1、,第五章 焊接裂纹,焊接裂纹的分类、特征各类裂纹的产生机理、影响因素 各类裂纹防止的措施重点：结晶裂纹H致延迟裂纹,第一节 概述,随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向 发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其 中普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。一、焊接裂纹的危害性脆性断裂 减小有效承载面积，形成应力集中。隐蔽性 潜在危险产生机理的复杂性 难以预防主要断裂事故给生产带来许多困难，可能引起灾难性事故。桥梁断裂 30年代比利时断裂的桥梁美国断裂自由轮40年代。压力容器,液化天然气贮罐发生连锁式爆炸;煤气球罐发生爆炸。,二、
2、焊接裂纹分类及其一般特征,裂纹的形态和分布:有焊缝的表面裂纹、内部 裂纹；有 HAZ的横向、纵向裂纹；有焊缝和焊道 下的深埋裂纹，弧坑(火 口)裂纹。裂纹有时出现在焊接过程 中，也有时出现在放置或,运行过程中，即所谓延迟 裂纹。焊接生产中所遇到裂纹,按产生裂纹本质来分，大 体上可分为五大类：,图5-4 焊接裂纹的宏观形态及其分布a）纵向裂纹 b)横向裂纹 c）星型裂纹1-焊缝纵向裂纹 2-焊缝横向裂纹 3-熔合 区裂纹 4-焊缝根部裂纹 5-HAZ根部裂纹 6-焊趾纵向裂纹（延迟裂纹)7-焊趾纵向 裂纹（液化裂纹、热裂纹)8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9-层状撕裂 l0弧坑裂
3、纹,(一)热裂纹,热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称 热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。结晶裂纹 发生裂纹的焊缝断面上，可 以看到有氧化的彩色。高温液化裂纹 近缝区或多层焊的层间 部位。热循环作用下，被焊金属含有较 多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应 力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。多边化裂纹 刚凝固的金属中存在很多 晶格缺陷，晶格缺陷的迁移和聚集，便 形成了二次边界，即“多边化边界”。边界上堆积了大量的晶格缺陷，组织性 能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界 开裂，产生“多边化裂纹”。,结晶裂纹,液化裂纹,多边化裂纹,厚板焊接结构，采用含有沉淀 强化合金元素的钢材，在
4、进行 消除应力热处理或在一定温度 下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为 再热裂纹，又称“消除应力处 理裂纹”，简称SR裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢 和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。敏感温度约在550650。沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。,(二)再热裂纹,(三)冷裂纹,冷至低温，由收缩力而引起的应变 超过材质本身所具有的塑性储备或 材质变脆而产生的裂纹,淬硬脆化裂纹,冷裂纹(Cold Cracking)是焊后冷至较低温度下产生的。1 延迟裂纹 焊后不立即出现，有一定孕育期，具有延迟现象。2 淬硬脆化裂纹 淬硬倾向很大的钢种，在拘
5、束应力的作用下导致开裂。没有延 迟现象，焊后可以立即发现。延迟裂纹3 低塑性脆化裂纹 塑性较低材料，,(四)层状撕裂,建造大型石油平台和厚壁压力 容器过程中，出现平行于轧制 方向阶梯形裂纹，即所谓层状 撕裂。产生层状撕裂的主要原因是轧 制钢材的内部存在不同程度的 分层夹杂物，焊接时产生的垂 直于轧制方向的应力，致使热 影响区附近或稍近的地方，产 生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。层状撕裂易发生在厚壁结构的T 型接头、十字接头和角接头。,(五)应力腐蚀裂纹,在腐蚀介质和拉伸应力的共 同作用下产生一种延迟破坏 的现象，简称SCC裂纹。SCC裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。SCC裂
6、纹断口为典型脆性 断口。,表5-1各种裂纹分类表,第二节 焊接热裂纹,热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，一般常用的低碳 钢、低合金钢到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产 生热裂纹的可能。焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是结晶裂纹。,一、结晶裂纹的形成机理,结晶裂纹产生位置：,沿焊缝中心纵向开裂 两个树枝状晶体之间 弧坑裂纹,焊缝结晶裂纹,焊缝中心 纵向裂纹,焊缝沿树枝晶界 结晶裂纹,弧坑裂纹,1 结晶裂纹产生原因,溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质 和杂质较多，溶质和杂质富集在生长的树枝晶前沿（K0=CS/CL1）。由于成分的偏析，富集的溶质和杂质与基体金属形成较低
7、熔 点共晶。凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心，呈“液态薄膜”状覆盖在晶粒的表面，割断晶粒之间的联系。由于凝固收缩，焊缝受到拉伸应力作用，焊缝中的液态薄膜 成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开 裂而形成结晶裂纹。,液态薄膜与结晶裂纹关系,当温度高于或低于ab之间的TB时，焊缝金属都有较大的抵抗 结晶裂纹的能力，因此具有较小的裂纹倾向。低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。焊缝中共晶数量超过一定限界之后，反而具有“愈合”裂纹作 用。,2 脆性温度区间根据结晶过程中金属塑性变化，确定结晶裂纹产 生的温度区间熔池的结晶过程分为三个阶段：液固阶段；固液阶段
8、“脆性温度区”，TB；(3)完全凝固阶段 强度和塑性恢复，很难发生裂纹。,3 产生结晶裂纹的受力条件,拉伸应力所产生的应变随温度按曲线1变化时，产生e应变量，焊缝仍具有相当于es塑性储备量，即:pmin-e=es。eso,故不会产生热裂纹。按曲线2变化时，拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低 塑性值pmin，故es=0，即处于临界状态。按曲线3变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温 度区内所具有的最低塑性(pmin)，es0，此时必将产生裂纹。产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的 拉伸应变大于焊缝金属所具有 塑性，或者说焊缝金属在脆性 温度区内的塑性储备量(es)小
9、于零时就会产生结晶裂纹。应变随温度变化,结晶裂纹主要决定于以下三个方面：A TB的大小 TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。B TB内金属的塑性 在TB内焊缝金属的塑性P越小，就越容易产生 结晶裂纹。C TB内的应变增长率 在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸 应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。,TB大小 TB塑性,化学成分 结晶条件 偏析程度晶粒的大小和方向,冶金 因素,热物理性质 焊件的刚度 焊接工艺 温度场,应变 增长率,力的 因素,二、结晶裂纹的影响因素,冶金因素和力的因素(一)冶金因素对产生结晶裂纹
10、影响 1 合金状态图和结晶温度区间随合金元素的增加，结晶温度 区间增大，TB增大，结晶裂纹 的倾向增加。S点，结晶温度区间最大，TB最 大，裂纹的倾向也是最大。当合金元素进一步增加时，结晶 区间和TB反而减小，裂纹倾向 降低。,焊接条件下为非平衡结晶，最 大固溶由S点移至S，裂纹倾向 的变化曲线也随之左移。,结晶温度区间与 裂纹倾向的关系,合金状态图与结晶裂纹倾向的关系,完全互溶,有限固溶,机械混合物,完全不固溶,结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。,2 合金元素对产生结晶裂纹的影响(1)硫和磷使结晶温度区间增加，易形成液态薄膜，增加结晶裂纹倾向。S、P是极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。焊接材料
11、严格控制硫、磷，S0.02，P0.017，CF钢(无裂纹钢)和Z向钢(抗层状撕裂用钢)等，只含有0.006硫，和0.003磷。冶金技术发展，出现细晶粒钢和控轧钢，都具有较高抗裂性能，钢中含硫、磷和碳很低。,碳 主要影响元素，能加剧硫、磷的有害作用。含碳量增加，初生相可由相转 为相，而S、P在相中溶解度 比在相中低很多，S、P会富 集在凝固的树枝晶前沿，增加 结晶裂纹倾向。锰 能置换FeS形成MnS，使薄 膜状FeS改变为球状分布。随含碳量的增加，则Mn/S的比 值也应随之增加。C0.1%；Mn/S22 C=0.110.125%；Mn/S30 C=0.1260.155%；Mn/S59Mn/S对S
12、化物形态影响,硅 相形成元素，有利于消除结晶裂纹，Si0.4时，易形 成硅酸盐夹杂，增加了裂纹倾向。Ti、Zr和Re能形成高熔点的硫化物，比锰的效果好，对消除 结晶裂纹有良好作用。见下表。,镍 易与硫形成低熔共晶(Ni与Ni3S2熔点仅645)，会引起结晶 裂纹。加入Mn、Ti等合金元素，可抑制硫的有害作用。氧 氧对焊缝产生结晶裂纹的影响，目前还没有定论。焊缝中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，形成Fe-Fes-FeO三元共晶，使FeS由薄膜状变为球状。,合金元素对铁结晶温度区间的影响,单相+,3 凝固组织形态对结晶裂纹影响 晶粒越粗大，柱状晶的方向越明 显，产生结晶裂纹倾向就越大。,加入细
13、化晶粒合金元素 破坏液态薄膜的连续性 打乱柱状晶的方向少量相存在：可以细化晶粒；打乱奥氏体粗大柱状晶方向性，相比相溶解更多S、P。焊接18-8型不锈钢时，希望得到+双相焊缝组织。,Micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal nickel-based superalloy,加入纳米Al2O3,加入纳米Y2O3颗粒熔覆层组 织,4 晶间易熔相对凝固裂纹敏感性影响,晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原 因，与晶间易熔物质数量有关。热裂倾向并不随着晶间易熔物的增 多而增大，有一个最大值。超过最 大值后，热裂倾向又
14、逐渐下降，直 到最后不产生裂纹。,晶间碳化物共晶的量，C,原因：晶间易熔相多，TB缩小，改变结晶形态，阻碍树枝晶的发展。促使液相在晶粒间流动和相互补充；液膜瞬间被拉开，很快通过毛细管作用将周围的液体渗入缝隙，起到填补和“愈合”作用。共晶型合金不易产生凝固裂纹,“愈合”是有效消除凝固裂纹方法结晶裂纹倾向较大的材料(如高强铝合金)，为了防止结晶裂纹，特 意增多焊缝中易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。,裂纹敏感性与易熔物质在晶间形态有 关：以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性 大；以球状存在时，裂纹敏感性小。液相在相晶界处平衡关系：=2 cos(/2)当=0，则2=；液相易在 晶界的毛细间隙内
15、延伸，形成连续液 膜，导致凝固裂纹倾向增大。当2，0，液相难以进入晶 界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向 小。,(二)力学因素对产生结晶裂纹影响,产生结晶裂纹的充分条件是必须 要有力的作用。金属强度m决定于晶内强度G,和晶间强度，随温度升高而,0降低，0下降较快。当温度达到T0时，G=0，所 以T0称为等强温度。TT0时，G0，若发生断裂 必然是晶间断裂。,金属强度随温度的变化和拉伸应力关系,G,0,1,2,若焊缝承受拉应力为2，2 0，就会产生裂纹。此即产生结晶裂纹的充分条件。,三、防治结晶裂纹的措施,(一)冶金因素方面1 控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量S、P0.030.04，C0.12
16、。焊接高合金钢，S、P0.03，用超低碳焊丝(0.030.06)。采用碱性焊条或焊剂，可以有效地控制有害杂质。2 改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径向焊缝中加入细化晶粒元素。得到+的双相组织(相控制在5左右)。结晶裂纹倾向较大的材料，为了防止结晶裂纹，增加焊缝中 易熔共晶的数量，使之具有“愈合”裂纹的作用。但这种方法 会带来其他不利影响(降低接头性能)，故应适当控制。,(二)工艺因素方面,主要是改善焊接时的应力状态。1 焊接工艺参数 焊接时焊缝承受拉伸应力所产生的应变量为e，瞬时的应变量(即应变率)应为e/t：,E,T0，可减小焊缝金属的应变，降低结晶裂纹的倾向。E，会使近缝区的
17、金属过热；T0，会恶化劳动条件，所以采用这种方法受到限制。,厚大件薄板,2 接头形式 影响接头的受力状 态、结晶条件和热的分布,表面堆焊和熔深较浅的对接 焊缝抗裂性较高。熔深较大的对接和各种角接 抗裂性较差。焊缝所承受的 应力正好垂直于杂质聚集的 结晶面上，易于引起裂纹。厚板焊接结构，多层焊裂纹 倾向比单层焊有所缓和，应 注意控制各层熔深。,接头形式对裂纹倾向的影响,搭接,T形,角接,堆焊,熔深较浅,熔深较深,接头处应尽量避免应力集中(错边、咬肉、未焊透)，是降低裂纹 倾向的有效办法。,Misalignment,Undercut,Insufficient Fill at the Root,两端
18、固定,一端固定，一端自由伸缩,Face Reinforcement,Root Reinforcement,1350,Improper Weld Contour,Concavity,Convexity,Excessive Concavity or Convexity,Influential FactorsWeld Bead Sizes,Angle,Finishing,Plate Thickness,Symmetry,Complicated Stress Transferring,Structural Stress,3 溶池的形状（1）形状系数=C/H，提高，可提高焊缝的抗裂性。,减小焊接电流，增
19、大电压，增大。增大焊速，降低，且使溶池形状发生变化，裂纹倾向 增大。=B/L,电弧焊,电渣焊,焊速小,焊速大,4 焊接顺序 调整焊接次序，尽量使焊缝能在较小刚度的条件下焊 接，使焊缝的受力较小。,放射交叉式的焊接次序能分散应力，如：锅炉管板与管束焊接。对称施焊，分散应力，减小裂纹倾向。不好好,工 字 梁,厚板多层焊,容器 环缝,4,4,采用引出板避免弧坑裂纹。采用适当的运条方法防止裂纹。采用一定的运条方法，可以减少 焊缝中杂质的偏析，使焊缝成型 良好。收弧不要过于突然，以免造成凹 陷的弧坑和弧坑裂纹。应当在收弧处稍作停留，并轻微 摆动，填满弧坑，再将电弧拉向 前方，提起灭弧。,四、近缝区液化裂
20、纹,液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小,一般只有在显微观察时才能发现。单道焊缝并未出现裂纹，而在多层焊时，在层间金属中却发现 了液化裂纹。,HAZ液化裂纹,(一)液化裂纹的形成机理形成机理：焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下，A晶界 上低熔共晶被重新熔化，在拉伸应力作用下沿A晶间开裂。,液化裂纹同样产生于脆性温度区。加热时，金属塑性在T1范围内发生陡 降，晶间低熔组成物熔化。冷却时，塑性恢复的温度总是低于加热 时塑性开始下降温度。冷却过程的脆性 温度区(T2)比加热时T1要大。在收缩应力作用下，处于薄弱状态的晶 间将在更长的时间内承受应变，为产生 裂纹提供更为有利的条件
21、。脆性温度区T2的大小是判断液化裂纹 倾向的一个重要指标。塑性最高的温度到无 塑性温度TnD(T1)。,(二)液化裂纹的影响因素冶金因素和力学因素共同作用结果。1 化学成分的影响硼 在铁和镍中的溶解度小，微量硼就能产生明显的晶界偏析。与铁、镍形成低熔共晶，如Fe-B为1149、Ni-B为1140或 990。镍 A形成元素，可显著降低S、P溶解度；镍易与许多元素形 成低熔共晶，易于产生液化裂纹。铬 一般钢中铬的含量不高时，没有不良影响。含量高时，晶 界可能产生偏析产物，形成Ni-Cr共晶(熔点1340)，从而增 加热裂纹倾向。,裂纹产生位置(1)裂纹起源于熔合线或结晶裂纹,，。,裂纹产生后沿HA
22、Z晶间低熔相扩展 成为近缝区液化裂纹。裂纹起源于粗晶区 HAZ粗晶区，杂质都富集到少量的晶界上，并且 成为晶间液体，在相间张力和冷却 收缩应力的作用下，产生液化裂纹裂纹的扩展平行熔合线，较长近缝区纵向裂纹；垂直熔合线，较短近缝区横向裂纹。,熔合区部分熔化粗晶区,1,2,沿熔合线垂直熔合线,2 工艺因素的影响E越大、吸入热量多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态 的时间就越长，液化裂纹的倾向越大。液化裂纹与熔池形状有关，如焊缝断面呈明显的倒草帽形，在熔 合线的凹陷处母材金属过热严重，该处易产生液化裂纹。,(三)液化裂纹的防冶防止液化裂纹的途径与结晶裂纹的防止途径基本上是一致的，也 是从冶金和工
23、艺两方面入手。如：尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量。,五、多边化裂纹,(一)多边化裂纹的形成机理结晶的固相晶粒中萌生出大量的晶格缺陷(空位和位错等)，在快 速冷却时，不易扩散，以过饱和状态保留于焊缝中。在一定温度和应力的条件下，晶格缺陷发生移动和聚集，形成二 次边界，即所谓“多边化边界”。冷却过程中，热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹，故称 多边化裂纹。,(二)多边化裂纹的主要特点多发生在纯金属或单相奥氏体焊缝中。附近常伴随再结晶，多边化裂纹总是迟于再结晶。重复受热多层焊层间金属及HAZ中，与晶界液化无关。断口呈现出高温低塑性开裂。(三)多边化裂纹的影响因素合金成
24、分的影响 多边化所需的激活能越高，则晶格缺陷的移 动和聚集就越慢，形成多边化的时间就越长。Ni-Cr系的单相合金中，向焊缝加入提高多边化激化能的元素(如Mo、W、Ti、Ta等)，则可有效地阻止多边化过程。高温相存在能阻碍位错移动，阻止二次边界形成。所以双相金 属具有良好的抗多边化裂纹的能力。应力状态的影响 有应力存在能加速多边化的过程。温度的影响 温度越高，所需的时间越短，增加裂纹倾向。,第三节 焊接冷裂纹,一、冷裂纹的一般特征形成温度Ms点附近或更低温度 起源地应力集中、H富集区,穿晶、沿晶,扩展方式 延迟特征 断口特征,二、冷裂纹的位置(一)焊趾裂纹 裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应
25、力集 中部位(如咬肉处)。裂纹的走向经常与焊道平行，一般由焊趾表 面开始向母材的深处扩展。(二)焊道下裂纹 常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热 影响区。裂纹走向与熔合线平行，但也有垂直熔合线的。(三)根部裂纹发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。与 焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。,BB焊趾toe,三、焊接冷裂纹的机理,钢种的淬硬倾向氢致延迟裂纹接头所承受的拘束应力状态,(一)钢种的淬硬倾向,淬硬倾向决定于化学成分、板厚、焊接工艺及冷却条件等。钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，1 形成脆硬的M组织近缝区的Tm很高(达1350)，A晶粒严重长大，快速冷却时，粗大的A将转变
26、为粗大的M。M是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，焊接 接头有M存在时，裂纹易于形成和扩展。特别是出现MT，硬 度很高，脆性大，对裂纹和氢脆的敏感性很强。组织对裂纹的敏感性大致按下列顺序增大：F或PB下MDB上粒状B岛状M-A组元MT。,2 淬硬会形成更多的晶格缺陷金属在热力不平衡条件下形成大量的晶格缺陷(空位和位错)。在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚 集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在 应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。用HAZ最高硬度Hmax评定高强钢的淬硬倾向。它既反映了马氏 体含量和形态影响，也反映了位错密度的影响
27、。MD位错密度约0.30.91012/cm2。焊接HAZ热应变量增加，位错密度也随之增加.HT80钢，每1应变量位错密度增加5109/cm2。,(二)氢致延迟裂纹,“氢致（助）裂纹”由于氢的扩散和聚集而引起的延迟裂纹。1H对裂纹倾向的影响临界含氢量Hcr 含H量越高，裂纹敏感性越大，当局部地区含氢 量达到某一临界值时，便开始出现裂纹。随钢中含碳量(Pcm,CE)增大，产生裂纹的Hcr 降低。,残余扩散氢HR 钢中的含氢量分为残余氢量和扩散氢量。只有在 较低温度下的扩散氢才具有致裂的作用，称为残余扩散氢HR。冷至100时的残余扩散氢(HR100)才是致裂的有效氢含量。,Pcm,%,CE,%,碳当
28、量与临界 含氢量的关系,2 H的动态行为氢的来源及焊缝中的含氢量H的浓度扩散H的组织诱导扩散 氢从溶解度较小、扩散速度较大的F向溶解 度较大、扩散速度较小的A中扩散。应力诱导扩散 H易向三向应力集中区扩散。,3 氢在致裂过程中的动态行为,热源高温作用，焊缝中溶解很多氢。焊缝和母材含碳量不同，相变具有不同时性。组织诱导扩散，H向HAZ的熔合线附近扩散。HAZ相变，H残留HAZ的M中，H聚集成H2，产生很高内应力。当内应力超过材料的强度，便产生裂纹。,AM,AF、P,HAZ有缺口效应，且H浓度很高 产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓度更高，使M脆化，产 生焊道下裂纹。若HAZ转变先于焊缝，此时氢 从
29、HAZ向焊缝扩散，延迟裂纹 就在焊缝上产生。,4 充氢钢拉伸试验(延迟开裂)uc 试件很快断裂，无延迟现象(相当于钢的抗拉强度b)。Lc，由加载到发生裂纹之前要经一段潜伏期，然后 是裂纹扩展，最后发生断裂，即延迟断裂。,5.氢的应力扩散理论金属内部的缺陷为潜在裂源，在应 力的作用下，形成了三向应力区，诱使氢向该处扩散、聚集。当氢浓度达到一定程度时，一方面 产生较大的应力，另一方而阻碍位 错移动而使该处变脆。试样受力时，氢易向三向应力区扩 散，应力也随之提高，当此部位氢 的浓度达到临界值时，就会发生启 裂和裂纹扩展。氢向新的三向应力区扩散，达到临 界浓度时又发生了新的裂纹扩展。这种过程可周而复始
30、断续进行，直 至形成宏观裂纹。,延迟裂纹,(三)焊接接头的应力状态,热应力（不均匀加热及冷却）母材和填充金属的热物理性质有关；结构的刚度有关；低碳钢，残余应力可达的1.2倍组织应力（相变产生）高强钢AF，P、M，体积膨账，而且 转变后的组织都具有较小的膨胀系数。表5-7,P248结构自身拘束条件所造成的应力结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等。三种应力的综合作用统称为拘束应力。“内拘束应力”(即热应力和相变应力)“外拘束应力”(结构刚度、焊接顺序、受载情况等造成的应力),拘束应力大小决定于受拘束的程度，即拘束度R。R：单位长度焊缝，根部间隙产
31、生单位长度弹性位移所需要力。对接接头，两端不固定，焊后产生S的热收缩(应变量)。两端固定时，接头的伸长量等于S，S w+bhw时，w0，忽略焊缝影响，S=b,L，则R。临界拘束度Rcr当R值大到一定程度时就产生裂 纹，这时R值称为临界拘束度。焊接接头临界拘束度Rcr值越大，接头的抗裂性越强。,拘束度与拘束应力关系：=mR同样钢种和同样板厚，接头的坡口 型式不同，产生不同的拘束应力。当拘束度一定时，正Y形、X形、斜Y形、K形、V形，拘束应力依次 增加。,临界拘束应力：焊接时产生的,cr拘束应力增大至开始产生裂纹，此时的应力称为临界拘束应力cr。cr值作为评定冷裂敏感性判据。cr几个计算公示：P2
32、50-251cr，安全。,与R关系,化学成分、拘束应力或拘束度、氢的有害作用以及焊接条件(一)钢种化学成分的影响碳当量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性。Pc=Pcm+H/60+/600（考虑H及拘束度）Pw=Pcm+H/60+R/400000Pc，Pw为冷裂纹敏感指数避免冷裂纹预热温度的经验公式：T01440Pw-392(二)拘束应力的影响,K1-板厚拘束系数，长焊缝K1=400；定位焊短缝K1=700。,拘束度与拘束应力关系：=mR。板厚越大，则拘束度也越大。50mm，R=71K1arctg(0.017)-(/400)2评定冷裂敏感性的依据：RcrR 不产生裂纹；RcrR 产生裂纹R
33、-实际接头，Rcr-不产生裂纹的临界拘束度不同接头的拘束度计算，见课本P255257。,四、影响焊接冷裂纹的主要因素及其防治,(三)氢的有害作用,拘束条件下对接，采用软质焊缝(低匹配)和硬质焊缝(高匹配)两 种情况对比，熔合线和焊根处塑性应变及氢浓度分布如图。熔合线和焊根部位氢发生聚积。高匹配时，焊根处氢浓度聚集严重，C/C0可达5.25。采用合适软质焊缝，有利于防止冷裂纹。改变坡口形式和采用预热、后热等，均可降低氢的聚集。,软质焊缝,硬质焊缝,软质焊缝,硬质焊缝,焊前塑性应变,焊后扩散H浓度与原始H浓度之比,H气泡动态逸出照片,(四)焊接工艺对冷裂纹的影响焊接线能量 E过大，近缝区晶粒粗大，降低接头抗裂性能；E 过小，不利于氢逸出，会使HAZ淬硬，故而也增大冷裂倾向。对于不同钢种应选用最佳的焊接E。预热 预热可以有效地防止冷裂纹。预热温度过高，恶化劳动条 件；另一方面在局部预热条件下，由
