焊接冷裂纹问题一看就秒懂

小明是某水电施工单位焊接技工，在焊接780和980 MPa水电钢管时，时常碰到裂纹问题，同样的材料和工艺条件，时常碰到裂纹。工友们七嘴八舌，“预热不够”、“保护气体不对”、“焊材不对”、但谁也说不清道理，也提不出解决办法。因此小明不得不去请教，人见人爱，知识渊博，漂过洋留过学的张博士。

小明

终于焊完了，看着漂亮的焊道满心欢喜啊。但有时，也会在焊后听到清脆的崩裂声，检查后就会发现如下图所示的裂纹：

小明

这到底是哪门子道理呢？可是困扰了很长时间啦！

预热不够@#%$##@$@%$##@$@

保护气体不对@#%%@$%!$%@$%

焊材不对@#!$%@$#%@$!%@$#%

工友

小明

别嘈嘈啦，都说不清道理，有啥子用伐。

要不去求救张博士！

冷焊机,电火花堆焊修复机,铸造缺陷修补机,精密补焊机,模具修补机,被覆机,发电电焊机

小明通过网络与张博士取得了联系。

小明

张博士好，真心求救，高强度水电厚板焊后发生裂纹，如何避免呢？

你焊的是啥材料？

Dr.张

小明

抗拉强度780MPa以上级别高强钢。但使用的是仓库中的普通级别焊材。

应该是冷裂纹。

Dr.张

小明

冷裂纹？

顾名思义，低温阶段发生的裂纹，故为冷裂纹。低温阶段呢，通常指焊接冷却过程中200-300℃以下区间，甚至是焊后数个小时的冷却时间段内。

Dr.张

小明

是吗？今天还是头一次听到焊后经过数个小时才会发生的裂纹。不过我碰到的裂纹确实是在低温阶段发生的、通常在焊接数秒或数分钟内发生的。

焊后经过较长时间才会发生的裂纹，简称为延迟性裂纹。焊接高强钢容易发生延迟性裂纹，且常常发生在熔合线或者热影响区位置。

Dr.张

碳素钢、高强钢、CrMo钢和马氏体不锈钢等在焊接时都会发生冷裂纹。

Dr.张

小明

有判断依据吗？之前也听到很多人在议论这个问题。

现在呢，冷裂纹的形成和产生机理已经基本清楚啦。要不给你详细说说？

Dr.张

小明

好啊，求之不得，一定好好学。

先看下图。焊接过程中，电弧中的水（H2O）发生分解、生成氢原子，固溶于焊接熔池或焊缝金属中。

Dr.张

小明

有水？哪里来的呢？

大气中就有水，湿度不就是代表水分的吗？另外，工件、焊材等等也会含有一部分的水。

Dr.张

焊材和工件都干燥的话，仅仅环境湿度大的话，也会产生大量水分。由于环境湿度大，导致在焊接过程中，水分不断向熔池周边集聚。

Dr.张

凝固过程完成后，焊缝金属由于吸入水引入的氢原子要向外扩散，焊后冷却过程中，焊缝金属中的一部分氢原子释放到大气中，另一部分向热影响区扩散。

Dr.张

小明

按照扩散定律，氢原子应该从浓度高的地方向浓度低的地方移动吧？

是的。但是问题没有这样简单。教科书中学过，焊后冷却过程中，由于拘束、应变等等原因常常会在接头中产生残余应力。

Dr.张

小明

知道的。好像是说，焊趾部和焊根处应力容易集中。

差不多吧。但不全是那么回事。

Dr.张

看看下面这个示意图。注意熔合线，该位置在焊接时最高可达1400℃，奥氏体容易粗化；同时，该区域冷却速度也比其他位置高，导致其淬透性升高。因此啊，淬透性升高导致硬度高、脆性高；由于加热温度高，容易形成粗晶组织。

Dr.张

小明

学习啦学习啦，接头中还区分那么多的微区域。那这与之前讲到的扩散氢有关系吗？

氢原子容易在拉应力集聚处偏聚。焊接时焊缝金属会从周围吸收水分，焊后会向周边扩散氢原子。当某部的氢原子浓度超过一定的极限值发生裂纹时，就称之为氢脆冷裂纹。

Dr.张

当然，氢脆冷裂纹有两个因素，一个是浓度，一个是时间。

Dr.张

小明

是吗？

冷裂纹发生有三个要素：一是氢浓度，二是敏感（脆性）组织，三是拘束应力。特别是，焊根、焊趾位置附近的热影响区位置，这三个条件容易满足，因而是冷裂纹容易发生区域。

Dr.张

小明

有些明白了，但氢脆的机理是啥呢？

说实话，学说门派挺多的。要是想深入了解的话，我可推荐部分大牛文献供参考。这会就不赘述啦。只要记住一句话：金属中进入了氢，脆性就会增加；如果还有应力作用的话，会使脆性更严重。

Dr.张

记住啦，三要素是破解冷裂纹机理的有力武器哟。下图中，横坐标是焊后发生冷裂纹的时间，纵坐标是拘束应力，图中对应的不同氢浓度（含量）条件下发生裂纹的区间。拘束应力越大，发生裂纹的时间越短。

Dr.张

小明

如果氢浓度、拘束应力增加了，是不是冷裂纹发生几率就会增加。

是的。

Dr.张

还有一点。硬相（脆性）组织，一般是指马氏体，其硬度或强度由碳含量决定，马氏体分类也挺复杂。有个简单的办法，即热影响区最高硬度法。如果最高硬度值不超过HV350,一般不会发生冷裂纹，拘束应力和氢含量也就无关重要了。

Dr.张

小明

明白了。冷裂纹由三因素决定。还有一个硬度HV350办法。

非常好。知道了原理，那防护措施呢？

Dr.张

小明

简单了哇。尽量把三因素控制在较低的水平咯。

对！降低氢含量的措施：低氢焊材、材料和焊件干燥、使用保护气体。降低硬度（硬相组织）的措施：选用含有较多低淬透性合金元素的焊件，焊接工艺设计避免快速冷却；降低拘束应力的措施：道次顺序、接头形状设计。

Dr.张

小明

办法真是多啊。

看下面这个视频：

Dr.张

预热是不？

Dr.张

小明

是的，焊前对焊接部位进行加热。

那为啥要预热？要预热多少呢？

Dr.张

小明

这个(一︿一+)是不是有经验值？

这个简单，对照下图就可以知道啦。这可是工程实施例统计出来的。

Dr.张

小明

是个好图，不过有点晕哟，能具体说说嘛？

先计算横轴的裂纹敏感性指数Pc，Pc由Pcm、厚度t、扩散氢H三部分组成，日本人提出的，主要针对低碳钢、低合金高强钢、或TMCP钢，统计数据来源于碳含量低于0.1%，强度级别在400-1000MPa之间，基本覆盖了现有主要的结构钢领域，比如造船、管线、桥梁、建筑、工程机械、压力容器等等领域。专门用于计算焊接裂纹敏感性的，Pcm= C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

Dr.张

小明

这个跟书本上学习的碳当量公式不一样啊。记得当时学习的公式是CE=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5。

不错不错，还能记得公式。公式是基于实验数据统计出来，目前好几种，但都是有条件的。说到这，满眼都是泪啊。当年的教科书也不说明白，搞了我等了好多年才知道有这么多的兄弟姐妹。要不容我唠唠？

Dr.张

小明

快请快请！

国际焊接协会（IIW）公式(1):

CE(IIW)=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5。这公式是仅适用于碳含量大于0.18%，强度级别500-900MPa的非调质低合金高强钢。

Dr.张

日本焊接协会和工业标准协会公式(2): CE(WES)=C+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14。这公式针对低碳调质的500-1000MPa低合金高强钢。

Dr.张

看出来了吧，上述1和2互为补充。取样样本中Si≤0.55%，Mn≤1.5%，Cu≤0.5%，Ni≤2.5%，Cr≤1.25%，Mo≤0.7%，V≤0.1%，B≤0.006%。

Dr.张

日本新日铁公司提出的公式(3)：CEN=C+f(c){Si/24+Mn/6+Ni/20+(Cr+Mo+Nb+V)/5}，其中f(c)=0.75+0.25tanh{20(C-0.12)}，适用于碳含量0.03-0.25%的钢种，修补了CE(IIW)不适用于碳含量0.18%以下的场合，当碳含量超过0.18%时，该公式计算值与CE公式计算值相当。该公式是应用较广、精度较高的碳当量公式。

Dr.张

美国金属学会更有意思，提出了两个公式：

公式(4)CE=C+Mn/6+Cr/4+Ni/15+Mo/4+Cu/13，主要用于计算预热温度。

公式(5)CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Si+Ni+Cu)/15，用于评定淬火钢和低合金钢的焊接性。

Dr.张

美国焊接学会那不干了，也提出了自己的公式(6)：

CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2。适用范围是C≤0.6%，Mn≤1.6%，Cu 0.5-1.0%，Ni≤3.3%，Cr≤1.0%，Mo≤0.6%，P 0.005-0.15%，

Dr.张

美国海军也来凑热闹，也提出了自己的公式(7)CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，这个主要针对海军舰船结构钢。

别小看这个公式啊，在上世纪40-90年代，作为低合金高强钢的代表HY80、HY90、HY100、HY120、HY130/140都引领了世界高强钢发展、后来催生了个灰常灰常牛逼的Graville图。

Dr.张

后来呢，大家都视为神图，但都忘记了其适用范围和前提条件。

最最重要的一点，现在钢铁冶炼、轧制和涂镀技术发展很快，已经进入了个性化定制阶段，比如3.5-5.5%Ni的低合金耐蚀钢、13%Cr油井管钢、超低碳耐候钢、3-5%Cu析出强化高强钢、9%Ni低温钢、5-9%Mn汽车钢，以及3%Si-3%Al轻钢等。上述公式都不适用于这些钢种的焊接性评价，需要灵活运用。

更典型的，上述公式同样不适用于非常成熟的火力发电站用钢P91/T91。

Dr.张

但有两点切记要记清楚：1)碳当量是用于评估延迟奥氏体向铁素体转变的指数，每个公式都有其适用范围；2)只有Pcm是专门的冷裂纹敏感性指数。切记切记啊。

Dr.张

小明

啊？长见识了，原来碳当量公式是要根据具体条件选择的。

再回到Pc公式的最后两项，t代表焊接试板厚度，t/600是拘束应力的估算值。H代表氢含量。

Dr.张

小明

板厚为啥能够代表拘束应力？

与薄板相比，厚板焊接拘束应力要大的多。因此呢，横轴包括了硬度+拘束度+氢含量。

Dr.张

小明

这下明白了，只要计算Pc，然后对比上图，就可知预热温度了。

没错。

Dr.张

小明

比如，当Pc=0.35时，最小预热温度就是100℃，对吧？

完全正确。可用一个公式简单计算出所需的最小预热温度：1440×Pc-392。这个公式用起来更便捷。

Dr.张

小明

那太好了，用手机都可以计算了。

小明

对了，差点忘了，那预热降低冷裂纹的机理呢？

预热的话，会降低焊后冷却速度，尤其是焊后热循环过程中800-500℃的冷却速度，这个区间也是硬相组织生成与否，以及多少的区间。降低冷却速度，会降低硬相组织比例，降低硬度，因此会降低冷裂纹敏感性。

Dr.张

小明

这样啊。相当于降低了焊接热影响区的硬度值。

降低冷速的另一个效果是，使得氢原子从焊缝金属向四周的扩散更加充分，有利于降低氢含量。

Dr.张

小明

预热不简单啊。双重功效，一箭双雕。

还有啊。焊后加热（热处理）也会有利于氢扩散。至于到底是用预热、后热处理，还是两者兼用，需要依据性能要求、成本、施工现场条件等综合得出。

Dr.张

小明

明白。还有个事啊。有没有试验方法来确定预热温度呢？

有的，国标GB/T 4675.1“斜Y型坡口焊接裂纹试验方法”，原理很简单，同时试验很多的预热温度，直到没有发现裂纹为止，那个就是所需的最低预热温度。听起来就是笨笨的。

Dr.张

这还不是重点，重点是那个试验程序太繁琐、简直要人命。多亏了这几届人民的劳动创造，提出了简单有效的替代方案，效果也好很多。

还有啊还有啊，标准一直不更新，所以上面都懒的标注年份了，否则会让人家笑话我还拿30年前的老东西忽悠人。

Dr.张

小明

那新的试验程序如何呢？

这个吗，私聊私聊，毕竟不是我朝的正规条文啊，不得声张哟。

Dr.张

随着钢铁冶炼、TMCP先进轧制技术发展，抗拉强度490MPa及以下级别低合金高强钢焊接一般不需要预热、后热等处理。但当强度级别超过610MPa时，一般需要预热处理。

Dr.张

小明

能举几个不锈钢的例子吗？

奥氏体不锈钢呢，这个简单，容易，不说啦。马氏体不锈钢（12-16Cr）通常需要预热到200-300℃，并且需要700℃的焊后热处理以避免脆性。铁素体不锈钢（16-30Cr）通常需要预热到50-250℃。双相不锈钢（22Cr-9Ni）呢，问题转移啊，是热裂纹啦。

Dr.张

小明

对啦对啦，以上讲的都是冷裂纹，那热裂纹是啥，是在高温阶段发生的吗？那机理是啥？有啥防护措施吗？