焊接冷裂纹成因

文/杨柳

冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是在焊后冷却至较低温度时产生的，对于低碳钢，大约在马氏体转变温度附近。冷裂纹形成的三要素分别为钢种淬硬倾向、焊缝中的氢含量及其分布、焊接接头应力状态。

一、淬硬倾向

钢材的淬硬倾向主要取决于其化学成分和冷却条件。钢材的淬硬倾向越大，焊接时越容易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大，意味着焊接受热时会产生更多的马氏体组织，而马氏体变形能力低容易发生脆性断裂。而焊接接头的淬硬倾向，除了化学成分、冷却条件之外，还与焊接工艺、结构板厚有关。

其中，化学成分对钢材淬硬倾向的影响，可以用碳当量法[2]粗略估计，如下：

CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

例如，对于厚度小于20mm的钢板，当CE<0.4%时淬硬倾向不大。

淬硬倾向大的金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷，在应力和热力不平衡的条件下，会形成裂纹源乃至扩展形成宏观裂纹。

如果焊缝和热影响区中有氢存在，会降低其韧性，产生氢脆。而高碳马氏体淬硬组织对氢脆敏感性很强，冷裂纹敏感。在焊接中常用热影响区的最高硬度来评定某些高强钢的淬硬倾向。

二、氢

氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素之一，并且使之具有延迟的特征，通常把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。之所以会有“延迟”，是因为氢在钢中的扩散、在微观缺陷处聚集、产生应力，直至开裂纹都需要一定的时间。

高强钢焊接接头的氢含量越高，裂纹敏感性越大，当氢含量大于某一临界值时，便会开始出现裂纹，临界值大小因具体而异。

焊接热影响区中氢的浓度足够高时，会其中的马氏体组织（若有）进一步脆化，进而形成裂纹。

三、应力状态

高强钢焊接时冷裂纹的产生不仅取决于钢的淬硬倾向、氢的有害作用，还取决于焊接接接头的应力状态，有时应力状态甚至起决定性作用。焊接接头的热应力（不均匀加热和冷却）、相变应力（相变时组织的体积变化）及结构形式、焊接顺序等都会形成拘束力。

上述形成冷裂纹的三要素，各有其内在规律，但又相互影响。总的来说，热影响区和焊缝金属的淬硬倾向是产生裂纹的内在因素，而只有当钢中有淬硬组织形成时，氢才能发挥其诱发裂纹的有害作用。