低合金钢焊接裂纹简述

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机械制造文摘———焊接分册

低合金钢焊接裂纹简述

李亚琳，尹士科，何长红

（中国钢研科技集团有限公司，北京100081）

０前言

在低合金钢的焊接结构中，出现最多的是焊接冷

裂纹，它经常出现在焊缝中，也出现在热影响区之内。日本的钢结构协会曾对桥梁和建筑行业中的裂纹事故作过统计，在６５起裂纹事故中，焊接热裂纹占１０％左右，冷裂纹则占到９０％，且主要发生在刚性或拘束度比较大的丁字接头或十字接头中，特别是应力集中大的部位。冷裂纹有的出现在焊缝表面，有的埋藏在焊缝内部；有纵向扩展的，也有横向扩展的。裂纹的产生时间也各不相同，有的焊后很快出现，也有的要等上几小时或几天后才会出现，称其为“延迟裂纹”。

深度方向上（右侧图所示），裂纹穿过了两道焊缝，从表

面焊道向下扩展，穿过焊缝热影响区进入下面的焊道之中，在深度方向的扩展途径也是曲曲弯弯，可以看出，在焊道表面处裂纹是沿着树枝状晶扩展的。

产生裂纹的背景条件是：母材为１５ＭｎＶＲ钢，板

产品是直径约１０ｍ的球形罐。采用埋弧焊，厚４８ｍｍ，

焊丝为Ｈ０８ＭｎＡ，４３１焊剂；盖面焊道的最大热输入达１８０ｋＪ／ｃｍ。焊后经６２５℃×３ｈ消除应力热处理。在焊后试水过程中发现了穿透性焊缝裂纹。经取样化验，裂

这是由于焊纹附近的焊缝金属中含磷量高达０．０９６％；

剂中含磷过高（０．１７％￣０．１９％）引起的。焊缝组织呈粗大的柱状晶，晶界上有网状铁素体，晶内属于贝氏体组织。硬度值为１９０￣２５０ＨＶ５。

对于裂纹性质，初步分析是属于热裂纹。形成的原因主要是磷含量高，导致了低熔点物质的产生，它会使残留液相覆盖在晶界周围，在很小的热应力作用下出现开裂现象。另外，盖面焊道的热输入太大，这将导致焊剂熔化率高，导致焊缝中含磷量增高，且易于产生偏析；又因为热输入太大，奥氏体晶粒进一步粗大，降低了晶界强度。这些都是引起热裂纹的重要因素。再从冷裂纹的形成条件分析，采用的是酸性焊剂，焊缝中扩散氢量不会太高，又因为冷却很慢，扩散氢有充分的逸出条件；焊缝硬度不高，不存在淬硬组织，这些都是不利

１纵向裂纹

纵向裂纹是沿着焊接方向扩展的裂纹，有的在焊

缝表面上看得见，为表面裂纹；有的产生在焊缝根部，也有的出现在热影响区根部，在表面上不容易看到，又称内部裂纹。１．１表面裂纹

图１所示出的裂纹是在焊缝表面观察到的，又长又深，在长的方向上曲曲折折。也有几个部位的裂纹近于直角相交，还有的象是两条独立扩展的裂纹被垂直

在地衔接起来；图的左端也有两条垂直相交的小裂纹。

250μm 30μm

图１焊缝表面的纵向裂纹

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于产生冷裂纹的。１．２根部裂纹和焊趾裂纹

热影响区的根部裂纹和焊趾裂纹见图２。从图的右下端看，热影响区的根部裂纹起于根部的应力集中处，先在母材的近缝区中扩展，后又拐入焊缝之中，最后再次进入母材的近缝区中。该类裂纹是在斜Ｙ形坡口对接裂纹试验中最经常出现的，由于坡口的设计形式制造出了尖角，故使之产生大的应力集中，增大了裂

母材的成分和冷却条件，如果导致了纹敏感性。另外，

过热区产生淬硬组织，必将增大裂纹的敏感性，还有扩

产生与否。

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散氢的影响等。这几个条件的综合作用决定了裂纹的在图２的右上端看到的是焊趾裂纹，它产生在母

材和焊缝交界处的应力集中部位，在热影响区内向板厚方向扩展，止于热影响区的外部边缘。焊趾裂纹的产生与根部裂纹的产生具有相似的影响因素，特别是出现咬边时，会使应力集中程度骤增，产生焊趾裂纹的敏感性更大。热影响区的根部裂纹和焊趾裂纹都是沿着纵向扩展的裂纹，都属于冷裂纹。

焊缝的根部裂纹见图３，它是从焊缝的根部向焊缝中扩展的，没有进入热影响区。这类裂纹的产生主要与焊缝金属的成分及冷却速度导致的淬硬程度、扩散氢的含量等有关。为了观察焊缝的组织和裂纹走向，特将焊缝中裂纹的局部区域放大，如图４所示。由图可以看出，共存在三条裂纹，上面的一条又长又宽，端部有所变细变尖，裂纹沿晶界分布。下面的两条裂纹中，左端的粗大裂纹也是沿晶界分布，从变细的部位开始，裂纹在晶内扩展，横向穿过呈束状排列的马氏体板条，并终止于晶内；右端的细小裂纹倾斜地穿过呈束状排列的马氏体板条，终止于晶内的马氏体板条之间。它们都属于穿晶扩展的冷裂纹。

1.2mm

图２热影响区裂纹

2.0mm 20μm

图３焊缝根部裂纹图４焊缝根部裂纹的局部放大

２横向裂纹

横向裂纹是垂直于焊接方向扩展的裂纹，有的在焊缝表面上看得见，有的产生在焊缝内部。无论是焊缝表面还是内部存在的横向裂纹，在尺寸上都存在着很大差异。采用焊条电弧焊焊接高强度钢时，在多层焊的焊缝金属中经常碰到横向裂纹。如在板厚２０￣２５ｍｍ的对接试板中（４００ｍｍ×１５０ｍｍ的两板对接），尽管是自由状态，仍然会出现横向裂纹。最严重的情况是出现数条平行排列的表面横向裂纹，两条裂纹之间的距离

大小不一，短的为几毫米（密集型），长的达几十毫米或

由更长（稀疏型），通常在焊满坡口后第二天就会出现。于采用直流焊机，试板被磁化，在钢板表面撒上铁粉就会在裂纹处有大量铁粉聚集。有的表面无裂纹，但存在于焊缝内部，在加工焊缝金属拉伸试样时会从中间断

有的焊缝金属拉伸试样因为有内部裂纹，将试样平开。

行地掉落到水泥地板上时，听不到金属的脆亮响声，而成嘶哑声，这时可将试样横向折断，其断口上多半处早已断裂，呈平坦断口。也有的焊缝金属拉伸试样因为有内部裂纹，被拉断后伸长率极低，不足５％，在这些被拉

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伸断口上能观察到平坦的脆断部分，它是一处极小的横向裂纹。

在埋弧焊接高强钢时，也出现了焊缝金属横向裂纹，由于在焊缝内部，只可通过超声波探伤加以确认。产生裂纹的原因，一是焊缝强度高，碳当量会增大，在冷速较快的条件下产生淬硬组织；二是当采用碱度较高的焊剂时，焊缝中的扩散氢量增高，而允许的临界扩散氢量随着强度的提高而降低。还与接头形式有关系，Ｔ形角接焊缝三向散热，加大了冷速，与对接焊缝相比更易于产生裂纹。如果这几个条件组合在一起，就有出现横向裂纹的危险。为了再现大型结构上的裂纹，在试验室内进行了模拟试验。下面介绍试验中出现的横向裂纹位置、特征和断口形貌等。２．１稀疏型横向裂纹

焊接试验采用双面开坡口的Ｔ形接头，正面焊满后从反面清根，再焊满反面的坡口，焊满后两侧基本对它称。解剖内部裂纹时沿图５示出的Ａ－Ａ剖面切开，离开底板的距离是５ｍｍ，已远离母材的热影响区，为正常的焊缝内部金属。解剖出的裂纹有两条，它们都垂直于焊接方向，处在靠近外边缘的焊道之中，是明显的横向裂纹，见图６。其中的１＃裂纹有一处近于垂直的折转，再折转后仍垂直于焊接方向。２＃裂纹无折转，宏观看呈直线扩展，且未进入其它焊道之内，它的微观形貌如图７所示。从放大后的裂纹形貌可以看出，裂纹的走向不呈直线，中间有多处折弯；裂纹也不是连续的，有几个部位是断开的，它是由几个裂源形成的微小裂纹串集而成的。这表明，焊缝中的横向裂纹具有不连续

A

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扩展的特点，为短程串接型裂纹；每一条微小裂纹独自扩展，曲折前行，各条裂纹的两个端部又细又尖，借此便于判断裂纹的始末。

A

5

图５解剖位置示意图

1

2

7.0mm

图６解剖截面上的裂纹位置

200μm

图７图６中的２＃裂纹放大后的形貌

２．２密集型横向裂纹

与稀疏型横向裂纹的试验条件相同，在另外的位置上观察到了密集又平行排列的横向裂纹，如图８所示，在不足２００ｍｍ长度的焊缝内有１０条裂纹。从图

上的颜色深浅不一可以看出，颜色最深的焊道应是最

靠近坡口根部的焊道，由于母材的稀释程度大些，焊缝中碳的含量增加，因而易于腐蚀，颜色变深了。可见随着含碳量的增高，焊道中的横向裂纹增多，共有７条；

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并且位于该道焊内的５条裂纹扩展到边缘处就不再扩展了，可见，降低含碳量有助于阻止裂纹的扩展。跨越在下部的焊道内，了两条焊道的裂纹扩展路径见图９，

横向裂纹基本上沿着焊缝的柱状晶方向扩展；在上部的焊道内，裂纹的扩展曲曲折折，好象是沿着粗大的过热区晶界转向，因为放大倍数低，看不清楚。跨越焊道的裂纹在交界部位并未连接起来，这从各自具有的尖细顶端就可以判断出来。很可能是焊缝中的重结晶区晶粒细化，有效地阻止了裂纹的连续扩展。

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图１０是裂纹两侧的组织形貌，它们都是先共析铁素体，是在原奥氏体晶界上首先生成的棒状或多边形由此可以确认，图中的裂纹是沿原奥氏体晶的铁素体。

界扩展的。

图１１也是裂纹两侧的组织形貌，远离裂纹的左右两侧都是在原奥氏体晶界上生成的棒状或多边形的铁素体，也有侧板条铁素体，晶内为针状铁素体等条状组织。裂纹是通过原奥氏体晶内扩展的，有的穿过了奥氏体相变后生成的板条组织，属于穿晶扩展。

9

3

1

2

4

5

6

7

8

10

13mm

图８密集又平行排列的横向裂纹

200μm 20μm 20μm

图９跨越焊道的裂纹图１０沿晶界的裂纹图１１晶内扩展的裂纹

２．３横向裂纹的断口形貌

把上面解剖的裂纹断口放在扫描电子显微镜下观察时，其断口形貌如图１２所示。为了进行更微观的观察，选取不同的放大倍数，分成（ａ）、（ｂ）、（ｃ）三档。从图１２ａ的图象上可以判断出，裂纹的起源位于右上角部位，启裂之后向左、左下及下方向迅速扩展，断开性质属于氢致准解理断口。其特征主要表现在有

撕裂脊和次生裂纹。撕裂脊是图中那些呈白色的线条曲曲弯弯地围绕状部分，经放大之后，如图１２ｂ那样，着每一个脆性断裂区，形成无数个大小不一的平面，有

的大平面里边还有小平面。撕裂脊象征着发生了一定的塑性变形，氢脆导致的微裂纹与微裂纹之间是孤立的，在它们连接或串接起来时，将会产生一定的变形，这些变形部分连接起来形成撕裂脊。但是，呈现较大面

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（ａ）低倍（ｂ）

中倍（ｃ）高倍

图１２

横向裂纹断口的扫描电子显微镜形貌

积的白色部分则为剪切断裂区，不同于撕裂脊，如图

１２ｃ所示。它的中部有一片倾斜的白色地带，具有很明显的塑性变形，它是在剪切断裂条件下生成的，属于延

次生裂纹即图中的黑色条状物，它位于较大脆性断裂。

性断裂面的外围某个局部。在放大后的图１２ｂ和图１２ｃ中更具有裂纹形貌特征，它与主裂纹面垂直，沿着脆性断裂区的周边向垂直方向扩展，次生裂纹较为短小。

有研究得出，为了防止产生冷裂纹，对于低合金高强钢而言，希望P ｗ＜０．３％。须要指出的是，有时候三要素中可能是其中一个或两个因素起主要作用，其余的

三个因素的作用不能孤立地看待，起辅助作用。但是，

而是互相影响的。例如，钢的成分决定奥氏体相变的产物，影响到了P ｃｍ；马氏体的存在增强了氢脆敏感性，也会降低临界扩散氢的含量；马氏体相变的比容变化会产生相变应力，从而加大了拘束应力。应力的集中则促使氢扩散聚集，在位错集结处易于达到临界浓度而形成裂纹。因此，为了防止冷裂纹，从根本上讲，必须减少淬硬组织和降低扩散氢的浓度，同时尽可能降低拘束应力。对于这几个方面而言，预热是最有效的工艺措施，这也正是焊接施工参数中必须规定预热温度的原因。如果钢的成分或强度太高，拘束条件又苛刻，而太高的预热温度则不利于焊工操作，这时可辅以焊后脱氢处理，也称后热处理，即在焊接结束后立即加热到２００￣３００℃，并保温１￣３ｈ，让焊缝中的扩散氢尽可能逸出。焊接材料的烘干与保管则着眼于控制扩散氢的来源，是降低扩散氢浓度最有效、最可行的措施。已经烘干的焊条应放入手提式保温筒中存放，保温筒的温度可控制在１２０￣１５０℃，把它放在身边，随用随取，这可有效地防止吸潮。另外，注意清理焊接坡口中的油污、脏物、锈迹和水分等。施工现场的大气温度和湿度也应给予充分重视，对于重要产品有必要加以限制，以防焊材吸潮和空气中的水分进入电弧氛围。日本有报道，限定施工工地的大气绝对湿度＜２５ｍｍＨｇ，或＜３．７４ｋＰａ；相当于温度为３０℃时，相对湿度＜８０％。在焊接规范方面，也应尽可能降低焊接过程中的冷却速度，

３低合金钢种焊接裂纹的预防措施

焊接低合金钢时，冷裂纹是经常出现的，是广大焊

接技术人员最为关心和重视的问题之一。冷裂纹的出现是因为接头局部位置的塑性不足以承受当时发生的应变，否则不会产生裂纹。影响应变的根本因素是拘束度（它与板厚等有关）；影响塑性的根本原因是致脆因素，包括氢致脆化和相变组织产生的脆化。这三个方面的因素构成了冷裂纹的三要素。有学者把它们的影响综合在一起，称为冷裂纹敏感指数，用P ｗ或P ｃ表示，其表达式如下：

P ｗ＝P ｃｍ＋H Ｄ＋R Ｆ／４０００００（％）或P ｃ＝P ｃｍ＋H Ｄ＋h ／６００（％）

（１）

式中，P ｃｍ相当于钢的碳当量水平（％），也称为冷裂纹

H Ｄ表示用甘油法测出的扩散氢含量敏感因子；

（ｍｌ／１００ｇ）；如果是气相色谱法测定时，H Ｄ＝０．７９Ｈ（色

谱）－１．７３；R Ｆ代表拘束度（Ｎ／ｍｍ）；h 代表板厚·ｍｍ（ｍｍ），也是表示拘束度的参数，R Ｆ≈７００ｈ。

P ｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｒ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ（２）

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特别是厚板焊接或拘束度大的部位，更要有可靠的施工措施。

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缝表面和内部都可能产生横向裂纹，这又有稀疏型和有的裂纹是沿原奥氏体晶界扩展的，密集型裂纹之分。

有的是通过原奥氏体晶内扩展的，穿过了奥氏体相变

后生成的板条马氏体等组织，属于穿晶扩展。（４）焊缝中的横向裂纹属于氢致准解理断口，其特征主要表现在有撕裂脊和次生裂纹。

４小结

（１）低合金钢的焊接结构中，出现最多的是焊接冷裂纹，有时也出现热裂纹。

（２）热影响区的根部裂纹往往起于根部的应力集中处，焊趾裂纹多产生在母材和焊缝交界处的应力集中部位，焊缝根部裂纹的产生主要与焊缝金属的成分及冷却速度导致的淬硬程度、扩散氢的含量等有关。

（３）在多层焊的焊缝金属中经常碰到横向裂纹，焊（上接第７页）

3桥梁建筑!!!!!!!!!! 883.1展会概况!!!!!!!!! 883.2应用领域现状!!!!!!! 893.3该领域焊接材料市场需求分析! 923.4存在问题及发展建议!!!! 934海洋工程!!!!!!!!!! 944.1展会概况!!!!!!!!! 944.2应用领域现状!!!!!!! 984.3该领域焊接材料市场需求分析! 1004.4存在问题及发展建议!!!! 1005船舶制造!!!!!!!!!! 1015.1展会概况!!!!!!!!! 1015.2应用领域现状!!!!!!! 1055.3该领域焊接材料市场需求分析! 1065.4存在问题及发展建议!!!! 1086轨道交通!!!!!!!!!! 1096.1展会概况!!!!!!!!! 1096.2应用领域现状!!!!!!! 1106.3该领域焊接材料市场需求分析! 1116.4存在问题及发展建议!!!! 1127管道工程!!!!!!!!!! 1137.1展会概况!!!!!!!!! 1137.2应用领域现状!!!!!!! 1157.3该领域焊接材料市场需求分析! 1157.4存在问题及发展建议!!!! 1168航空航天!!!!!!!!!! 1178.1展会概况!!!!!!!!! 1178.2应用领域现状!!!!!!! 1188.3该领域焊接材料市场需求分析! 1208.4存在问题及发展建议!!!! 1219核电工程!!!!!!!!!! 1229.1展会概况!!!!!!!!! 122

收稿日期：２０１３－０７－１０

李亚琳简介：１９７８年出生，硕士，工程师；主要从事焊接材料的研Ｓａｖｏｒｙｌｉｎ＠１６３．ｃｏｍ。发工作；已发表论文５篇；

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9.2应用领域现状!!!!!!! 1239.3该领域焊接材料市场需求分析! 1249.4存在问题及发展建议!!!! 12510超超临界锅炉和大型石化设备! 12610.1展会概况!!!!!!!! 12610.2应用领域现状!!!!!! 12910.3该领域焊接材料市场需求分析12910.4存在问题及发展建议!!! 13011轻工制造与电子信息!!!! 13111.1展会概况!!!!!!!! 13111.2应用领域现状!!!!!! 13211.3该领域焊接材料市场需求分析13311.4存在问题及发展建议!!! 13812对焊材行业发展的几点建议! 139

3.6台式切割机!!!!!!!! 1523.7数控无限旋转切割机!!!! 1543.8XHF55管子环缝清根铣边机! 1553.9CNCXG 型数控管子相贯线切割机!!!!!!!!!!!!!! 1553.10激光切割机!!!!!!! 1583.11数控超高压水射流切割机! 1614切割技术的市场应用!!!!! 1634.1数控切割、焊接设备、切削加工设备在造船业的应用!!!!!!! 1634.2数控切割、焊接、切削加工设备在造桥业的应用!!!!!!!!! 1654.3激光切割设备在金属结构行业的应用!!!!!!!!!!!!! 1674.4机器人在热切割领域中的应用! 1695存在的问题!!!!!!!!! 1716发展方向!!!!!!!!!! 171

切割机具!!!!!!!!!! 141

1概述!!!!!!!!!!!! 1411.1切割高端化、定向化发展!! 1411.2等离子技术!!!!!!!! 1411.3切割设备的跨平台发展!!! 1422参展切割新技术重点介绍!!! 1432.1SJQ （3D ）-A 龙门式3D 光纤激光切割机!!!!!!!!!!!! 1432.2Calibur ：双割炬Y 坡口加工! 1452.3大型压力容器切割机!!!! 1463切割设备生产企业主要展品介绍! 1473.1高效板材切割钻孔!!!!! 1473.2GS/P-6500D数控火焰/等离子/喷码切割机!!!!!!!!!!! 1493.3高精度等离子切割机!!!! 1503.4PKG100/50数控机器人锁口切割机!!!!!!!!!!!!!! 1513.5数控双头等离子坡口切割机! 152

第三篇行业综合文萃!!! 173

用智慧推动焊接制造的进步! 175高效焊接技术及应用!!!! 202

1高效化焊接工艺的“复合”趋势! 2031.1激光电弧复合工艺用于中厚板的高效化焊接!!!!!!!!!! 2031.2电弧和机械能量复合!!!! 2051.3电弧和附加磁场力的复合!! 2071.4电弧与电弧的复合!!!!! 2082传统电弧焊的精量化控制趋势! 2082.1钨极氩弧焊的精量化控制!! 2092.2MIG/MAG的精量化控制!! 2113焊接领域信息化趋势!!!!! 2164结束语!!!!!!!!!!! 217

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