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第三节 焊接冷裂纹 一、冷裂纹的危害性及其一般特征 二、冷裂纹的种类 三、焊接冷裂纹的机理 四、影响焊接冷裂纹的主要因素 五、焊接冷裂纹的防止 * * （一）冷裂纹的危害性 建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重 （二）冷裂纹的一般特征 高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，Ms点附近或更低的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径，有时是沿晶界扩展，有时是穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织和应力状态及氢的含量等而定。这一点不像热裂纹那样，都是沿晶界开裂。 冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间（几小时，几天甚至更长）才出现。开始少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是冷裂纹中比较普遍的一种形态。 由于延迟裂纹不是在焊后立即可以了现，需延迟一段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害性就更为严重。 冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中。 延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下三种。 （一）焊趾裂纹 这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位（如咬肉处）。裂纹的走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展，如图5-40中A所示。 （二）焊道下裂纹 这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行，但也有垂直熔线的，如图5-40中B和图5-41所示。 （三）根部裂纹 这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下，这种裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在焊缝金属中，这决定于母材和焊缝的强韧程度，以及根部的形状，如图5-42所示。 钢种的淬硬倾向、焊接接头含量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素[11、20、21]。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。 （一）钢种的淬硬倾向 钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，因此，采用高强度钢建造焊接结构就受到限制。 为什么钢淬硬之后会引起开裂呢？ 1．形成脆硬的马氏体组织 马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量 因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹是易于形成和扩展。 2．淬硬会形成更多的晶格缺陷 金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。主要是空位和位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。 （二）氢的作用 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并且有延迟的特征。高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹，此值称为产生裂纹的临界含氢量。 钢中的含氢量分为两部分，即残余氢量和扩散氢量。 扩散氢对冷裂的产生和扩展起了决定性作用。 在Ms点以下扩散氢才具有致裂的作用。这一部分扩散氢可以称为“残余扩散氢”。 1.氢的来源及焊缝中的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的来源。 2．金属组织对氢扩散的影响 氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同。 氢在奥氏体中的溶解度远比在铁素体中的溶解度大，并且随温度的增高而增加。 因此，在焊接时有奥氏体转变为铁素体时，氢的溶解度 急剧下降，而氢的扩散速度恰好相反，由奥氏体转变为铁素体时突然增大。 焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力进行扩散。 3.氢在致裂过程中的动态行为 由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝在较高的温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体，以及低碳马氏体等（根据焊缝的化学成分和冷却速度而定）。此时母材热影响区金属尚未开始奥氏体分解（因含碳高，发生滞后相变）。 当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快的从焊缝越