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焊接冷裂纹成因

2022-10-29 10:1214390

    冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹,它是在焊后冷却至较低温度时产生的,对于低合金高强钢,大约在马氏体转变温度附近。冷裂纹形成的三要素分别为钢种淬硬倾向、焊缝中的氢含量及其分布、焊接接头应力状态。

 淬硬倾向

     钢材的淬硬倾向主要取决于其化学成分和冷却条件。钢材的淬硬倾向越大,焊接时越容易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大,意味着焊接受热时会产生更多的马氏体组织,而马氏体变形能力低容易发生脆性断裂。而焊接接头的淬硬倾向,除了化学成分、冷却条件之外,还与焊接工艺、结构板厚有关。

    其中,化学成分对钢材淬硬倾向的影响,可以用碳当量法[2]粗略估计,如下:

CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

例如,对于厚度小于20mm的钢板,当CE<0.4%时淬硬倾向不大。

    淬硬倾向大的金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷,在应力和热力不平衡的条件下,会形成裂纹源乃至扩展形成宏观裂纹。

    如果焊缝和热影响区中有氢存在,会降低其韧性,产生氢脆。而高碳马氏体淬硬组织对氢脆敏感性很强,冷裂纹敏感。在焊接中常用热影响区的最高硬度来评定某些高强钢的淬硬倾向。

    氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素之一,并且使之具有延迟的特征,通常把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。之所以会有“延迟”,是因为氢在钢中的扩散、在微观缺陷处聚集、产生应力,直至开裂纹都需要一定的时间。

    高强钢焊接接头的氢含量越高,裂纹敏感性越大,当氢含量大于某一临界值时,便会开始出现裂纹,临界值大小因具体而异。

    焊接热影响区中氢的浓度足够高时,会其中的马氏体组织(若有)进一步脆化,进而形成裂纹。

应力状态

    高强钢焊接时冷裂纹的产生不仅取决于钢的淬硬倾向、氢的有害作用,还取决于焊接接接头的应力状态,有时应力状态甚至起决定性作用。焊接接头的热应力(不均匀加热和冷却)、相变应力(相变时组织的体积变化)及结构形式、焊接顺序等都会形成拘束力。

    上述形成冷裂纹的三要素,各有其内在规律,但又相互影响。总的来说,热影响区和焊缝金属的淬硬倾向是产生裂纹的内在因素,而只有当钢中有淬硬组织形成时,氢才能发挥其诱发裂纹的有害作用。


参考文献

[1] 李亚江. 焊接冶金原理. 北京: 化学工业出版社, 2014

[2] 李亚江. 焊接冶金学——材料焊接性. 北京: 机械工业出版社, 2006






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