43 6
2、三大要素的作用 (1)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直接影响。 1)氢在焊缝中的溶解 从图4.9中可知，氢在铁中 的溶解度随温度变化很大， 并在凝固点发生突变。由于 熔池很快由液态凝固，多余 的氢来不及逸出，结果就以 43 过饱和状态存在于焊缝中。
43
11
(2)组织的作用 钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越容易产 生冷裂纹。 因为马氏体是碳在α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。 不同化学成分和形态的马氏体组织的冷裂敏感性不 同，如果出现的是板条状低碳马氏体，因Ms点较高， 转变后有自回火作用，既有较高的强度又有足够的 韧性，抗裂性能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 别敏感。

适用于强度σb＝500～1000MPa级低碳调质低合金 高强钢，认为CEWES＜0.46％可以不预热，焊接也 不裂。
43
21
(2)临界冷却时间Cf′

在热影响区熔合线附近从A3冷至500℃开始出现铁素
体组织的临界时间Cf′可以作为焊接热影响区冷裂倾
向的判据，即
t8/5＜ Cf′

可能产生冷裂
Cf′可利用所研究钢种的焊接热影响区CCT图确定。
43 14
3、三大要素综合影响的评定
在实际焊接中需要有反映出材料淬硬组织(或化学
成分)、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。 (1)日本溶接学会推荐公式 σcr=(86.3-211Pcm-28.21g([H]+1)+2.73t8/5+9.7×10-3t100)
提高而减小。

当实际热影响区的含氢量[H]大于或等于[H]Cr时，就可
能产生冷裂纹。
43 23
图 碳当量与临界含氢量的关系
43 24
3．与接头拘束度有关的判据 (1)临界拘束度Rcr：衡量焊接接头刚性大小的一个 定量指标。 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 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 时，焊缝每单位长度上所受弯矩的大小。
43 4
按其发生和分布位臵的特征可分为三类： ①焊趾裂纹 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(如咬肉处)。裂纹从表面出发，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。 ②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， 也可以起源于焊缝金属的根部。 ③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0.10.2mm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。
43 25
对接接头的拘束度R随板厚δ增加而增大，随拘束
距离L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R值称临界拘束度Rcr。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。如果实际结构的拘束度为R，则不产生 冷裂纹的条件为： Rcr﹥R

随着钢种强度级别提高，其临界拘束度降低，产生 冷裂纹的倾向大。
3)氢的组织诱导扩散

氢在不同组织中的溶解和扩
散能力是不同的，见图5-16。

在γ中氢具有较大的溶解度，
但扩散系数较小；在α中氢却
具有较小的溶解度和较大的
扩散系数。
图4.10 氢在钢中的溶解度[H] 与扩散系数D随温度的变化
43
9


在焊接过程中，氢原子从焊缝向焊接热影响区扩散 的情况如图4.11所示。 通常焊接高强度钢时焊缝金属的含碳量总是控制在 低于母材，因此焊缝金属在较高温度(TAF)下就产生 相变，即原A分解为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——焊缝A体相变等温面，TAM——热影响区A 43 体相变等温面，a、b——熔合线
10
4)氢的应力诱导扩散 氢在金属中的扩散还受到应力状态的影响，它有向 三向拉应力区扩散的趋势。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 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 对氢的诱导扩散作用愈大。
100℃的冷却时间(s)。
43 16
(2)天津大学张文钺等人推荐公式： σcr＝（132.3-27.5g([H]-1)-0.216HV+0.0102t100)×9.8 式中，[H]——按GBl225—1976法测定的扩散氢含量 (mL／100g)； HV——热影响区的平均最大硬度(维氏)。
表 两个临界断裂应力公式应用范围 43
钢材，因为钢种的CE或Pcm越高，淬硬倾向越大， 产生冷裂纹的可能性越大。
43
29
2．合理选择和使用焊接材料 主要目的是减少氢的来源和改善焊缝金属的 塑性和韧性。 (1)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， 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 应选用碱性焊条。 (2)严格烘干焊条或焊剂 焊条和焊剂要妥加保管，不能受潮。焊前必须严格 烘干，使用碱性焊条更应如此。 随着烘干温度升高，焊条扩散氢含量明显下降。 30 43
43
27
4、综合性判据
冷裂纹的产生实际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
结果。前面所述，通过插销试验得出临界断裂应力
σcr ，即属于综合性判据。
43
28
三、冷裂纹的防止措施 1、控制母材的化学成分
从设计上首先应选用抗冷裂性能好的钢材，
把好进料关。
尽量选择碳当量CE或冷裂纹敏感系数Pcm小的
43 12



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 上偏析物增多，因而使该区冷裂倾向增大。 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， 当汇集到一定尺寸，就会形成裂纹源，进一步扩 展成宏观裂纹。 组织对冷裂纹敏感性的影响可归结为： 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。
为钢材的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。
43 19
1)国际焊接学会(ILeabharlann W)推荐的公式CE C

Mn 6

Cu Ni 15

Cr Mo 5
此式适用于中高强度(σb＝500－900MPa级)非调质高 强度钢。当CEIIW＜0.45％时，厚度在25mm以内的 钢板焊接时不预热，也不裂。 2)美国焊接学会(AWS)提出的公式
第四章 焊接气孔和裂纹
第17讲
43
1
4.2.2 焊接冷裂纹
一、焊接冷裂纹类型 1．基本特征

焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说，在Ms温度以下)产 生的焊接裂纹统称冷裂纹。 冷裂纹可以在焊后立即出现，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。


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；
图4.8 三种冷裂纹示意图 43 1——焊趾裂纹，2——根部裂纹，3——焊道下裂纹
5
二、冷裂纹的特征及产生机理 1、产生延迟裂纹的三个基本要素 ① 钢材的淬硬倾向 ② 焊接接头中的氢含量及其分布 ③ 焊接接头的拘束应力状态 产生延迟裂纹的孕育期： 决定于焊缝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。 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。 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。
CE
AWS
C
Mn 6

Si 24

Ni 15

Cr 5

Mo 4

Cu 13

P 2

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CEAWS＜0.4％，可不预热，焊接也不 裂。 43 20
3)日本JIS及WES推荐的公式
Ceq C Mn 6 Si 24 Ni 40 Cr 5 Mo 4 V 14

图4.9 氢在铁中的溶解度与温度的关系
7



2)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 的作用下会自发地向周围热影响区和大气中扩散。 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 低时，氢的活动受抑制，因此都不会产生冷裂纹。 只有在一定温度区间(约-100℃～100℃)氢的作用才 显著，如果同时有敏感组织和应力存在，就会产生 冷裂纹。 在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间 之上停留时间(t100)较长，大部分氢已在高温下从焊 接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢己不足 以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的原因之 一。 43 8
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 化学不均匀的氢聚集的局部地带； 裂纹的分布与最大应力方向有关。
43 2


2、分类 焊接生产中由于采用的钢种、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： 1)淬硬脆化裂纹 一些淬硬倾向很大的钢种（焊接含碳较高的Ni-CrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢，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， 焊后常立即出现，在热影响区和焊缝上都可产生。 通常采用较高的预热温度和使用高韧性焊条，基本 上可防止这类裂纹。