能很好地避免冷裂紋強(qiáng)度鋼能很好地避免冷裂紋。因?yàn)閵W氏體焊縫可以。因?yàn)閵W氏體焊縫可以 溶解較多的氫，同時奧氏體的塑性好，可以減小接溶

33、解較多的氫，同時奧氏體的塑性好，可以減小接 頭的拘束應(yīng)力。頭的拘束應(yīng)力。 v注意：注意： 奧氏體焊縫強(qiáng)度低，對承受主應(yīng)力的焊縫，只奧氏體焊縫強(qiáng)度低，對承受主應(yīng)力的焊縫，只 有在接頭強(qiáng)度允許的情況下才能使用有在接頭強(qiáng)度允許的情況下才能使用；在使用時要在使用時要 采用小的焊接電流，使熔合比減?。徊捎眯〉暮附与娏?，使熔合比減??；如果焊接電流如果焊接電流 大，熔合比的增大將使焊縫邊界過渡層的大，熔合比的增大將使焊縫邊界過渡層的CrCr、NiNi稀稀 釋，在過渡層中可能出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，而增釋，在過渡層中可能出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，而增 大冷裂傾向。大冷裂傾向。使用奧氏體焊條焊接高強(qiáng)度鋼時，仍使用奧氏

34、體焊條焊接高強(qiáng)度鋼時，仍 然要限制含氫量然要限制含氫量。 4333 (5)(5)提高焊縫金屬韌性提高焊縫金屬韌性 通過焊接材料在焊縫中增加某些微量合金元素，通過焊接材料在焊縫中增加某些微量合金元素， 如鈦、鈮、鉬、釩、硼、碲、稀土等來韌化焊縫，如鈦、鈮、鉬、釩、硼、碲、稀土等來韌化焊縫， 也能減小冷裂紋傾向。因?yàn)樵诰惺鴳?yīng)力作用下，也能減小冷裂紋傾向。因?yàn)樵诰惺鴳?yīng)力作用下， 利用焊縫足夠的塑性儲備，可以減輕熱影響區(qū)的利用焊縫足夠的塑性儲備，可以減輕熱影響區(qū)的 負(fù)擔(dān)，從而提高整個接頭的抗裂性。負(fù)擔(dān)，從而提高整個接頭的抗裂性。 4334 3. 3.正確制訂焊接工藝正確制訂焊接工藝 包括合理選定焊接熱

35、輸入、預(yù)熱及層間溫度、焊后熱處理和包括合理選定焊接熱輸入、預(yù)熱及層間溫度、焊后熱處理和 正確的施焊順序等。正確的施焊順序等。目的在于改善熱影響區(qū)和焊縫組織，促目的在于改善熱影響區(qū)和焊縫組織，促 使氫的逸出以及減少焊接拘束應(yīng)力使氫的逸出以及減少焊接拘束應(yīng)力。 (1)(1)嚴(yán)格控制焊接熱輸入嚴(yán)格控制焊接熱輸入 v高強(qiáng)度鋼對焊接熱輸入較為敏感。高強(qiáng)度鋼對焊接熱輸入較為敏感。 v熱輸入取得過大，會使熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化，接頭韌性熱輸入取得過大，會使熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化，接頭韌性 下降，降低其抗裂性能下降，降低其抗裂性能； v熱輸入取得過小，則冷卻速度大，易淬硬而增大其冷裂傾向。熱輸入取得過小，則冷

36、卻速度大，易淬硬而增大其冷裂傾向。 v合理的作法應(yīng)當(dāng)是在充分保證焊接接頭韌性的前提下，適當(dāng)合理的作法應(yīng)當(dāng)是在充分保證焊接接頭韌性的前提下，適當(dāng) 加大焊接熱輸入加大焊接熱輸入。這樣可以增大冷卻時間。這樣可以增大冷卻時間(t (t8/5 8/5或 或t t100 100) )減小熱影 減小熱影 響區(qū)的淬硬傾向和有利于氫的擴(kuò)散逸出，達(dá)到防止冷裂紋的響區(qū)的淬硬傾向和有利于氫的擴(kuò)散逸出，達(dá)到防止冷裂紋的 產(chǎn)生。產(chǎn)生。 v對每種鋼經(jīng)工藝試驗(yàn)或評定合格的焊接熱輸入，都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)對每種鋼經(jīng)工藝試驗(yàn)或評定合格的焊接熱輸入，都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí) 行，不能隨意變動。行，不能隨意變動。 4335 (2)(2)合理選擇預(yù)熱溫度合理

37、選擇預(yù)熱溫度 v預(yù)熱的主要目的是為了增大熱循環(huán)的低溫參數(shù)預(yù)熱的主要目的是為了增大熱循環(huán)的低溫參數(shù)t t100 100， ， 使之有利于氫的充分?jǐn)U散逸出。使之有利于氫的充分?jǐn)U散逸出。 v預(yù)熱溫度的選擇須視施焊環(huán)境溫度、鋼材強(qiáng)度等級、預(yù)熱溫度的選擇須視施焊環(huán)境溫度、鋼材強(qiáng)度等級、 焊件厚度或坡口形式、焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量等因焊件厚度或坡口形式、焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量等因 素而定。素而定。 有許多確定預(yù)熱溫度的方法，下向介紹其中幾種：有許多確定預(yù)熱溫度的方法，下向介紹其中幾種： v1) 1)根據(jù)鋼材碳當(dāng)量和板厚確定預(yù)熱溫度根據(jù)鋼材碳當(dāng)量和板厚確定預(yù)熱溫度，見圖，見圖4-124-12 和表和表4-14-

38、1。碳當(dāng)量按美國焊接學(xué)會。碳當(dāng)量按美國焊接學(xué)會(AWS)(AWS)提出的公式提出的公式 確定。確定。 4336 表表4-1 4-1 不同焊接性等級的鋼材應(yīng)采用的施工條件不同焊接性等級的鋼材應(yīng)采用的施工條件 圖圖4-12 4-12 施焊條件與碳當(dāng)量施焊條件與碳當(dāng)量 4337 3) 3)按化學(xué)成分、板厚和擴(kuò)散氫含量確定的預(yù)熱溫度按化學(xué)成分、板厚和擴(kuò)散氫含量確定的預(yù)熱溫度 由斜由斜Y Y形坡口的鐵研式抗裂試驗(yàn)所建立的經(jīng)驗(yàn)公式形坡口的鐵研式抗裂試驗(yàn)所建立的經(jīng)驗(yàn)公式 T T0 01440P1440Pc c392392 式中，式中，T T0 0預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度()()； P Pc c冷裂紋敏感指數(shù)。冷裂紋

39、敏感指數(shù)。 上式適用于上式適用于w(cw(c) 0.17) 0.17的低合金鋼，的低合金鋼，HH1 1 5mL5mL100g100g， 191950mm50mm范圍。范圍。 國產(chǎn)低合金鋼在插銷試驗(yàn)條件下確定的經(jīng)驗(yàn)公式：國產(chǎn)低合金鋼在插銷試驗(yàn)條件下確定的經(jīng)驗(yàn)公式： T0T0324P324Pcm cm 17.7H+0.1417.7H+0.14b b+4.72+4.72-214-214 式中式中, , b b被焊被焊金屬金屬的抗拉強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度(MPa)(MPa)。 4338 v按上述公式確定的是整體預(yù)熱溫度。按上述公式確定的是整體預(yù)熱溫度。 v對于大型焊接結(jié)構(gòu)，采用整體預(yù)熱有困難，常采用對于大型焊

40、接結(jié)構(gòu)，采用整體預(yù)熱有困難，常采用 局部預(yù)熱。通常是在焊縫兩側(cè)各局部預(yù)熱。通常是在焊縫兩側(cè)各100-200mm100-200mm范圍內(nèi)范圍內(nèi) 進(jìn)行。進(jìn)行。 v局部預(yù)熱溫度不宜過高，否則要產(chǎn)生附加應(yīng)力。最局部預(yù)熱溫度不宜過高，否則要產(chǎn)生附加應(yīng)力。最 好采用履帶式電熱器或火焰加熱器進(jìn)行局部預(yù)熱。好采用履帶式電熱器或火焰加熱器進(jìn)行局部預(yù)熱。 v預(yù)熱溫度基本確定之后，尚須根據(jù)下列情況作適當(dāng)預(yù)熱溫度基本確定之后，尚須根據(jù)下列情況作適當(dāng) 調(diào)整：調(diào)整： 當(dāng)施焊環(huán)境溫度較低時，如當(dāng)施焊環(huán)境溫度較低時，如-10-10，預(yù)熱溫度應(yīng)，預(yù)熱溫度應(yīng) 適當(dāng)提高；適當(dāng)提高； 采用低氫的焊接方法時采用低氫的焊接方法時, ,如

41、如COCO2 2氣體保護(hù)焊或氬弧氣體保護(hù)焊或氬弧 焊等，其預(yù)熱濕度可適當(dāng)降低；焊等，其預(yù)熱濕度可適當(dāng)降低； 4339 采用低匹配的焊接材料焊接時，也可以降低預(yù)采用低匹配的焊接材料焊接時，也可以降低預(yù) 熱溫度；熱溫度； 坡口根部所造成的應(yīng)力集中越顯著時，其預(yù)熱坡口根部所造成的應(yīng)力集中越顯著時，其預(yù)熱 溫度就應(yīng)適當(dāng)提高；溫度就應(yīng)適當(dāng)提高； 如焊后采取緊急后熱，也可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫如焊后采取緊急后熱，也可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫 度。度。 v注意注意: :預(yù)熱對防止冷裂紋有效，但畢竟是一種消極預(yù)熱對防止冷裂紋有效，但畢竟是一種消極 措施，更不是預(yù)熱溫度越高越好。預(yù)熱溫度過高措施，更不是預(yù)熱溫度越高越好。預(yù)熱

42、溫度過高 不僅惡化工人勞動條件，而且浪費(fèi)能源。如果是不僅惡化工人勞動條件，而且浪費(fèi)能源。如果是 局部預(yù)熱，還會引起附加應(yīng)力，反而促使冷裂紋局部預(yù)熱，還會引起附加應(yīng)力，反而促使冷裂紋 的產(chǎn)生。所以預(yù)熱溫度的確定要慎重。的產(chǎn)生。所以預(yù)熱溫度的確定要慎重。 4340 (3)(3)緊急后熱緊急后熱 冷裂紋一般在焊后一段時間后才產(chǎn)生，如在裂紋產(chǎn)生之冷裂紋一般在焊后一段時間后才產(chǎn)生，如在裂紋產(chǎn)生之 前能及時進(jìn)行加熱處理，即所謂緊急后熱，也能達(dá)到防止前能及時進(jìn)行加熱處理，即所謂緊急后熱，也能達(dá)到防止 冷裂紋的目的。冷裂紋的目的。 緊急后熱工藝的關(guān)鍵在于及時，一定要在熱影響區(qū)冷卻緊急后熱工藝的關(guān)鍵在于及時，一

43、定要在熱影響區(qū)冷卻 到產(chǎn)生冷裂紋的上限溫度到產(chǎn)生冷裂紋的上限溫度T Tuc uc( (一般在 一般在100100左右左右) )之前迅速加之前迅速加 熱，加熱的溫度也應(yīng)高于熱，加熱的溫度也應(yīng)高于T Tuc uc，并且需保溫一定時間。 ，并且需保溫一定時間。 后熱的作用是使擴(kuò)散氫在溫度后熱的作用是使擴(kuò)散氫在溫度T Tuc uc以上便能充分?jǐn)U散逸出 以上便能充分?jǐn)U散逸出。 若焊后間隔時間較長，裂紋已經(jīng)產(chǎn)生才后熱就失去意義。若焊后間隔時間較長，裂紋已經(jīng)產(chǎn)生才后熱就失去意義。 選用合適的后熱溫度，可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度或代替某選用合適的后熱溫度，可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度或代替某 些重大焊件的中間熱處理，達(dá)到改善勞動條件等目的些重大焊件的中間熱處理，達(dá)到改善勞動條件等目的。 后熱不僅能消氫，也能韌化熱影響區(qū)和焊縫組織，特別后熱不僅能消氫，也能韌化熱影響區(qū)和焊縫組織，特別 對于一些淬硬傾向較大的中碳調(diào)質(zhì)鋼，效果更明顯。對于一些淬硬傾向較大的中碳調(diào)質(zhì)鋼，效果更明顯。 4