焊接科普—焊接缺陷之氢致冷裂纹

1、概述

氢致裂纹也可以称为冷裂或延迟裂纹。这种裂纹最经常发生在铁素体钢，通常在焊接时或焊接结束后一段时间产生。

2、特征

根据以下特征的不同，氢致裂纹通常区分如下：

——在C-Mn钢中，裂纹通常起源于热影响区（HAZ），但可能延伸到焊缝金属中（如图1）。

——裂纹也可能发生在焊道中，通常垂直于焊接方向（横向裂纹），与焊缝表面成45°角。它们沿着锯齿形的扩展，但是可能没有分支。

——在低合金钢中，裂纹垂直于焊接方向（横向裂纹），垂直于焊缝表面，但是是非分支的，并且基本上是平面的。

图中出现在热影响区和焊缝中的氢致裂纹（注意，所显示的裂纹类型不会在同一焊缝中出现）

焊缝中的开口裂纹（在任何热处理之前），裂纹表面通常不会氧化，即使它们是露出到表面，它们是在焊缝处于或接近环境温度时形成的。从预热或焊接热的影响可以看出轻微的蓝色。

2.2金相

产生于热影响区的裂纹通常与粗晶区有关（图2）。裂纹可以是沿晶、穿晶或两者的混合。在低合金和高碳钢中形成的较硬的热影响区组织中，晶间裂纹更容易发生。穿晶裂纹多见于C-Mn钢结构。

在角焊缝中，热影响区的裂纹通常与焊缝根部相关，并与焊缝平行。在对接焊缝中，热影响区裂纹通常与焊道平行。

图中热影响区中的粗晶组织区的裂纹

2.3原因

有三种因素共同导致开裂：

— 焊接过程中产生的氢气

— 易开裂的结构形式

— 作用在焊接接头上的拉应力

开裂通常发生在正常环境温度或接近正常环境温度时。它是由氢扩散到焊件的高应力区、硬化部分引起的。

在C-Mn钢中，由于在热影响区形成脆性组织的风险较大，大部分氢裂纹都出现在母材中。正确选择焊条后，焊接金属的碳含量将比母材低，因此碳当量（CE）也更低。

然而，焊缝金属会产生横向裂纹，尤其是在焊接厚截面构件时；如果焊缝金属碳含量超过母材的碳含量，则裂纹的风险会增加。

在低合金钢中，由于焊缝金属组织比热影响区更敏感，焊缝可能出现裂纹。

影响开裂风险的主要因素有：

— 焊接金属中的扩散氢

— 母材成分

— 母材厚度

— 焊接过程中作用于焊缝上的拉应力或焊后施加的拉应力

— 焊接热量输入

焊接金属中的扩散氢扩散氢的主要来源是焊条、焊剂中的水分，即MMA焊条的药皮、药芯焊丝中的焊剂和埋弧焊使用的焊剂。产生的氢气量受焊条类型的影响。碱性焊条通常比金红石焊条和纤维素焊条产生的氢少。

需要注意的是，还有其他重要的氢来源，例如，来自材料的氢，在加工或使用过程中，钢中含有大量来自大气的氢气或水分。氢也可以从材料或消耗品的表面获得。

氢的来源包括：

— 油、油脂和污垢

— 锈

— 油漆和涂料

— 清洗液

母材成分对淬透性产生重大影响，在快速冷却条件下，在热影响区会形成淬硬组织。材料的淬透性通常用它的碳当量来表示，当考虑到其他元素对组织形成的影响时，它的碳当量（CE）值根据下面公式计算：

CE值越高，发生氢致裂纹的风险越大。一般来说，只要使用低氢焊接材料或工艺，CE值<0.4的钢不易受到HAZ氢致裂纹的影响。

母材厚度材料厚度将影响冷却速度，从而影响硬度水平、热影响区中的微观结构以及焊缝中保留的氢含量。

接头的“组合厚度”，即接头处材料厚度的总和，将与接头几何形状一起决定热影响区的冷却速度及其硬度。因此，如图3所示，角焊缝可能比相同材料厚度的对接焊缝具有更大的风险。

图中对接接头和T型接头的组合厚度t=t1+t2+t3

作用在焊缝上的拉应力裂纹更容易在应力集中处产生，特别是在焊趾部位和焊缝根部。

焊接接头收缩时产生的应力将受到外部约束、材料厚度、接头几何形状和装配的很大影响。角焊缝装配不良（根部间隙过大）会显著增加开裂风险。由于制造的刚度增加，作用在接头上的约束程度通常会随着焊接的进行而增加。

热量输入焊接过程中向材料输入的热量，以及材料厚度和预热温度，将决定焊接热循环以及由此产生的热影响区和焊接金属的微观结构和硬度。

增加热输入将降低硬度水平，从而降低热影响区开裂的风险。然而，由于氢从焊道中逸出的扩散距离随着热输入的增加而增加，焊缝金属开裂的风险增加。

每单位长度的热输入通过电弧能量乘以热效率系数计算，公式如下：

V = 电弧电压 (V)

A = 焊接电流 (A)

S = 焊接速度 (mm/min)

k = 热效率

在计算热输入时，必须考虑热效率。

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