焊接冷裂纹总结

1、焊接冷裂纹断口形貌的分析（1985年）许玉环，张文钺，杜则裕，赵忠，陈邦固1.冷裂纹的断口形貌可分为三个区域，即启裂区，扩展区和最后断裂区。2.当材料的Pcm较大时，粗晶区出现粗大的板条马氏体，启裂区易出现沿晶断口和塑性变形较小的准解理断口。当材料的Pcm较小时，粗晶区出现铁素体等非淬硬组织，启裂区则易出现塑性变形较大的准解理和韧窝断口。当材料的Pcm由大到小变化时，扩展区由沿晶断口逐渐变化为韧窝断口。冷裂纹断裂区中，塑性断裂的程度增大，即韧窝断口的比例增加。既使在淬硬倾向较大的15MnV(A)中，断裂区中也出现了带有沿晶特点的韧窝断口。但由于材料的不同，韧窝特点也不同，随Pcm的减小，韧窝细

2、化。3.当钢种材料的Pcm较高时(18MnMoNb)，粗晶区往往出现粗大的板条马氏体组织，这种组织对氢敏感，本身塑性很差，往往在低应力下发生破坏。其启裂区、扩展区主要是沿晶断口，并有少量的准解理断口。当钢种材料的Pcm较小时，粗晶区往往有铁素体等非淬硬组织的存在，这时粗晶区塑性较好，且对氢敏感性差，所以整个断口都会显示出塑性断裂的特征。4.冷裂纹三个阶段的断口形貌发生了很大变化。一般而言，扩展区中脆性断口比例最大，而断裂区中往往有撕裂剪唇的塑性断口存在。这是由于在扩展区中，冷裂纹的扩展速度较慢，在应力吸附的作用下，氢易于聚集到裂纹尖端，从而使该区域的组织脆化，致使脆性断口的面积增加。当裂纹扩展

3、到一定阶段后，出现失稳，裂纹出现快速扩展，直至插销最后断裂。在快速扩展中，由于氢不能迅速聚集到裂纹尖端，从而该区域组织的塑性较好，所以断裂区中往往有较多的韧窝断口存在。5.尽管属于同样的断口形态，但由于钢材及焊接时冷却情况等的不同，其断裂特征仍有一定的差别。在断裂区中，钢种随Po，的增加，韧窝断口的特征为:DR(细)一DR(较粗)一DR(沿晶)。6.加载应力较高时，容易出现韧窝断口，而加载应力较低时，容易出现沿晶断口。7.当钢材的冷裂敏感指数Pcm，熔敷金属中扩散氢含量H增加或外加应力下降时，断口中沿晶断口增加，反之则会出现韧窝断口。焊前预热对高强钢焊接冷裂纹的影响（1993年）胡中其，郑政1

4、.影响焊接冷裂纹三大因素的条件很多，但在实际生产中，钢种的化学成分、板厚及接头型式都已由设计确定，通常的焊条烘干、坡口清理、焊环境也都有常规要求，防止焊接冷裂纹就主要依靠调整焊接线能量和选择合适的预热温度了(当然也包括后热处理)。2.预热温度对冷却时间的影响比线能量对冷却时间的影响要大些。而且线能量过大，会引起热影响区过热，使晶粒长大，降低接头的抗裂性能。同时线能量的调整还受到焊条直径、焊缝位置等条件的约束，调节范围有限，而预热温度的调节范围相对来说就大多了。3.预热温度的选定取决于钢种的化学成分、焊缝金属含氢量、板厚、拘束度等条件。进行一系列试验，固然可以找到最佳预热温度。但根据实际条件，借

5、助某些试验图表、数据，进行必要的运算，同样可以优选出最佳预热温度，满足生产需要，达到有效防止高强钢焊接时产生冷裂纹的目的。4.在低合金高强钢的焊接中，氢是引起焊接冷裂纹的重要因素之一。焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大。由于热源的高温作用，加之药皮水分，空气中的湿气等条件，焊缝金属中溶解了很多氢。在冷却过程中，这些氢的动态行为有:外逸、扩散、聚集。在较高温度下，大部分扩散氢可逸出金属，而残余扩散氢含量在局部地区聚集到产生裂纹的临界浓度时，就会引起开裂并可能扩展。扩散氢在局部地区聚集，与氢在不同金相组织中的溶解度和扩散速度不同有关。低合金高强钢焊接时之所以容易产生延迟裂纹，就是因为氢在奥氏

6、体中的溶解度大，扩散速度较小，而在铁素体、珠光体中则溶解度下降，扩散速度很快。低合金钢焊缝金属含碳量低于母材，故在冷却过程中先于母材热影响区发生奥氏体分解，分解成铁素体、珠光体时氢的溶解度突然下降，扩散速度却很快，于是氢很快地从焊缝越过溶合线向尚未发生分解的热影响区奥氏体扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快地把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因此在熔合线附近就形成富氢地带。如果这个部位有缺口效应，氢便发生聚集，达到临界浓度值时，便可产生裂纹。氢致延迟裂纹既与应力状态有关，也与温度有密切关系。温度太高，氢易逸出，温度太低，氢的扩散受到抑制。因此延迟破坏只是在一个温度区间发生，一般在-1

7、00100。图（a）氢在铁中的溶解度 图（b）氢在不同组织的钢中的扩散速度5.预热不仅可以降低焊接应力，而且可以提高钢的临界拘束应力。所谓临界拘束应力，就是焊接时产生的拘束应力不断增大，直至开始产生裂纹时的应力称为临界拘束应力，记作cr。它实际上反映了产生延迟裂纹各个因素的共同作用结果。cr值可用作评定冷裂纹敏感性的判据，cr越大，则冷裂敏感性越小。焊接冷裂纹临界冷却时间判据tcr的建立（1994年）许玉环，张文钺，徐德禄1.多年来，许多焊接工作者已经建立了各种冷裂判据:如碳当量、焊接热影响区(HAZ)最大硬度、冷裂敏感指数、临界应力、临界拘束度等。插销试验临界应力研究的比较多，但与实际结构的

8、情况有较大差异，不能反映结构的坡口形式和受力状态。临界拘束度作为判据比较合理，但试验装置比较复杂，并且接头受力常超出弹性范围，而处于弹塑状态，如何进行修正，尚处于研究阶段。至于碳当量、HAZ最大硬度、裂纹敏感指数等判据，往往只考虑单一的因素，因而有很大的局限性。2.日本的百合冈等人提出了以临界冷却时间tcr为判据，由tcr与实际结构某部位接头的冷却时间t100相比:tcrt100 安全；tcrt100 裂。3.以tcr为判据来判定冷裂敏感性，无论从理论上还是工程上都比较合理。因为从峰值温度冷至100的冷却时间t100对氢的逸出有重要影响。根据菊田等人的研究，氢的聚集开始于焊后冷到150-100

9、，在焊后1-2h氢聚集达到最大值，然后逐渐耗散，氢聚集的位置主要在熔合区有缺口效应的部位。由以上看来，冷却达到100后，焊接区的残余扩散氢才是真正诱发裂纹的氢含量。另一方面冷却时间t100的长短，对焊接接头的组织变化及拘束应力的大小也都有重要的影响。因此，采用临界冷却时间tcr能够综合反应钢的碳当量水平、接头扩散氢含量、焊接线能量、预热、后热及接头的拘束条件等对冷裂纹敏感性的影响。所以不同的临界冷却时间tcr就反映了不同的冷裂纹敏感性，也就是说tcr可以作为焊接接头冷裂倾向的判据。应力/应变场对插销试验焊接接头氢扩散的影响（2002年）张显辉,陈佩寅,谭长瑛结论：(1)静载拉伸使插销缺口尖端产

10、生了较大的应力集中。随着载荷的增大,缺口尖端应力集中区域逐渐增大,但应力集中系数逐渐减小。(2)在外加载荷作用下,插销尖端产生了局部塑性变形,但区域很小。随着载荷的增大,塑性变形量增大,但塑性变形区域面积变化不大。(3)插销缺口前沿的氢扩散经历一个峰值变化过程。在相同氢源条件下,随着外加载荷的增加,缺口前沿应力集中部位氢的峰值浓度逐渐提高。(4)应力应变集中是导致氢在插销缺口前沿产生聚集的重要原因。HSLA80钢焊接冷裂纹敏感性研究（2008年）姚春发，苏航，杨才福1.本文以HSLA80钢为研究对象，针对钢板的性能要求，用碳当量法和冷裂纹敏感指数法作为该钢焊接时抗冷裂纹敏感性的间接评定方法。用

11、小铁研试验(斜Y型坡口裂纹敏感性试验)和热影响区最高硬度试验作为其抗冷裂纹敏感性的直接评定方法，对HSLA80钢的焊接冷裂纹敏感性进行综合评定，并为其今后的实际焊接工艺制定及推广应用提供基础性的焊接数据。2.本试验分低温小铁研和湿度小铁研试验，两种小铁研试验均在密闭的环境试验室中进行。低温小铁研试验相对湿度恒定为90 ，按从一20到0的顺序进行试验；湿度小铁研试验采用工业加湿器以机械方式产生水雾，改变环境湿度，以电热器改变环境中的温度，以干湿球水银温度计测得相对湿度，并根据曲线表查出绝对湿度。低温小铁研试验主要是考虑钢的淬硬倾向对焊接冷裂纹的影响；中焊接接头的含氢量主要取决于环境湿度。湿度分相

12、对湿度和绝对湿度，而在实际焊接过程中，对冷裂敏感性产生实际影响的是绝对湿度(单位Pa)。3.对于强度级别为400-700MPa的低合金高强度钢，通常采用以下公式来计算其钢的碳当量(CE（IIW）)、裂纹敏感指数(Pc，Pcm)、预热温度(T0)及热影响区最高硬度(Hmax)。 （其中为板厚，mm；H为焊缝金属扩撒氢含量，ml/100g）4. 根据相对湿度、绝对湿度和温度的关系，当相对湿度较高或趋近于饱和时，绝对湿度随温度的升高而升高。此时，空气中悬浮的水蒸气雾滴处于不稳定状态，特别是当温度略向下波动时，雾滴趋向于凝聚，从而附着在固体表面。因此在焊接过程中，试板上的凝结水和环境气氛中的水蒸气是焊

13、缝中氢的两个主要来源。5.湿度对焊接延迟裂纹的影响是显著的，高温高湿下焊接容易对焊接接头产生潜在的危险，并且大于0时焊接的危险。6.高湿度条件下焊接HSLA80钢，通过低温预热(高于环境温度1020C)能够有效地避免延迟裂纹产生，其主要原因是阻止了试样表面的凝结水，而不是减缓了冷却速度。Nb-Cr X80管线钢冷裂敏感性分析（2010年）尹长华,薛振奎,闫臣1.管线钢的焊接性,既与管线钢本身的材质有关,也与焊接工艺条件有关。分析研究管线钢焊接性的目的,在于查明管线钢在指定的焊接工艺条件下可能产生的问题及产生问题的原因,以确定焊接工艺的合理性或管线钢的改进方向。2.冷裂纹是焊接Nb-CrX80管

14、线钢时可能出现的一种严重缺陷。冷裂纹一般是在焊接冷却过程中,在马氏体开始转变温度Ms点附近或更低温度区间逐渐产生的,多发生在100以下。裂纹可能在焊后立即出现,也可能在焊后经过一段时间(几小时,几天,甚至更长时间)才出现,因而冷裂纹往往具有延迟产生的特征。由于管线钢现场焊接时,易于满足冷裂纹产生的3大条件,因而管线钢焊接冷裂纹主要发生在管线钢现场焊接接头中。3.考虑焊缝含氢量和接头拘束度,由试验求得焊接冷裂纹的敏感指数Pc可用下面公式计算， （其中为板厚，mm；H为焊缝金属扩撒氢含量，ml/100g）。求得Pc后,利用下式即可求出在斜Y形坡口焊接裂纹试验条件下,为防止冷裂纹所需的最低预热温度T

15、0，T0=1440Pc-392。4.适合国产管线钢的最高硬度HV10(max)估算公式如下：HV10(m)100%马氏体组织时的硬度,仅与碳含量有关；HV10(m)=1198C+280(调质和控轧钢),HV10(m)=845C+304(非调质钢)。HV10(0)无马氏体,主要是贝氏体、珠光体及铁素体组织时的硬度,除碳之外还受多种成分的影响。800-500的冷却时间,即t8/5,s;0.5对应于HV10(0.5)时的t8/5冷却时间,K硬度计算公式参数,是修正硬度曲线拟合后确定的,K主要受冷却过程中析出沉淀强化元素(Mo,V和Nb等)的影响。，其中针对通常的焊接情况,取t8/5=5-15 s,经

16、计算有HV10(max)=324-256。对于管线钢焊接而言,为避免产生冷裂纹允许的最大硬度一般为260HV10或24HRC。采用低氢型焊条时,硬度上限可放宽至350HV10, CO2气体保护焊时为408HV10。5.(1)纤维素型焊条根焊时裂纹敏感性要比低氢型焊接方法或焊接材料根焊时大。(2)强度级别高的低氢型焊材根焊时的裂纹敏感性要比强度级别低的低氢型焊材根焊时大。(3)预热温度提高,裂纹的敏感性降低。环境温度变化,裂纹的敏感性变化不明显。6. 由于插销试验能够直接测定产生焊接冷裂纹的下临界应力,具有定量化的优势,并可综合考察工艺参数及熔敷金属中的氢含量对Nb-CrX80钢产生冷裂纹的敏感

17、性,因此采用插销试验建立了Nb-CrX80钢产生冷裂纹的判据。1.国内较广泛应用的有Y型坡口试验法，CTS法，巴东试验法，环形镶块试验法，刚性节点试验法，窗形拘束试验法等小型自拘束的定性试验法。2.接热模拟试验机是研究热影响区组织性能与冷裂纹关系的测试手段。3.可变拘束长度的刚性拘束(VRC)试验法。4.TRC试验即拉伸拘束裂纹试验（tensile restraint cracking test）：一种定量测定焊接冷裂纹试验方法。试验时将试板固定在专门的试验机上。施焊后立即施加一橫向拉伸载荷，并调整拉伸应力使其达到某一定值，长时间保持这个应力，直至产生裂纹或断裂为止。如果不裂，则一般保持24小

18、时，可用产生冷裂纹的临界应力和加载的持续时间（即裂纹的潜伏期）来评定冷裂纹的敏感性和影响因素。X100 管线钢冷裂纹敏感性研究（2011年）张 君，牛 辉1.埋弧焊接具有生产率高、焊接质量高、劳动条件好等优点，成为石油天然气输送用钢管焊接通用方法。2.API SPEC 5L（44版）力学性能要求X100管线钢屈服强度Rp0.2为690-840 MPa， 抗拉强度Rm为760-990MPa。本试验用 X100管线钢 Rp0.2为734MPa，Rm为823MPa。3. 根据GB94461988焊接用插销冷裂纹试验方法， 试样采用环形缺口，插销圆柱直径A=8.0mm，缺口角度=40,试样长 L=13

19、5mm；试验选用埋弧焊工艺，焊缝成形系数较大，为确保缺口底部面积全部处于过热区范围内，并保证断裂完全沿缺口底部开裂，圆棒光面不发生塑性变形，缺口深度h采用1.5mm深缺口,缺口根部半径R=0.1mm。插销试验底板尺寸为260mm400mm，厚度15.3mm；插销孔直径8.1mm，间距33mm。4.根据X100管线钢抗拉强度及经验公式进行预定载荷的计算，为20000N。式中： cr插销试验临界断裂应力，MPa；H按GB 法测得的熔敷金属扩散氢含量，ml/100g；HV粗晶区的最大维氏硬度，HV10。5.焊接后当温度降到150时启动加载装置开始加载，在1min之内加载到预定载荷并保持。首先使用20

20、000N的载荷加载，16h内根据插销试样是否断裂， 再增加或减小 25%的拘束拉力。试验过程中采集并记录加载载荷、粗晶区的温度场、加载时间、t8/5和t100等数据6.随着拘束应力的降低，插销断裂时间逐渐延长， 当拘束应力降低到某一值时， 插销不发生断裂， 该应力即为临界断裂应力cr。7.根据断裂准则：临界断裂应力大于等于材料的屈服强度即能防止冷裂纹。一种微合金高强钢焊接冷裂纹敏感性（2011年）蒋庆梅，陈礼清，许云波，孙卫华1. 利用合金设计并结合现代冶金及先进制造工艺，可以实现低合金钢的高性能化，如采用合金强化、组织强化、控轧 控冷工艺(TMCP)、淬火-自回火控制轧制(QST)技术和弛豫

21、-析出控制相变(RPC)技术等。在上述领域应用的高强度钢，虽能满足结构需要，但同时也给结构件的焊接带来困难，尤其是抗拉强度大于800MPa 的低合金钢，焊接热影响区(HAZ)特别是粗晶区，容易出现冷裂纹和韧性下降的倾向，因此防止冷裂纹的产生成为低合金高强钢焊接所面临的问题之一。2 （1） （2）式(1)主要适用于中等强度的非调质低合金钢(Rm=400-700MPa)，而式(2)适用于强度级别较高的低合金高强钢(Rm=500-1000MPa)，且调质和非调质钢均可应用。上述2个公式均适用于含碳量0.18%（质量分数）以上的钢种，而碳的质量分数在0.17%以下时，则引起较大误差。3.试验中预热温度为100时，裂纹率均为0，因此可以把100作为该工艺条件下的临界预热温度。以该工艺条件为基础，通过理论计算可以获得该工艺对应的临界冷却时间(t8/5)cr，只要焊接工艺