焊接冷裂纹产生的原因及预防措施

郑芬

摘 要：随着中职类技能高考的推进，在2017年新增焊接专业的技能高考科目，其中在焊接质量评分中有一项是关于焊缝质量要求的标准，既焊缝不允许有裂纹，换句话说，当焊缝出现裂缝时，这一项就是零分。而在实际产品焊接技术要求中，焊缝也不得有裂纹产生，否则视为废品。在此，讨论在焊接过程中，焊缝裂纹产生的原因及对策，以预防学生在焊接过程中发生致命的焊缝缺陷。

关键词：焊接裂纹;冷裂纹的特点;冷裂纹产生的原因;防止冷裂纹的措施

裂纹是焊接结构最危险的一种缺欠，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故。在焊接生产中出现的裂纹形式是多种多样的，有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能观察到;有的隐藏在焊缝内部，不通过无损检测就不能发现。有的产生在焊缝中;则有的产生在热影响区中。不论是在焊缝或热影响区上的裂纹，平行于焊缝的称为纵向裂纹，垂直于焊缝的称为横向裂纹，而产生的焊缝收弧弧坑处的裂纹称为弧坑裂纹。根据裂纹产生的机理，我们把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂，本文主要讨论的是焊接冷裂纹。

焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说，在Ms温度即马氏体转变温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、中碳钢、合金钢的热影响区，根据钢材种类、含氢量、应力状态和结构形式不同，冷裂纹可以分为延迟裂纹、淬火裂纹、低塑性脆化裂纹。

1 冷裂纹的特点

1）产生的温度和时间。冷裂纹发生在焊接之后，一般温度在Ar3以下的冷却过程中或冷却以后产生，形成裂纹的温度约在200℃～300℃以下，即马氏体转变范围。

冷裂纹可以在焊接后立即出现，但也有些可以延迟至几小时、几天、几周甚至一、两个月之后，这种冷裂纹又叫延迟裂纹。大的冷裂纹不是一下子生成的，它的生成规律是先发生几处小的或显微的裂纹，然后逐步向长度或深度上发展，几个小裂纹陆续连接起来。某些焊接结构，当小裂纹发展到一定程度后，可能在瞬间内迅速扩大，引起结构整体的突然断裂，甚至同时产生较大的声响和机械振动。

2）产生的部位。冷裂纹大多数产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上，但也有可能产生在焊缝上。根据冷裂纹产生的部位有焊道下裂纹、焊趾裂纹、根部裂纹。

3）外观特点。显露在接头金属表面的冷裂纹，断面上没有明显的氧化色彩，所以裂口发亮。

4）金相结构。冷裂纹一般为穿晶型裂纹，在少数情况下，也可能沿晶界发展。

2 冷裂纹产生的原因

1）淬硬倾向。焊接时，钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大，就意味着得到更多的马氏体组织，马氏体是一种硬脆的组织，在一定的应变条件下，马氏体由于变形能力低而容易发生脆性断裂，形成裂纹。焊接接疛的淬硬倾向主要和钢的化学成分、焊接工艺、结构板厚及冷却条件有关。

2）氢的作用。焊接时，焊缝金属吸收了较多的氢，由于焊缝冷却速度很快，氢气往往来不及全部析出，所以仍有一部分氢气留在焊缝金属内。在固体金属中，氢在不同组织中的溶解度是不同的，氫在奥氏体中比在铁素体中的溶解度大。由于焊缝金属的含碳量低，冷却过程中在较高温度下奥氏体就开始析出铁素体，也就是焊缝的组织转变比热影响区金属早。而氢在铁素体中的溶解度又比奥氏体小，故焊缝中就有氢析出，但氢在铁素体中的扩散能力却比较大。这些氢就扩散到近旁仍为奥氏体组织的热影响区，使热影响区的含氢量增加。在随后的冷却过程中，当热影响区的奥氏体也析出铁素体时，氢的溶解度降低，这样就有相当多过剩的氢析出，聚集在热影响区熔合线附近，形成一个富氢带。如果焊接的是低合金高强度钢，则奥氏体将转变为马氏体。马氏体和铁素体一样，氢的溶解度也比奥氏体小得多，所以在焊接接头冷却时，析出的氢就向周围热影响区扩散，待热影响区转变成马氏体后，在热影响区内就会聚集相当多的氢，达到过饱和状态，当这里存在显微缺欠，如原子空位、空穴等时，氢原子就在这些地方结合成分子状态的氢，在局部地区造成很大的压力，加上奥氏体组织在转变为马氏体组织时，由于体积膨胀而产生的巨大组织应力，就促使钢发生破坏，从而形成裂纹。

3）焊接应力。一是焊接接头内部存在的应力，包括由于温度分布不均造成的温度应力和由于相变特别是马氏体转变形成的组织应力;二是外部应力，包括刚度约束条件、焊接结构的自重、工作载荷等引起的应力。

换言之，氢、淬硬组织和应力这三个因素是导致产生冷裂纹的主要原因，它们相互影响，相互促进，不过在不同情况下，三者中必有一种是更为主导的因素。例如一般低碳合金高强度钢中，虽有高的淬透性，但低碳马氏体组织对氢的敏感性不十分大，可是当含量达到一定数值时，仍产生了裂纹，此时冷裂纹的主要原因是氢。对于中碳高强度合金钢，具有高的淬硬性，而淬硬组织有高的氢脆敏感性，此时的主要原因为淬硬组织。又如焊根有未焊透或咬边等缺欠，以及余高截面变化很大，存在较高的应力集中区，则应力就成为主要矛盾。

3 防止冷裂纹的措施

1）冶金措施。（1）选用碱性低氢型焊条。以减少带入焊缝中的含氢量。（2）选用奥氏体焊条。对于高强度钢，可采用不锈钢焊芯或者用奥氏体镍基合金等焊条或焊丝，这些合金的塑性比较好，可抵消马氏体转变时造成的一部分应力。另一方面氢在奥氏体中溶解度较高，扩散速度慢，故氢不易向热影响区扩散聚集。

2）工艺措施。（1）焊前预热。在材料淬硬倾向大，钢板厚度大，气温低等条件下，采取焊前预热或者一边焊接一边补充加热的方法，是防止冷裂纹的有效措施。预热可以是整个焊件总体加热，也可以是焊缝附近局部加热。预热的作用在于通过减缓冷却速度，改善接头的显微组织，降低焊接热影响区的硬度和脆性，提高塑性，并使焊缝中的氢加速向外扩散。预热也可以起到减少一些焊接应力的作用。（2）选用适当的焊接参数。适当减慢焊接速度，使焊接接头的冷却速度慢一些，对防止产生冷裂纹是有利的。焊接速度过大，焊接接头冷却速度高，容易产生淬火组织;焊接速度过小，热影响区过热厉害，晶粒粗大，而粗大的晶粒会增加金属淬火的倾向。同样，由于热影响区增大而淬火区加宽，这都将促使冷裂纹的产生。因此焊接参数应选得合适。（3）采用减少氢的工艺措施。减少焊缝金属中氢的含量，热影响区的冷裂倾向可大为减轻。例如焊条、焊剂严格烘干，随用随取;仔细清理坡口，去油除锈，防止环境中的水分带入焊缝;正确选择电源与极性，注意操作方法等。（4）后热。焊接后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，以使其缓冷的工艺措施称为后热，又称消氢处理。后热主要是使扩散氢能充分从焊缝中逸出，对于防止延迟裂纹的产生有明显的效果。（5）采用合理的装焊顺序。采用合理的装焊顺序、焊接顺序、焊接方向等，可以改善焊件的应力状态。（6）焊后热处理。焊件在焊后及时进行热处理，例如高温回火，可以改善接头的组织和性能，可以使氢扩散排出，也可以减少焊接应力。

参考文献

[1]技工学校机械类通用教材编审委员会.焊工工艺学.第5版[M].机械工业出版社，2016

[2]尹士科.焊接材料手册[M].中国标准出版社，2010.

[3]徐卫东.焊接检验与质量管理[M].机械工业出版社，2008.

[4]上海焊接协会.现代焊接生产手册[M].上海科学技术出版社，2007.

[5]简明焊工手册编写组.简明焊工手册[M].机械工业出版社，2000.