焊接冷裂纹

定义：焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说大约在 Ms 点，即马氏体转变开始温度以下）时产生的裂纹。它是一种延迟裂纹，有的在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。1.1形成原因：焊接过程会产生多种应力，包括热应力、组织应力和拘束应力。热应力是由于焊接时局部加热和冷却不均匀造成的；组织应力是由于焊缝和热影响区组织转变（如奥氏体向马氏体转变）引起的体积变化产生的；拘束应力是焊件受到外部拘束（如夹具夹紧、结构自身的刚性约束等）而产生的应力。这些应力的叠加，使得焊接接头在冷却过程中处于较高的应力状态。当应力超过焊接接头在低温下的强度极限时，就会产生冷裂纹。例如，在焊接厚壁压力容器时，由于焊件自身的拘束度较大，焊接应力也较大，冷裂纹的产生概率就相对较高。氢是导致焊接冷裂纹的关键因素之一。在焊接过程中，焊接材料中的水分、焊件表面的油污和铁锈等都会在电弧高温作用下分解出氢原子。氢原子的半径很小，很容易在金属晶格中扩散。在焊缝冷却过程中，氢原子会向应力集中部位（如熔合线等）扩散聚集，当氢的浓度达到一定程度时，会结合成氢分子。氢分子的体积比氢原子大很多，会产生很大的压力，使金属的局部脆化，降低金属的韧性，从而导致裂纹的产生。比如，在一些低合金高强钢焊接中，如果没有对焊件进行很好的预热和脱氢处理，氢致裂纹就很容易出现。当焊缝和热影响区的冷却速度过快时，容易形成马氏体等淬硬组织。马氏体的硬度高、塑性差。例如，在高强度钢焊接中，如果焊接热输入过小，冷却速度就会很快，热影响区就会形成大量马氏体。这些马氏体组织在焊接应力的作用下，很容易产生裂纹。因为马氏体的比容比奥氏体大，在马氏体转变过程中会伴随着体积膨胀，这就会在周围组织中产生很大的组织应力，与热应力叠加后，导致裂纹的产生。淬硬组织的形成、氢的作用、焊接应力的存在防止措施：尽可能减少焊件的外部拘束，例如在设计焊接结构时，采用合理的接头形式和结构形状，避免过大的拘束应力。在焊接过程中，如果条件允许，可以适当松开夹具，减少拘束应力。合理控制焊接电流、电压和焊接速度等工艺参数。例如，适当增加焊接热输入，可以降低焊缝的冷却速度，减少淬硬组织的形成。但热输入也不能过大，否则会导致焊缝金属过热、晶粒粗大等问题。同时，采用多层多道焊的方式，可以使焊缝和热影响区的热循环更加合理，降低焊接应力。预热是在焊接前对焊件进行适当加热。对于易产生冷裂纹的材料，如某些高强钢，预热可以降低焊缝和热影响区的冷却速度，减少淬硬组织的形成。预热温度一般根据焊件的材质、厚度和拘束情况等来确定。后热是在焊接完成后，立即对焊件进行加热，其主要目的是使焊缝中的氢能够充分扩散逸出，一般后热温度在 200 - 350℃左右，时间根据焊件厚度等因素确定。
应选择低氢型焊接材料，例如在焊接低合金高强钢时，使用低氢焊条或富氩气体保护焊用焊丝。这些焊接材料中的含水量低，能够减少焊接过程中氢的来源。选用合适的焊接材料、预热和后热、控制焊接工艺参数、降低焊件拘束度。经常产生区域：熔合线附近：熔合线是焊缝金属和母材金属的交界区域。在这个位置，由于化学成分和组织性能的不均匀性较为明显，容易产生冷裂纹。从化学成分来看，熔合线处的合金元素分布不均匀，可能会导致局部淬硬倾向增加。例如，在焊接低合金高强钢时，熔合线处的母材部分由于热影响，冷却后可能形成马氏体组织。同时，氢原子在熔合线处也容易聚集。因为熔合线是焊接过程中温度梯度较大的区域，氢原子会在浓度差的驱动下向熔合线扩散，当氢含量达到一定程度，再加上熔合线处的组织应力和热应力，就容易产生冷裂纹。热影响区“热影响区中的粗晶区是冷裂纹的高发区域。在焊接过程中，这个区域受到的热作用使晶粒长大，导致组织粗化。以钢材焊接为例，热影响区的粗晶区在快速冷却后，容易形成粗大的马氏体组织。这种组织硬度高、塑性差，并且由于晶粒粗大，晶界面积相对减小，晶界对裂纹扩展的阻碍作用减弱。而且，热影响区在焊接过程中同样会受到氢的侵入，氢原子在粗晶区的晶格缺陷处聚集，与组织应力和热应力共同作用，促使冷裂纹在热影响区产生。焊缝根部：焊缝根部是焊接接头的关键部位，也容易出现冷裂纹。在焊接过程中，根部的焊接质量受到多种因素的影响。例如，根部的熔透情况如果不好，会存在未焊透等缺陷，这些缺陷会造成应力集中。同时，根部的冷却速度可能会因为散热条件等因素而加快，导致淬硬组织的形成。而且，氢原子也容易在根部聚集，因为焊接时，保护气体或者熔渣对根部的保护效果可能相对较差，外界的水分等含氢物质容易进入，从而增加了冷裂纹在焊缝根部出现的可能性。

焊接冷裂纹是在焊接接头冷却到较低温度时发生的裂纹。其形成原因包括热应力、组织应力和拘束应力的叠加，以及氢的影响和马氏体形成。防止措施主要有减少外部拘束、合理控制焊接参数、使用低氢型焊料、进行预热和后热处理。常见产生区域包括熔合线附近、热影响区和焊缝根部。
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复习复习

看到裂纹后最简单的区分方法：裂口处呈现金属色（金属的白色）一般属冷裂纹，呈现蓝色或多彩色大多属热裂纹。