高强钢冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配的关系

孙咸

摘要：综述了高强钢冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配的关系。结果表明，冷裂纹启裂位置判据，是通过焊缝硬度判断高强钢根部焊道冷裂纹启裂位置的冷裂纹敏感性间接判断方法。高强钢冷裂纹启裂位置判据影响因素中，施加应力是冷裂纹启裂或交替萌生的必要条件，而氢浓度和焊缝硬度的变化则是冷裂纹启裂或交替萌生的充分条件。焊缝强度匹配类型与“冷裂纹启裂位置判据”具有良好的对应关系，该关系能很好解释“冷裂纹启裂位置判据”试验中的规律及现象。提出了基于冷裂纹启裂位置判据的焊缝强度匹配实施工艺。

关键词：冷裂纹启裂位置判据;焊缝强度匹配;扩散氢;焊缝硬度;施加应力

中图分类号：TG406，TG407 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0021-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.03

0 前言

低碳低合金高强度钢（诸如HT-60、HT-80、HY-130等）以其高的屈服强度、良好的塑性、韧性等综合性能，在航空航天、核动力装置、电力设备、石化装备、船舶制造、矿山机械、桥梁建造，以及环保设备等工业部门获得了应用。这类钢中的含碳量虽然较低，但合金元素较多，碳当量不会很低，淬硬倾向较大，焊接性不是非常满意。当钢结构体积庞大、板厚较厚，或焊缝密集交叉、焊缝处的拘束应力较大时，焊接冷裂纹倾向较严重。该类钢根部焊道焊接中的氢致裂纹通常发生在热影响区（HAZ），但是对用于更加恶劣环境中的HY-130型钢，冷裂纹主要发生在根部焊道的焊缝金属（WM）中[1]。为了防止这类钢焊接中冷裂纹的发生，有必要建立可以预测HAZ或焊缝金属冷裂纹交替萌生位置的判据。迄今为止，几乎没有关于HAZ或焊缝硬度、扩散氢含量和接头拘束度对根部焊道冷裂纹交替萌生位置影响的文献，更没有将冷裂纹启裂位置判据与高强钢焊缝强度匹配相联系的文献。为此，论文特意以低碳低合金高强度钢（诸如HT-60、HT-80、HY-130等）TRC试验为切入点，将文献[1]提出的该钢冷裂纹启裂位置判据与高强钢焊缝强度匹配工艺相联系，探讨高强钢冷裂纹交替启裂判据影响因素，通过分析高强钢焊缝强度匹配工艺应用中的冷裂纹位置实例，提出基于冷裂纹启裂位置判据的焊缝强度匹配关系。该项研究对推动高强度钢焊接理论发展、防止该类钢冷裂纹的发生，以及提升产品质量，具有一定参考价值和实用意义。

1 高强钢冷裂纹的焊缝和HAZ交替启裂及其判据

1.1  高强钢冷裂纹的焊缝和HAZ交替启裂现象

高强钢焊接时具有冷裂纹敏感性，根部焊道裂纹起始部位可能在焊缝或HAZ（见图1），不同起始部位的冷裂纹将导致拉伸试件断裂部位的各异，给结构的使用安全性会带来不利影响。为了揭示HAZ或焊缝金属中根部焊道焊接冷裂纹交替发生的机理，使用HT-60、HT-80、HY-130和2 1/4Cr1-Mo钢的拉伸拘束裂纹（TRC）试验，研究了施加应力、扩散氢含量、HAZ和焊缝金属硬度对裂纹萌生位置的影响，并提出了高强钢焊接冷裂纹交替萌生判据的“临界应力与时间关系图”[1]。表1～表3分别列出了所用试验材料的化学成分类型及主要力学性能、试验接头的硬度数据，以及TRC试验用主要参数。

1.2 高强钢冷裂纹焊缝和HAZ交替启裂判据要点

焊后状态焊缝及热影响区氢浓度与时间变化关系如图2所示[1]。可以看出，焊缝中心的氢随时间呈单调下降趋势，而热影响区的氢则是一条驼峰式曲线变化趋势，图中t1表示温度下降到氢脆化上限温度（T1）的时间。

焊缝金属中的临界应力σcw和HAZ中的临界应力σch随焊后时间变化关系如图3所示。可以看出，焊缝金属中的临界应力σcw随时间推移单调增加，而HAZ中的临界应力σch则是先降低到最小值然后增加。两条曲线的位置有所不同，σcw位于σch的上方。这是由于：①HAZ中裂纹的起始位置發生在应力集中较大的焊缝根部边缘附近（见图1），即受应力集中的影响较大，产生裂纹的临界应力被降低;②从焊后持续时间考虑，HAZ中的扩散氢浓度达到最高值需要一定时间，即在氢脆化上限温度（T1）的时间t1之后。

焊接后焊缝金属和HAZ中的应力-时间与焊缝硬度及裂纹起始位置关系如图4所示[2]。可以看出，在具有较低硬度焊缝金属（A曲线）的情况下，冷裂纹的优先位置是HAZ（A裂纹）。这是由于焊缝中的氢向HAZ扩散，HAZ会形成氢的最大值，所需临界应力下降所致。对于高硬度的焊缝金属，裂纹将在焊缝金属中启裂（B裂纹），因为焊缝中的扩散氢含量高，“氢致附加应力”也升高[3]，满足冷裂纹所需的临界应力不仅降低，而且在焊缝金属中比HAZ中来得早。

高强钢接头根部焊道裂纹萌生判据摘要如表4所示。可以看出，该判据的前提条件依然是冷裂纹形成三要素（淬硬组织、拉应力和扩散氢分布）综合作用。该判据的评定方法需通过焊缝硬度判断冷裂纹启裂位置，即低焊缝金属硬度时，裂纹位置在HAZ中;高焊缝金属硬度时，裂纹位置在焊缝金属中。与其他常用的冷裂纹判据，如临界冷却时间判据（t100）cr和临界应力判据σcr相比（见表5），冷裂纹启裂位置判据是一种冷裂纹敏感性间接判断方法，目前尚无专用判据符号，也没有提出含有影响因子的计算公式，并未被收入专业论著或专业教科书，判据理论尚需深入研究。

2 高强钢焊接冷裂纹交替启裂判据影响因素

2.1 施加应力的影响

借助图5、表6分析施加应力对冷裂纹交替启裂判据的影响。可以看出，在Ⅲ区，当施加的应力σ1小于σcw、σch时，无论焊缝还是HAZ均不发生裂纹;当施加的应力σ2大于σcw时，裂纹发生在焊缝中;当施加的应力σ3在t1时间（σ3-σcw）大于（σ3-σch），裂纹发生在焊缝中。在Ⅱ区，当施加的应力σ1小于σcw、σch时，不发生裂纹;当施加的应力σ2在th时间后大于σch，裂纹发生在HAZ;当施加的应力σ3在t1时间（σ3-σcw）大于（σ3-σch），裂纹发生在焊缝中。在Ⅰ区，当施加的应力σ1小于σcw、σch时，不发生裂纹;当σ2、σ3、σ4分别大于σch时，裂纹发生在HAZ。在TRC焊接试件中，冷裂纹的启裂部位通常位于根部焊道应力集中处，该处的局部氢浓度升高，金属被脆化。当施加的应力大于该处临界应力时，冷裂纹被启裂。这里涉及到焊缝或HAZ两个区域。究竟冷裂纹在哪个区域启裂？这就需要与焊缝的硬度相联系。当焊缝金属较硬时，焊缝金属氢含量较高，冷裂纹在焊缝中启裂;当焊缝金属较软时，HAZ中氢含量较高，冷裂纹在HAZ中启裂。可以认为，施加的应力是冷裂纹启裂的决定因素，换言之施加的应力是根部焊道冷裂纹启裂或交替萌生的必要条件。

2.2 接头中扩散氢行为的影响

高强钢冷裂纹启裂位置交替发生与氢浓度的变化密切相关。无论是焊缝或HAZ中，只要氢浓度高，金属被脆化，冷裂纹就容易发生。前提条件是要有拉伸应力存在，而且拉应力须达到某临界值，如σ>σcw或σ>σch时。在施加应力前提条件下，接头中氢的扩散方向对根部焊道冷裂纹启裂位置有重要影响（见表7）。当氢的扩散方向从焊缝到HAZ时，HAZ的氢浓度在t1时间（温度下降到氢脆化上限温度（T1）的时间，见图2）后达最大值时，裂纹在HAZ启裂。反之，当氢的扩散方向从焊缝到熔池后面焊缝时，焊缝中的氢浓度在t1时间达某值时，裂纹在焊缝中启裂。这里涉及氢扩散的驱动力。氢的扩散方向从焊缝到HAZ时，接头中的最大拉应力位于根部焊道HAZ，即所谓的应力集中处（见图6）。扩散氢的上坡扩散特性使氢在根部焊道HAZ应力集中处聚集，导致局部金属脆化，裂纹启裂所需的临界应力下降，冷裂纹在HAZ萌生。反之，当氢的扩散方向从焊缝到熔池后面焊缝时，焊缝中的马氏体一类组织阻止氢向HAZ扩散[5]，扩散氢在焊缝区聚集，导致焊缝金属脆化，裂纹启裂所需的临界应力下降，冷裂纹在焊缝萌生。有理由认为，接头中的氢的扩散行为是冷裂纹启裂的重要因素，换言之接头中氢浓度部位的变化是根部焊道冷裂纹启裂或交替萌生的充分条件之一。

2.3 焊缝金属硬度的影响

焊缝硬度的变化受化学成分和冷却速度的控制，或者说受控于焊缝的显微组织。探讨焊缝硬度对裂纹萌生位置的影响，实质上是探讨焊缝组织对裂纹萌生位置的影响。从表8、图7可以看出，当施加的应力升高变化时，冷裂纹启裂位置与焊缝金属硬度之间显示出良好的对应关系，即当焊缝硬度增高时，裂纹启裂位置位于焊缝中;当焊缝硬度减小时，裂纹启裂位置位于HAZ中。其机理如前所述，焊缝金属硬度高时，焊缝中的氢扩散受阻，焊缝金属含氢量高，金属被脆化，裂纹在焊缝中发生。焊缝金属硬度低时，HAZ中氢含量高，HAZ被脆化，裂纹在HAZ中发生。至于HAZ和焊缝金属间的硬度差对裂纹萌生位置的影响，由于试验数据有限，且数据比较分散，规律性不强，难以评价。不难看出，尽管焊缝的硬度（或者说显微组织）对冷裂纹启裂位置影响规律性良好，但前提条件是施加的应力。因此有理由认为，焊缝硬度（或者说显微组织）变化是根部焊道冷裂纹启裂或交替萌生的充分条件之一。

2.4 试样加载温度的影响

在短期加载TRC试验中施加应力与卸载温度（裂纹萌生）之间关系如图8所示[1]。可以看出，HY130试件裂纹萌生的上限温度约为170 ℃，不取决于扩散氢含量。随着施加应力减小，裂纹萌生温度略微降低。随着扩散氢含量的增加（从1.0 mL/100 g增加到2.7 mL/100 g），大约100 ℃以上裂纹萌生的临界应力降低。必须指出的是，在170 ℃时，所有裂纹萌生都发生在焊缝金属中。HY130试件在170 ℃以上加载时无裂纹;在170 ℃加载时都在焊缝中发生裂纹;在150 ℃加载时有的在焊缝中，有的在HAZ中发生裂纹;在100 ℃加载时也是两种裂纹萌生位置。显然，随着加载温度的降低，裂纹的萌生位置从焊缝金属变为HAZ。上述结果可以解释如下：①试件在170 ℃以上加载时无裂纹。这是由于试样温度较高，焊缝中的扩散氢大部分已经逸出，焊缝和HAZ中的氢含量很少，不会被脆化，也就是说，施加的应力远小于σcw或σch，所以无裂纹。②在170 ℃加载时裂纹萌生都发生在焊缝金属中。这是由于试样温度的降低，焊缝中的扩散氢在起作用。在高的施加应力（784 MPa）时，焊缝中氢含量虽然很低（1.0 mL/100 g），但氢的脆化使焊缝中的临界应力σcw降低，即施加应力σ>σcw，裂纹萌生在焊缝中。在低的施加应力（539 MPa）时，焊缝中氢含量略高（2.7 mL/100 g），氫的脆化使焊缝中的临界应力σcw降低，施加应力σ>σcw，裂纹萌生在焊缝中。③在150 ℃加载时出现焊缝和HAZ两种裂纹萌生位置。同样考虑焊缝中氢在起作用。施加应力539 MPa时，焊缝含氢量2.7 mL/100 g，不同试样中氢的扩散行为有差别，氢的分布不同。焊缝中氢含量高的裂纹出现在焊缝中，HAZ氢含量高的裂纹出现在HAZ。④在20 ℃加载温度（即室温）下，焊缝中的氢大都扩散到了HAZ，所以裂纹萌生在HAZ。上述结果表明，焊接接头中的扩散氢分布是导致交替裂纹萌生的主要因素之一。至于HT-60钢焊件中上限温度约为300 ～250 ℃，这是因为只有如此高的温度下，该钢焊缝中的氢含量才可大部分逸出，焊缝及HAZ不被脆化，σcw和σch不降低，施加的应力远小于σcw或σch，不产生裂纹。

3 高强钢冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配关系

3.1 高强钢焊缝强度匹配工艺应用中的冷裂纹部位实例

实例1，英国焊接研究所采用含有85%铁素体的双相不锈钢焊条，执行表9中实例①焊接工艺，对2205双相不锈钢板进行铁研裂纹试验[6]。结果表明，具有高强度匹配焊缝的焊接裂纹启裂于焊缝金属根部应力集中处，以穿晶方式扩展直至穿透焊缝，次生裂纹具有明显短段串接特征，属于典型氢致冷裂纹（见图9）。

实例2，美国俄亥俄州立大学采用2种低强度匹配焊丝，执行表9中实例②焊接工艺，对440装甲钢进行铁研裂纹试验[7]。结果表明，不预热试件中的焊接裂纹启裂于接头根部应力集中处，沿靠近熔合线的HAZ扩展，然后拐入并穿透焊缝。裂纹具有穿晶或串接扩展特征，其性质属于氢致冷裂纹（见图10）。

实例3，上海锅炉厂有限公司针对进口锅炉中F12小管与10CrMo910集箱大管焊接产品F12HAZ脆性断裂事故，采用斜Y坡口裂纹试验等多种试验方法，执行表9中实例③、④焊接工艺，开展异种钢焊接裂纹及热影响区脆化研究[5]。结果表明，异种钢接头裂纹与选用焊接材料有关（即与焊缝强度匹配方式有关）。采用低强度匹配焊接材料时，焊缝中的氢向HAZ扩散，在HAZ形成富氢带（使用探针测氢法证实了HAZ富氢带的存在[8]），裂纹启裂于根部应力集中处，沿靠近熔合线的HAZ扩展，然后拐入并穿透焊缝，其性质属于氢致冷裂纹（见图1a）。采用高强匹配焊接材料时，焊缝中的马氏体一类组织阻止焊缝中的氢向HAZ扩散，HAZ形不成富氢带或富氢带不显著。工件预热温度不足时，裂纹启裂于焊缝金属根部应力集中处，以穿晶方式扩展直至穿透焊缝，属于典型氢致冷裂纹（见图1b）。

在上述生产应用案例中，高强钢焊接冷裂纹敏感性工艺评定采用的是生产现场常用的铁研冷裂纹试验方法。由于铁研冷裂纹试验方法的原理与TRC试验方法比较接近，只是加载方式有所不同，前者为自身拘束加载，而后者为外加载荷加载。同时考虑试验方法本身的严谨性，铁研裂纹试验方法应当具有较好的比较效果。可以看出，案例中实测的焊缝强度匹配对根部焊道冷裂纹启裂部位的影响， 与该“判据”所揭示的规律完全一致，即低焊缝金属硬度时，裂纹位置在HAZ中;高焊缝金属硬度时，裂纹位置在焊缝金属中。表明冷裂纹启裂位置判据具有一定的实用价值和推广意义。

3.2 高强钢冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配的关系

冷裂纹启裂位置判据与焊缝强度匹配关系如表10所示。判据中的焊缝硬度是取决于焊缝的显微组织特性，即焊缝硬度与相应的组织类型相对应。通常低硬度显微组织为铁素体型，高硬度显微组织为铁素体混合型或马氏体类型。铁素体型低硬度焊缝强度比母材低，通常为低强匹配焊缝;马氏体类高硬度焊缝强度比母材高，通常为高强匹配焊缝。低强匹配时，接头为硬夹软形式，焊缝金属硬度较低，其塑性变形可能释放部分应力。同时焊缝中的氢向HAZ扩散[9]，焊后在t1时间HAZ氢的浓度达到最大值，HAZ被脆化，拘束应力σ>σch，冷裂纹发生在HAZ。高强匹配时，接头为软夹硬形式，高硬度焊缝金属无塑性变形，应力未被释放。同时焊缝中的氢受马氏体类组织阻止未能向HAZ扩散[5，10]，致使焊缝中富氢被脆化，拘束应力σ>σcw，冷裂纹发生在焊缝金属中。不难看出，焊缝强度匹配类型与“冷裂纹启裂位置判据”具有良好的对应关系，判据要点及使用方法完全一致，并且该对应关系能更好解释“冷裂纹启裂位置判据”试验中的规律及现象。

高强钢焊缝强度匹配类型的选用需要考虑诸如所用钢材的强度、接头的拘束状态，以及接头的工况条件等多种因素。冷裂纹启裂位置判据仅仅是对根部焊道产生裂纹部位变化的间接判据。它的研究意义在于搞清机理，提出防止措施。为此，基于冷裂纹启裂位置判据，论文提出了高强钢焊缝强度匹配实施工艺（见表11）：首先是采用低氢化焊接工艺。包括三方面控制：一是焊接材料低氢化。尽量使用低氢电焊条、实心焊丝（特别推荐无镀铜焊丝）以及药芯焊丝等。焊条在使用前要按照要求的规范进行烘烤，焊丝须保证良好的防潮包装。二是工艺方法低氢化。包括FCAW和GMAW等工艺方法，强调焊接参数的合理选用和匹配、保护气体中水分的严格控制及作业中的防风措施等。三是辅助工艺低氢化。包括预热、后热、紧急后热、缓冷等。低氢化焊接工艺的本质，一是要控制焊材中的水分，使进入焊缝的水分尽量的少;二是即便少量水分进入焊缝，焊缝中的氢也容易尽快逸出，使焊缝中残留的扩散氢数量最小化，不足以引发氢致裂纹。至于接头拘束度的控制，在实际焊接结构中有一些可供选用的方法，如合理的焊缝设计、合理的焊接顺序等。但在铁研试件中尚无太好的措施。提高工件预热温度可能对缓解接头拘束度有一定作用，但太高的预热温度会恶化工艺条件。最后是调整焊缝的化学成分，改变焊缝金属的硬度（即组织），从而控制根部裂纹的产生。

4 结论

（1）冷裂纹启裂位置判据，是通过焊缝硬度判断高强钢根部焊道冷裂纹启裂位置的一种冷裂纹敏感性间接判断方法。

（2）高强钢冷裂纹启裂位置判据影响因素中，施加应力是根部焊道冷裂纹启裂或交替萌生的必要条件，而接头中氢浓度和焊缝的硬度的变化则是根部焊道冷裂纹启裂或交替萌生的充分条件。

（3）焊缝强度匹配类型与“冷裂纹启裂位置判据”具有良好的对应关系，并能很好解释“冷裂纹启裂位置判据” 试验中的规律及现象。

（4）提出了基于冷裂纹启裂位置判据的焊缝强度匹配实施工艺。

参考文献：

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