焊工中級(jí)班培訓(xùn)材料

1、4焊接結(jié)構(gòu)和零件斷裂失效分析本章主要講解焊接構(gòu)件的缺陷、裂紋及其分類；重點(diǎn)介紹熱裂紋和冷裂紋的形貌特征、 形成機(jī)制、影響因素和預(yù)防措施。41裂紋是對(duì)焊接構(gòu)件安全運(yùn)行威脅最大的缺陷本節(jié)首先介紹，常見(jiàn)焊接缺陷的定義和分類；接著說(shuō)明裂紋一一對(duì)安全運(yùn)行威脅最大的 缺陷的形態(tài)和分類；重點(diǎn)指出熱裂紋和冷裂紋我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。一、基本概念1、焊接缺陷在焊接過(guò)程中或焊后，在接頭中產(chǎn)生的不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的缺欠。當(dāng)缺欠不影響設(shè)備的運(yùn)行， 即是可以容許的時(shí)，稱為缺欠。當(dāng)缺欠直接影響安全使用時(shí)，稱為缺陷。有缺陷的接頭必須 進(jìn)行翻修或判廢。2、分類 按其性質(zhì)和特征，將其分為兩類：（1）不連續(xù)缺欠一一裂紋、夾渣、氣孔和未熔合

2、；（2）幾何偏差按照所在焊縫中的位置，將其分為外部和內(nèi)部?jī)深?。外部缺欠，亦稱宏觀缺欠一一位于焊縫金屬表面。用肉眼或低倍放大鏡（檢測(cè)尺可測(cè)量） 可見(jiàn)的缺欠。它包括焊縫余高過(guò)高或過(guò)低、焊縫寬度差過(guò)大、接頭過(guò)高或脫節(jié)、外部氣孔、 裂紋、未熔合、咬邊、未焊透、燒穿、焊瘤、電弧擦傷或成形不良（見(jiàn)圖1）。圖1常見(jiàn)幾種焊接缺陷內(nèi)部缺欠，亦稱微觀缺欠。一一位于焊縫金屬內(nèi)部。它包括裂紋、氣孔、夾渣、未熔合 等。其中裂紋危險(xiǎn)性最大，是失效分析研究的重點(diǎn)。它包括熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層 狀撕裂等。內(nèi)部缺欠要用探傷或破壞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。二、裂紋是最危險(xiǎn)的焊接缺陷，是失效分析研究的重點(diǎn)裂紋會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載面積，產(chǎn)生應(yīng)力

3、集中，誘發(fā)三向應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。當(dāng) 裂紋位于結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力高值區(qū)時(shí)，易引發(fā)低應(yīng)力脆斷；因此，裂紋是焊接結(jié)構(gòu)失效分析研究 的重點(diǎn)。三、裂紋的分類按照不同的分類方法，焊接裂紋可分為許多種類（見(jiàn)圖2）。1、按照裂紋的所在區(qū)域分為三類焊縫裂紋；熱影響區(qū)裂紋和母材裂紋。2、按照裂紋在焊縫中的部位分為兩類表面裂紋和內(nèi)部裂紋。再細(xì)分可分為：焊趾裂紋、焊道下裂紋、終端裂紋等。3、按照裂紋形態(tài)分為五類縱向、橫向、星形、八字和網(wǎng)狀。4、按照裂紋尺寸大小分為兩類宏觀和微觀裂紋。工程上通常以0.5mm為界。5、裂紋的形成機(jī)制和性質(zhì)分為六類熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋。前四種為結(jié)構(gòu)

4、的焊接裂紋，其中以熱、冷裂紋最為常見(jiàn)，危害最大使我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)；后兩種為結(jié)構(gòu)的運(yùn)行裂紋。圖2裂紋分類示意圖1一弧形裂紋；2一縱向裂紋；3一橫向裂紋；4一焊道下裂紋；5一焊趾裂紋；6一根部裂紋；7踵部裂紋；8顯微裂紋；9層狀撕裂；10熱裂紋；11 再熱裂紋；12內(nèi)部裂紋。4-2焊接熱裂紋失效分析本節(jié)首先介紹熱裂紋的定義和分類，接著說(shuō)明熱裂紋的形成機(jī)制和影響因素，重點(diǎn)說(shuō)明 熱裂紋的分析方法和預(yù)防措施，最后通過(guò)典型案例說(shuō)明熱裂紋的失效分析過(guò)程。一、熱裂紋的定義和分類熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，其特征是沿奧氏體晶界開(kāi)裂。下表是熱裂紋的分類和特 征。表1熱裂紋的分類和特征分類位置走向敏感溫度區(qū)母材備注

5、熱裂紋結(jié)晶裂 紋焊縫上多，少 量在熱影響 區(qū)沿奧氏體晶 界開(kāi)裂固相線以上稍高的溫度（固液狀態(tài)）碳鋼、低中合 金鋼、奧氏體 鋼、鎳基合金多邊化 裂紋焊縫、熱影響 區(qū)同上固相線以下再結(jié)晶溫度純金屬及單相奧氏體合金液化裂 紋熱影響區(qū)及多層焊的層 間沿晶開(kāi)裂固相線以下 稍低溫度含S、P、C較 多的鎳銘高 強(qiáng)度鋼、奧氏 體鋼和鎳基 合金再熱裂紋熱影響區(qū)粗 晶區(qū)同上600700C含沉淀強(qiáng)化 元素的高強(qiáng) 鋼、珠光體 鋼、奧氏體 鋼、鎳基合金二、裂紋的形成機(jī)制熱裂紋的斷口上有氧化色；有的焊縫熱裂紋中充滿熔渣，表明裂紋形成時(shí)熔渣和具有流動(dòng) 性（熔渣的凝固溫度比金屬低200C）。近縫區(qū)產(chǎn)生的熱裂紋，其微觀特征都是

6、沿晶界開(kāi)裂。熱裂紋又可細(xì)分為兩類、4種一一結(jié)晶裂紋、多邊化裂紋、液化裂紋（第一類）和再熱裂 紋（第二類）。1、結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋是在焊縫結(jié)晶過(guò)程的后期形成的。它只在焊縫中出現(xiàn)，多呈縱向分布在焊縫中。 也有呈弧形分布在焊縫中心線兩側(cè)，并且與焊縫表面波紋垂直；通常這種裂紋較長(zhǎng)、較深， 而弧形裂紋較短、較淺。弧形裂紋也屬于結(jié)晶裂紋，它產(chǎn)生于焊縫收尾處。結(jié)晶裂紋都沿著一次結(jié)晶的晶界分布，特別是沿著柱狀晶的晶界分布；焊縫中心線兩側(cè)的弧 形裂紋，是在平行生長(zhǎng)的柱狀晶界上形成的。而焊縫中心線上的縱向裂紋恰好處在從焊縫兩 側(cè)生成的柱狀晶的匯合面上。多數(shù)結(jié)晶裂紋的斷面上有氧化色，這是高溫形成的特點(diǎn)。在掃 描電子顯

7、微鏡下，結(jié)晶裂紋的斷口是典型沿晶開(kāi)裂，晶粒表面光滑。結(jié)晶裂紋的斷口上，雜質(zhì)元素S、P、Si比較多，并多見(jiàn)沿著先共析鐵素體擴(kuò)展；裂紋邊界彎 曲，端部圓鈍，這是高溫形成裂紋的特點(diǎn)。2、液化裂紋在母材近縫區(qū)，或多層焊的前一焊道處，因受熱而液化的晶界上形成的裂紋。其位置見(jiàn) 圖近縫區(qū)的液化裂紋多發(fā)生在母材，向焊縫凸進(jìn)去的部位。那里因?yàn)槿酆蠀^(qū)向焊縫側(cè)凹進(jìn)去而 過(guò)熱嚴(yán)重。這種裂紋多為微裂紋，尺寸較小，一般在0.5mm以下，個(gè)別可達(dá)到1mm；主要出 現(xiàn)在含合金元素較多的合金鋼、不銹鋼和耐熱合金的焊件中。3、多邊化裂紋亦稱高溫低塑性裂紋。它多發(fā)生在純金屬和單相奧氏體焊縫中；個(gè)別出現(xiàn)在熱影響區(qū)。其特點(diǎn)是：裂紋方向

8、任意貫穿于樹(shù)枝晶體；位置多在熱影響區(qū)和多層焊的層間；裂紋附近多伴隨再結(jié)晶 晶粒；斷口無(wú)明顯塑性變形特征。3、再結(jié)晶裂紋厚板結(jié)構(gòu)件，在焊后消除退火時(shí)，或在一定溫度下服役過(guò)程中，在熱影響區(qū)的粗晶處的裂紋。 稱為再熱裂紋。亦稱消除應(yīng)力處理裂紋。它多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體 不銹鋼和某些鎳基合金的焊接熱影響區(qū)粗晶處。這種裂紋具有沿晶特征，在本質(zhì)上與再結(jié)晶裂紋不同。三、焊接熱裂紋的分析方法常用的方法有裂紋宏觀分析、微觀分析。1、宏觀分析常用放大鏡、低倍金相顯微鏡進(jìn)行。這是工程上常用的方法。（1）肉眼觀察 在焊道上，可見(jiàn)縱向或橫向開(kāi)裂。對(duì)于靠近熔合區(qū)的開(kāi)裂，或焊趾、焊根、 焊接接頭等部位，

9、要仔細(xì)觀察。并詳細(xì)記錄裂紋的數(shù)量、位置和長(zhǎng)度。當(dāng)肉眼觀察有困難時(shí)， 可用放大鏡。接著要確定裂紋的取樣位置，并切去焊接裂紋金相試樣。要求試樣必須保留裂 紋的源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)。即保留裂紋的完整性。（2）在焊接接頭的某個(gè)斷面上，用拋光法，檢查裂紋的走向。將焊接接頭的某個(gè)斷面拋光， 可見(jiàn)裂紋的本身形態(tài)、是否分支、是否斷續(xù)、裂紋是彎曲還是平直、裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力的 關(guān)系、裂紋源的位置等。這種觀察可以避免因?yàn)楦g形成的紋線而影響觀察的準(zhǔn)確性。2、微觀分析當(dāng)宏觀分析不能得出肯定結(jié)論時(shí)，需要進(jìn)行微觀分析。微觀分析通常采用關(guān)學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針。目的在于研究例文的起源、 擴(kuò)展及其特征；有時(shí)配合硬度、夾

10、雜分布檢測(cè)，就能判斷出裂紋的性質(zhì)。常見(jiàn)的微觀分析方 法有：低倍金相分析、裂紋特征分析。裂紋的低倍分析在金相顯微鏡下，進(jìn)行幾十倍觀察即可。它能清楚觀察到裂紋的源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及于金相組 織的關(guān)系。裂紋形貌特征分析在焊縫區(qū)、近縫區(qū)，裂紋沿晶擴(kuò)展，斷面有氧化色，一般就可判為熱裂紋。結(jié)晶裂紋常 與先共析鐵素體、低熔點(diǎn)雜質(zhì)等有關(guān)系；它們會(huì)誘發(fā)結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。再熱裂紋一般產(chǎn)生于熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)。這在金相組織和裂紋的走向上，有明顯特征。 即主要沿著過(guò)熱粗晶的晶界擴(kuò)展。3、焊接材料成分分析熱裂紋和母材的化學(xué)成分有很大關(guān)系。當(dāng)熔池中有S、P有害元素，并形成低熔點(diǎn)共晶體 時(shí)，加之受到較大熱應(yīng)力作用，就會(huì)形成熱裂紋。工

11、程上常用焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能 力來(lái)衡量金屬的焊接性。即通過(guò)金屬材料熱裂紋敏感指數(shù)和熱裂紋試驗(yàn)來(lái)評(píng)定焊縫的熱裂紋 敏感性。(1)熱裂紋敏感指數(shù)法。通過(guò)計(jì)算熱裂紋敏感系數(shù)(HCS)和臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率來(lái)判定熱裂紋傾向。HCS=C (S + P + Si/25 + Ni/100)X 103：(3Mn+Cr+Mo+V)當(dāng)HCSW4, 一般不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋；HCS愈大，產(chǎn)生熱裂紋的傾向愈大；該式適合低合金 高強(qiáng)鋼、包括低溫鋼和珠光體耐熱鋼。臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率(CST)計(jì)算法CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni-3.9Mn-65.7Nb-618.5B+7.0)X10-4當(dāng)CSTN6.5X

12、10-4時(shí)，可以防止產(chǎn)生熱裂紋。再熱裂紋敏感指數(shù)法此處僅介紹一種方法一一AG法。此法適合預(yù)測(cè)低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性，即對(duì)產(chǎn)生再熱 裂紋的敏感性。 G=Cr + 3.3Mo + 8.1V-2(%)當(dāng)GV0時(shí)，不產(chǎn)生再熱裂紋；當(dāng)GN0時(shí)，對(duì)產(chǎn)生再熱裂紋敏感。此外，焊接工藝和結(jié)構(gòu)的運(yùn)行條件也會(huì)對(duì)熱裂紋、再熱裂紋有很大影響，此處從略。四、熱裂紋和再熱裂紋的預(yù)防措施1、冶金方面控制焊縫中，S、P、C等有害雜質(zhì)的含量。為此，要盡量限制母材和焊接材料中S、P、 C的含量。同時(shí)可以通過(guò)焊接材料中過(guò)度Mn、Ti、Zr等元素，克服S的不良作用；提高焊縫 的抗熱裂紋能力。重要的焊接結(jié)構(gòu)要采用堿性焊條或焊劑。 改善焊縫

13、結(jié)晶狀態(tài)在焊縫金屬中，或母材中，加入一些細(xì)化晶粒的元素，以提高抗 裂性能。如對(duì)18-8不銹鋼，調(diào)整焊縫或母材的成分，使得焊縫中能得到0 +丫雙相組織， 通常若使0鐵素體達(dá)到5%。即能提高抗裂性，又能提高耐腐蝕性。2、工藝方面控制焊縫形狀、預(yù)熱、降低接頭的剛度和約束度、采用堿性焊條或焊劑都能預(yù)防熱裂紋和再 熱裂紋。五、熱裂紋分析舉例此處僅以GH600波紋管” 600、0 1.0）與0Cr18Ni9Ti（O 1.0）接管，氬弧焊的熱裂紋分析 為例，介紹熱裂紋分析的方法和過(guò)程。1、兩種材料的化學(xué)成分表2兩種材料的化學(xué)成分（%）合金CMnSiFeCrNiS其它GH60010. 0510. 50. 35

14、7. 9815. 29余量0. 001Cu0.2 0.0320. 050. 600. 347. 8815. 4730，0680. 600. 358. 3815. 500Cr18Ni9Ti0. 080. 201. 0余量17.0 19.98.0 11.00. 030P0.032、焊接工藝自動(dòng)TIG焊對(duì)接。填充材料高溫合金N62焊絲等見(jiàn)表3。表3焊絲的化學(xué)成分（%）牌號(hào)CMnSiFeCrNiS+P其它N620.020.720.47.0515.5余量0.005H00Cr19Ni2Mo20.031.02.50.618.020.011.014.00.03H 0Cr21Ni100.062.00.419.5

15、22.09.011.0H 1Cr21Ni130.121.02.50.30.722.025.012.014.03、焊接結(jié)果用4種焊絲，相同的規(guī)范，分別進(jìn)行4快試件，對(duì)焊。搭接接頭，橫焊。在50mm的焊 縫上，檢測(cè)熱裂紋的數(shù)量。結(jié)果見(jiàn)下表。表4幾種焊絲的施焊結(jié)果焊絲H 0Cr21Ni10H 1Cr21Ni13H00Cr19Ni2Mo2N62肉眼檢查非常密集較多較少無(wú)滲透探傷6834120射線探傷不合格不合格不合格合格從表中可見(jiàn)，選用N62焊絲，焊前用丙酮仔細(xì)清洗母材和焊絲表面，采用較小的焊接熱輸入， 電弧偏向GH600 一側(cè)，可以得到滿意的接頭。4-3焊縫冷裂紋失效分析冷裂紋是最為普遍的一種焊接缺

16、欠。它是結(jié)構(gòu)件在焊后冷卻到較低溫度下產(chǎn)生的裂紋。一、冷裂紋概述主要發(fā)生在低合金結(jié)構(gòu)鋼、中合金鋼、中碳鋼和高碳鋼的熱影響區(qū)一一常見(jiàn)的有焊趾裂 紋、根部裂紋和焊道下裂紋三種。有時(shí)，焊接超高強(qiáng)度鋼和鈦合金時(shí)，也會(huì)在焊縫金屬上出 現(xiàn)冷裂紋。冷裂紋可在焊接后立即出現(xiàn)，也有時(shí)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，如幾個(gè)小時(shí)，幾天。甚至更常 時(shí)間出現(xiàn)。后者稱為延遲裂紋，并且更為常見(jiàn)。冷裂紋起源多在具有缺口效應(yīng)的焊接熱影響區(qū)，或理化性能不均勻的氫局部積聚區(qū)。它 有時(shí)沿晶界擴(kuò)展，有時(shí)穿晶擴(kuò)展；較多的情況是穿晶和沿晶混合擴(kuò)展。擴(kuò)展方式?jīng)Q定于接頭 的金相組織、應(yīng)力狀態(tài)和含氫量的多少。裂紋的分布與最大應(yīng)力方向有關(guān)?？v向應(yīng)力大，會(huì) 出現(xiàn)橫

17、向裂紋，橫向應(yīng)力大，會(huì)出現(xiàn)縱向裂紋。根據(jù)鋼種和結(jié)構(gòu)的不同，通常將冷列為你分為三類一一淬火裂紋、低塑性脆化裂紋和延 遲裂紋。僅用金相顯微鏡很難判斷冷裂紋的性質(zhì)，可采用掃描電子顯微鏡分析冷裂紋。二、裂紋的形成機(jī)理1、淬火裂紋亦稱淬硬淬化裂紋。一些淬硬傾向很大的鋼，如含碳量較高的Ni-Cr-Mo鋼、馬氏體不 銹鋼、工具鋼，都有可能出現(xiàn)這種裂紋。它們是冷卻時(shí)，發(fā)生馬氏體相變?cè)斐傻摹＿@種裂紋 常在焊后立即出現(xiàn)。在熱影響區(qū)和焊縫上都有可能出現(xiàn)。2、低塑性脆化裂紋一些塑性很低的金屬材料，冷至低溫時(shí)，由于收縮產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料本身的塑性儲(chǔ)備， 而產(chǎn)生裂紋。如焊接高銘合金、鑄鐵材料和堆焊硬質(zhì)合金都會(huì)產(chǎn)生這類裂紋

18、。這時(shí)產(chǎn)生的裂 紋也無(wú)延遲效應(yīng)。延遲裂紋焊接后不立即出現(xiàn)而是有一定的孕育期(潛伏期)。它出現(xiàn)的時(shí)間與鋼種的淬硬傾向、焊 接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量有關(guān)。層狀撕裂這種缺欠只發(fā)生在熱影響區(qū)的母材金屬內(nèi)部。一般在金屬表面不易發(fā)現(xiàn)。多出現(xiàn)在T形 接頭、角接頭和十字接頭中。當(dāng)焊接鋼板厚度較大，并且厚度方向受到較大拉應(yīng)力，就可能 出現(xiàn)沿著鋼板的軋制方向發(fā)展的具有階梯狀的裂紋。通常稱之為層狀裂紋。見(jiàn)圖P196圖7。撕裂裂紋由基本平行于軋制方向的平臺(tái)和大體垂直于平臺(tái)的剪切壁組成。這種缺欠與鋼 種的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，主要與鋼中的夾雜物的數(shù)量與分布狀態(tài)有關(guān)。在撕裂的平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)不同種類 的非金屬夾雜物。層狀撕裂

19、的危險(xiǎn)性在于，它有隱蔽性?，F(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)手段難于發(fā)現(xiàn)。另外這種缺欠修 復(fù)起來(lái)十分款困難。更要強(qiáng)調(diào)的是，發(fā)生層狀撕裂的一般都是大型厚壁的重要構(gòu)件。如海洋 采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆壓力容器、潛艇外殼等。這些結(jié)構(gòu)因?yàn)閷訝钏毫言斐傻氖鹿适菫?zāi)難性的。 因此，必須在設(shè)計(jì)、選材和施焊工藝上加以預(yù)防。應(yīng)力腐蝕裂紋焊接接頭在一定溫度下，受到腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用，產(chǎn)生的裂紋稱為應(yīng)力腐蝕裂 紋。在石油、化工、冶金、能源和海洋工程中的許多構(gòu)件，常因?yàn)楹负筝^大殘余應(yīng)力，在工 作過(guò)程中應(yīng)力較大，而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。這種裂紋在未有任何變形、無(wú)任何征兆的情況下 發(fā)生，具有很大破壞性。在焊縫上的應(yīng)力腐蝕裂紋，無(wú)明顯的均勻腐蝕痕

20、跡，裂紋呈龜裂形 式；從微觀看，裂紋呈枯干的樹(shù)枝狀，根須細(xì)長(zhǎng)，并帶有分支，斷口未典型的脆性斷口。一 般情況下，低碳鋼、低合金鋼、鋁合金、a黃銅、鎳合金多為沿晶斷口； 6黃銅為穿晶斷口。 奧氏體不銹鋼的斷口因腐蝕介質(zhì)不同，有穿晶和沿晶之分。三、焊接冷裂紋的形態(tài)與預(yù)防措施根據(jù)裂紋的分布位置，將其分為4種一一焊道下裂紋、缺口裂紋、橫向裂紋和凝固過(guò)渡層 裂紋。1、焊道下裂紋這是一種細(xì)小的裂紋，多出現(xiàn)在距熔合邊0.10.2mm的近縫區(qū)。這里常有粗大的馬氏體組 織。裂紋走向大致與熔合線平行，并且一般不顯露于焊縫表面。2、缺口裂紋這種裂紋起源于應(yīng)力集中的缺口部位。如焊縫根部、焊縫的縫邊或焊趾，這些地方多為粗

21、 大的馬氏體組織。根據(jù)源區(qū)不同又可細(xì)分為：焊根裂紋、焊趾裂紋（亦稱縫邊裂紋、其中根 部裂紋是高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)最為常見(jiàn)的裂紋。3、橫向裂紋對(duì)于淬硬性大的合金鋼，這種裂紋一般起源于熔合區(qū)而延伸到熱影響區(qū)和焊縫。其裂紋走 向一般垂直于熔合區(qū)，?？惋@露于表面。在厚板多層焊接時(shí)，裂紋多發(fā)生在距離焊縫表面有 一小段距離的焊縫內(nèi)部，其方向垂直焊縫軸線。通常，降低焊縫的氫含量，就能減少這種裂 紋。4、凝固過(guò)渡層裂紋只產(chǎn)生在用奧氏體焊條，焊接合金結(jié)構(gòu)鋼的焊縫未混合區(qū)或凝固過(guò)渡層。由于凝固過(guò)渡層 出現(xiàn)粗大馬氏體而引起。用鐵素體焊條這種裂紋能消失。四、預(yù)防焊接冷裂紋的措施1、正確選擇鋼種和焊條鋼的淬透性愈大，愈易產(chǎn)生

22、冷裂紋；顯然，鋼的化學(xué)成分、焊接工藝、結(jié)構(gòu)的板材厚度、 冷卻條件都會(huì)影響淬透性。如設(shè)計(jì)上要選用抗冷裂紋性能好的材料。即盡量選用碳當(dāng)量Cep ??；冷裂紋敏感系數(shù)Pcm小的鋼種。因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)大的鋼，淬硬的傾向大，產(chǎn)生冷裂紋的 傾向大。并且，研究發(fā)現(xiàn)，碳是引起冷裂紋傾向最大的元素。近年來(lái)，各國(guó)都在致力發(fā)展低 碳、純凈、和多元合金化的新鋼種，如一些無(wú)裂紋鋼，這些鋼具有良好的焊接性；對(duì)中厚板 的焊接也無(wú)需預(yù)熱。2、氫的作用氫是引起冷裂紋的重要因素。故延遲裂紋又稱為氫致裂紋。由于氫在奧氏體中的溶解度大， 在鐵素體中的溶解度?。划?dāng)焊縫金屬發(fā)生相變時(shí)，氫的溶解度會(huì)突然下降，另外氫在奧氏體 和鐵素體中的擴(kuò)散速

23、度不同，這些都會(huì)使得氫在熔合區(qū)積聚，并在后來(lái)的馬氏體相變過(guò)程中， 殘留在馬氏體中。這時(shí)當(dāng)熱影響區(qū)有微觀缺欠，如微孔、顯微夾雜，氫就會(huì)在其中不斷擴(kuò)展， 直到形成微觀裂紋。由于氫的溶解、擴(kuò)散、積聚、產(chǎn)生應(yīng)力以致開(kāi)裂，需要時(shí)間，故這種裂 紋具有延遲性。顯然，選擇低氫和超低氫的鋼材是預(yù)防冷裂紋的重要措施。下表是國(guó)際對(duì)于焊條擴(kuò)散氫含 量的分類。表5國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊條擴(kuò)散氫含量的分類焊條分類擴(kuò)散氫含量/mlX (100g)-1非控氫焊條高氫159控氫焊條中氫10 155.59低氫51025.5極低氫W5W2從表中可見(jiàn)，對(duì)于重要的焊接結(jié)構(gòu)，盡量選用超低氫焊條。我國(guó)對(duì)于碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 焊條的熔敷金屬氫含量，已

24、經(jīng)作出規(guī)定。具體內(nèi)容此處從略。另外，嚴(yán)格烘干焊條或焊劑對(duì)于防止氫致延遲裂紋也十分重要。具體此處從略。再次，選擇強(qiáng)度級(jí)別比母材低的焊條，有利于防止冷裂紋的形成。以便在焊縫產(chǎn)生塑性變 形，減低接頭約束力，防止產(chǎn)生冷裂紋；還可采用“軟層焊接”方法。即在高強(qiáng)度鋼的球形 容器焊接時(shí)，采用抗裂性好的焊條作底層，內(nèi)層采用與母材等強(qiáng)度的焊條，表層26mm采 用稍低于母材的焊條。這樣可以增加焊縫金屬的塑性儲(chǔ)備，降低焊接接頭的約束力，提高焊 縫的抗裂紋性能。也還可以，用奧氏體焊條，或在焊縫金屬中增加微量元素，如Ti、Nb、Mo、V、B等能 韌化焊縫的金屬，從而，減少冷裂紋。3、接頭的約束應(yīng)力由于焊接時(shí)，焊縫和熱影

25、響區(qū)的熱應(yīng)力不均勻；金屬相變時(shí)的體積效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力；結(jié)構(gòu)形 式、焊接位置、施焊順序及方向、部件的剛性、冷卻先后產(chǎn)生的應(yīng)力。就是約束應(yīng)力的來(lái)源。 如，嚴(yán)格控制焊接熱的輸入、合理選擇預(yù)熱溫度、緊急后熱，以及加強(qiáng)焊接的質(zhì)量管理，都 可以預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生。具體細(xì)節(jié)從略。五、冷裂紋分析與預(yù)防實(shí)例此處僅以大型球罐的冷裂紋為例介紹冷裂紋的失效分析與預(yù)防。1、基本概況某石化廠1000m5液化石油氣球形罐，壁厚34mm，設(shè)計(jì)壓力1.275MPa，充氣系數(shù)0.8， 設(shè)計(jì)使用溫度為常溫。球罐材質(zhì)15MnVR和U39G (與15MnVR成分相近，但含Ni0.52%)； 焊接材料E5015 (J507)焊條。下表是球形罐

26、用材的成分與性能。表6 球形罐用材的成分(%)與性能材料CMnSiSPVCuNias6 (%)MPa15MnVR0.161.350.120.0270.0190.090.1255906103904002123U39G0.181.420.220.0080.0080.180.030.5257058043043520242、裂紋種類焊后，射線檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。分析后認(rèn)為是焊接冷裂紋。其中類為：焊趾處縱向裂紋 大都為沿晶擴(kuò)展與穿晶擴(kuò)展的混合裂紋。橫向裂紋 基本為穿晶擴(kuò)展，并帶分叉。3、裂紋的部位裂紋在表面主要有兩種垂直焊縫的橫向裂紋這種裂紋源于焊縫金屬，穿過(guò)熔合區(qū)、熱影響區(qū)，最后終止在母材的熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)。 一般尺寸在520mm，較短??；