如何避免焊接冷裂纹？

焊接冷裂纹的产生应符合下列条件：

δ_min≤ε

即接头局部位置的延性δ_min不足以承受所发生的应变ε的作用。

ε_min则取决于焊接冷却过程中的致脆因素，主要是淬硬组织的存在和氢脆的作用。ε与接头的拘束应力有关。

氢在金属中有两种形式：一是能运动的：“扩散氢”，一是不可运动的“剩余氢”。只有扩散氢对钢的冷裂发生直接影响。扩散氢会造成氢脆，促使增大冷裂倾向。氢脆对高碳马氏体最敏感，但氢脆对铁素体和珠光体不敏感。

高强度钢焊接接头的氢含量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部氢含量达到某一临界值时，便开始产生裂纹，此值则称为产生裂纹的临界氢含量Hcr。低合金高强度钢P_cm、CE与产生裂纹的Hcr之间的关系如图2.3-12所示。表2.3-3列出了氢在不同钢中的扩散系数。表2.3-4为拘束应力的分类。表2.3-5列出了钢的相变温度与应变。关于拘束度R及其计算公式如表2.3-6和表2.3-7。

表2.3-3 氢在不同钢中的扩散系数

表2.3-4 拘束应力的分类

图2.3-12 P_cm、CE与临界含氢量Hcr的关系

a）P_cm与Hcr b）CE与Hcr

表2.3-5 钢的相变温度与应变

拘束度R的定义如下：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。

式中 E——母材金属的弹性模量（N/mm²）；

δ——焊件的板厚（mm）；

L——拘束距离（mm）。

当R增加到一定程度时会产生裂纹，这时的R值称为临界拘束度R_cr。

表2.3-6 实际结构焊接接头拘束度数据

表2.3-7 常用钢的临界拘束度Rcr

注：。

拘束应力计算公式为

σ=mR

式中 σ——拘束应力（MPa）

m——拘束系数（焊条电弧焊低合金钢对接m=0.03～0.05）；

R——拘束度（MPa）

拘束系数计算公式：

式中 m——拘束系数；

α——线膨胀系数（℃^-1）；

T_m——力学熔点，即失去弹性的温度（℃）；

T₀——环境温度（℃）；

H——焓（J/g）；

β——接头的坡口角度（°）；

c——比热容[J/（g·℃）]。

作为粗略估计，一般低合金高强度钢焊条电弧焊时的m≈（3～5）×10^-2。

表2.3-8、表2.3-9及图2.3-13～图2.3-18所示为预热、后热温度的确定及影响因素。

表2.3-8 冷裂纹敏感性数据及焊接预热温度确定

注：[H]—熔敷金属中扩散氢含量，mL/100g；δ—被焊金属的板厚，mm；R—拘束度，N/mm·mm；H_D′—有效扩散氢，mL/100g（低氢型焊条：H_D′=[H]；酸性焊条：H_D′=[H]/2）；λ—有效系数（低氢型焊条：λ=0.6；酸性焊条：λ=0.48）。

图2.3-13 P_cm及板厚与预热温度的关系

a）q_v=17kJ/cm，[H]=4.0ml/100g b）q_v=30kJ/cm，[H]=2.5ml/100g

图2.3-14 P_w与预热温度的关系(www.xing528.com)

注：调质钢δ=16～50mm，斜Y形抗裂试验。

图2.3-15 由P_w和板厚δ确定的局部预热温度

a）q_v=17kJ/cm b）q_v=30kJ/cm

注：局部预热的范围在焊缝两侧各100mm。

表2.3-9 后热对预热温度的影响

图2.3-16 避免裂纹所需的后热温度和后热时间

注：焊前预热130℃。

最低后热温度T_p（℃），与钢的成分有关，用碳当量表示为[CE]_P，存在下列关系：

在低氢焊条电弧焊条件下，防止T形接头焊根裂纹的预热温度T₀为：

P_N也称为“焊根裂纹敏感指数”。当立板厚度δ_v及热输入q_v变化时，预热温度T₀可利用图2.3-17求得。表2.3-10为一例。图2.3-17最左侧所示为“标准预热温度”，为标准条件下确定的预热温度（即q_v=17kJ/cm，δ_v=12mm，如图2.3-18所示）。图中δ_H为T形杆件水平板板厚，δ_v为立板板厚。以表2.3-10中序号3为例，P_N=0.36%，δ_H=30mm，自P_N=0.36%引向δ_H=30mm一条直线，交于点b，再由b水平右向移动，至δ_v=8mm，交于q_v=25kJ/cm小图中的点c，然后垂直向下，即可求得T₀=150℃。

同理可求得No.1及No.2的T₀分别为130℃和20℃。

表2.3-10 防止角根裂纹的预热温度举例

图2.3-17 不同δ_v时防止焊根裂纹的预热温度

图2.3-18 焊根裂纹的预热温度

注：低氢焊条，δ_v=12mm，q_v=17kJ/cm。

临界冷却时间是一定焊接条件下，第一道焊缝从峰值温度冷至100℃而不出现裂纹的最小时间，对于某具体钢种的焊接结构，是个常数。

如果某一实际焊接结构在上述焊接条件下由峰值温度冷至100℃的时间为t₁₀₀，那么产生冷裂纹的条件：

受被焊金属化学成分、熔敷金属中的氢含量、焊接热输入和结构的拘束条件的影响。经大量试验，建立了如下的经验公式：

式中 ——产生冷裂纹的临界冷却时间（s）；

P_cm——微合金钢的碳当量；[H]——熔敷金属中扩散氢含量（mL/100g）（按GB-3965—2012中甘油法测定）；

q_v——焊接热输入（kJ/cm）。

R——拉伸拘束度（MPa），一般作为粗略估计，对接长焊缝R≈400δ（板厚），对接短焊缝（包括定位焊l≤100mm）R≈700δ；

ΔR——局部预热的附加拘束度（MPa）。

如焊接时采用整体预热或不预热时ΔR=0。经研究，低合金钢焊接时局部预热产生的附加拘束度为：

式中 a——被焊钢的线胀系数（℃^-1），一般低合金钢a=1.45×10^-5/℃；

B——局部预热的宽度（mm）；

t_p——局部预热温度（℃）；

t₀——初始环境温度（℃）；

h_w——初层焊缝的平均厚度（mm），与焊

接热输入有关，当q_v=15～17kJ/cm时，h_w≈5mm；q_v=18～20kJ/cm时，h_w≈7mm；

m——拘束系数，拘束应力与拘束度之间的关系为σ=mR，一般低合金钢m=（3～5）×10^-2。

对于实际焊接结构在上述焊接条件下由峰值温度冷至100℃的时间可由表2.3-11或图2.3-19查得，然后与（t₁₀₀）_cr进行比较，即可预测出在这种焊接条件下是否产生冷裂纹。

图2.3-19 冷却时间t₁₀₀与q_v、δ、t₀的关系

a）q_v=17kJ/cm b）q_v=30kJ/cm

表2.3-11 不同板厚及预热温度与t₁₀₀的关系 （q_v=17kJ/cm）