焊接冷裂纹产生原因及防止措施

【摘要】本文主要分析了焊接冷裂纹产生机理及影响因素，并根据分析依据制定出防止产生裂纹的措施。

【关键词】焊接冷裂纹；产生原因；防止措施

随着钢铁、石油化工、电力等工业的发展，在焊接结构方面都取向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作，因此，各种低合金、高强钢、中高合金钢、超高强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。但是随着这些钢种和合金材料的应用，在焊接生产上带来了许多新问题，其中较为普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。焊接裂纹不仅给生产带来许多困难，造成停产、停工，而且可能带来灾难性的事故。世界上好多焊接结构所出现各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的问题之外，绝大多数是由裂纹而引起的脆性破坏，因此，裂纹是引起焊接结构发生破坏事故的主要原因。为了能有效的减少由于焊接裂纹引起的事故，保障安全生产，保障生命财产，很有必要对焊接裂纹产生原因进行分析，并制定出防止产生裂纹的措施。

一、焊接裂纹的分类

在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹，裂纹的形态和分布特征都是很复杂的，有焊缝的表面、内部裂纹，有热影响区的横向、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹，也有在弧坑处出现的弧坑裂纹。如果按产生裂纹的本质来分，可分为：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹五大类。在这里我们将对冷裂纹进行讨论、分析。

二、焊接冷裂纹形成机理与影响因素

（一）焊接冷裂纹的形成机理

大量实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向，焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。

高强钢在淬硬时，特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体，从金属强度理论可以知道，马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。另外，在焊接过程中，由于热源的高温作用，焊缝金属中溶解了很多的氢，当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快地从焊缝越过熔合线向未发生分解的奥氏体热影响区扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合线附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这个地区进一步脆化。如果这个部位有缺陷，并且氢的浓度足够高时，就可能产生裂纹。其次，在焊接过程中，由于焊接接头存在较大的拘束应力，如果拘束应力大于结构接头的临界应力，就会产生裂纹。

（二）冷裂纹的影响因素

焊接生产中影响冷裂纹的因素很多，也很复杂，但主要有以下几方面的影响因素。

1、钢种的化学成分。钢种的化学成分对冷裂纹影响十分，一般来讲，我们根据碳当量来判断钢种的冷裂敏感性，碳当量越大，钢种的冷裂敏感越强，而越易产生冷裂纹。

2、拘束应力的影响。焊接结构的类型很多，如球型罐、桥梁、工艺管线等，而每种结构又有不同的板厚，破口型式和焊缝位置，这些都会在焊接时产生不同的拘束应力，因而就直接影响到焊接接头的裂纹倾向，一般来讲，板厚越大，所造成的拘束度也越大，导致产生裂纹的倾向也就越大。

3、氢的有害影响。由于在焊接过程中，焊缝中溶解了大量的氢，如果在冷却过程中，需在根部有塑性应变的部位发生氢的聚集，使这个部位达到临界的氢浓度，由于焊根有应力集中，产生较大的应变，造成位错密布，使氢聚的浓度也有所增高。特别是采用硬质焊缝的高匹配时，焊根氢浓度聚集严重，根据前面已论述氢的有害性可知，同样导致产生裂纹。

4、焊接工艺对冷裂纹的影响。在施工中所采用的焊接工艺，如焊接线能量，焊前预热等对冷裂的敏感性均有不同程度的影响。

焊热线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，这样会降低接头的抗裂性能，线能量过小，由于降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而也增加了冷裂倾向。合理的预热可以有效地防止冷裂纹，如果预热温度过高，一方面恶化了劳动条件，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，反而会加剧产生冷裂，因此，不是预热温度越高越好。

三、冷裂纹的防止措施

冷裂纹的防止措施也是从冶金方面和工艺两方面来采取措施。

（一）冶金方面

1、选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接工艺是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。因为这样可以大大减少焊缝中氢的含量，从而减少氢致裂纹。此外，采用低匹配的焊条对于防止冷裂纹也是有效的。例如制造一些高强钢球形容器，内层采用与母材等强焊条，而表层2—6mm的厚度采用稍低于母材强度的焊条，增加焊缝金属的塑性储备，降低焊接接头的拘束应力，从而提高了抗裂性能，采用CO2气体保护焊也可获得低氢焊缝。

2、严格控制氢的来源是降氢的可靠途径，因为采用低氢焊接材料或低氢焊接手法还不能保证获得低氢焊缝，还要仔细烘干焊条、焊剂，注意环境温度，普通低氢焊条应在350摄氏度，超低氢焊条应在400—450摄氏度保温2h，并应妥善保存，最好在保温箱（筒）内存放，随用随取，以防吸潮。此外还对焊丝、钢板坡口附近的铁锈、油污等应仔细清理。对于熔炼焊剂，由于经过高温熔炼，所以含水分极少，焊前一般250摄氏度烘干并保温2h即可。

3、适当加入某些合金元素，提高焊缝金属的韧性，也可防止冷裂纹产生，例如钛硼、 钒、硒、碲、稀土等韧化焊缝的元素，因为在拘束应力的作用下，利用焊缝的塑性储备，减轻了热影响区负担，从而使这个焊接接头降低冷裂纹敏感性。另外，采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的低中合金高强钢，也能很好的避免冷裂纹。因为奥氏体塑性好，可减缓拘束应力，同时奥氏体焊缝可以溶解较多的氢，从而降低了热影响区产生冷裂纹的危险性。

（二）工艺方面

焊接工艺方面一般包括正确制定施工程序，选择焊接线能量，预热温度，焊后后热以及焊后热处理等，为改善结构的应力状态，应合理地分布焊缝的位置和施焊的顺序。另外采用多层焊能改善焊缝和热影响区的组织，但是多层焊层间温度应不低于预热温度，如果层间温度过低，也同样会产生冷裂纹。

四、结论

通过以上分析和讨论，只要我们在设计和施工过程中，认真选材，科学制定施工程序，在很大程度上可以有效的防止焊接裂纹的产生，从而可以防止由于焊接裂纹而导致事故的发生。

参考文献

[1]《实用焊接技术手册》，2002年9月，河北科学技术出版社

[2]《焊接手册》，2001年7月 机械工业出版社

[3]《焊接技师手册、金属管道焊接工艺手册》，2005年1月，机械工业出版社

[4]《焊接原理》，机械工业出版社

[5]《焊接冶金学》2002年1月，机械工业出版社