第1个回答 2015-05-14
低合金高强钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接 热影响区的力学性能。 众所周知，扩散氢、脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素，碳当量公式 （如 IIW 的 CEN 公式）热影响区最大硬度等都被用来评价钢材的冷裂敏感性。
（1）冷裂纹问题 对于现代低合金高强度钢， 由于热机械控制工艺技术和微合金化技术的广泛 应用，碳含量和碳当量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明显，除非在极端 情况下（很大的拘束度或扩散氢含量很高） ，一般不会遭遇冷裂纹。 值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题。 冷裂纹倾向低合金高强钢随着强度等级的增高，焊接接头冷裂纹倾向增大。冷裂纹又叫氢致裂纹或延迟裂纹，是指焊接接头冷却到较低温度（Ms 温度以下）时产生的焊接 裂纹冷裂纹一般产生在热影响区，有时也产生在焊缝金属内。产生冷裂纹的三个 主要因素是：裂缝金属内残留的扩散氢、热影响区或焊缝金属硬组织、焊接残余 应力。 焊接低合金高强度钢时， 氢的主要来源是焊条药皮中的水分和破口表面的水 分、油污等杂质。这些物质在电弧高温作用下分解出氢，溶解在熔池金属内，熔 池冷却凝时氢来不及逸出，残留在焊缝内。另外，焊接低合金高强度钢的一个重 要特点是热影响区有较大的淬硬倾向，随强度等级的提高、含碳元素或合金元素 含量增多，其淬硬性也增大。当焊接浮大焊件或冷却速度过快时，热影响区或焊 缝金属更容易产生淬硬组织。 焊接时由于不均匀的加热和冷却以及构件本身的拘 束作用，在焊缝内仍然会产生很大的残余应力。所以，低合金高强度钢焊接时有 较大的冷裂倾向。 为防止冷裂纹的产生，焊前应严标按照说明书的规定烘干焊条，将坡口清理 干净，并采取焊前预热、焊后保温缓冷及热处理等措施。 母材强度的提高和焊接性的改善， 促使冷裂纹发生的位置从热影响区转移到 焊缝。基于焊后随时间变化氢对局部临界开裂应力的影响，国际焊接联合会提出 了判别高强钢冷裂纹位置的基本方法，焊后焊缝中的氢含量随时间单调减少，而热影响区的氢含量先从母材基础值升高到峰值然后下降，整个过程只有几分钟， 恰好与残余应力发生的过程同步，通过计算残余应力值-时间的变化、以及热影 响区和焊缝受实时扩散氢含量影响的临界开裂应力， 即可预测冷裂纹发生的位置。 高强度焊缝金属对裂纹敏感性大，当然有利于焊缝冷裂纹。影响焊缝冷裂纹的还 有残余应力值及其产生的时间，如果较早地产生较大的残余应力，则有利于焊缝 冷裂纹值。相反，低强度焊缝金属、低残余应力或较晚产生残余应力有利于热影 响区冷裂纹的产生。
（2）热裂纹倾向 在焊接过程中， 焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接 裂纹。 热裂纹都是沿着晶界开裂分布在焊缝中心或两侧， 表面是不规则的锯齿状。 产生热裂纹的主要原因是由于焊缝金属中碳、硫元素含量偏高，在焊接过程中形 成低熔点共晶物，当液态金属冷却到结晶时聚集在晶界处，在焊接应力的作用下 沿晶界开裂，形成热裂纹。低合金钢焊接时，应考虑钢材和焊接材料的含碳量， 由于锰可以和硫形成硫化锰，硫化锰熔点高，会增加钢的抗裂纹性，同时还要减 小焊接结构的刚性，控制焊缝成形系数等，防止热裂纹倾向。
（3）热影响区的组织和韧性 热影响区由不同区域的组织构成，每一区域的组织都受加热速度、峰值温度 和冷却速度的影响。对于单道焊，根据峰值温度，热影响区可划分为粗晶区（GC 热影响区） 细晶区 ， （GR 热影响区） 中间临界区 ， （IC 热影响区） 和亚临界区 （SC 热影响区） ；对于双道焊或多层焊，第二道焊道的热影响区与第一道重叠，在第 一道的热影响区中形成被部分或完全再热区， 其中最引人注目的是亚临界再热粗 。 晶区（SCGC 热影响区）和中间临界再热粗晶区（ICGC 热影响区） 粗晶区的组织与韧性 粗晶区因为奥氏体长大和易形成脆性组织而倍受关注，在 1000°C 以上，奥 氏体长大迅速， 利用微合金元素形成微小的碳化物或氮化物粒子是限制奥氏体晶 粒长大的有效途径，Nb 和 Ti 是应用最多的微合金元素，在管线钢、船板和建筑 结构中均广泛使用， 然而， 必须严格控制其含量， 使得碳氮化物粒子即不会太粗， 也不会过分地细小。 粗晶区的相变组织是影响其韧性水平的主要因素。 粗晶区奥氏体在冷却过程中发生相变，相变组织主要取决于材料的淬透性和冷却速度，还取决于是否存在 抑制晶界铁素体的 B 以及晶内是否有促进铁素体形核的细小粒子如 TiO2，而这 一切均能够在相变温度范围中体现。 中间临界再热粗晶区往往是可能的低韧性区，尤其是形成 M-A 组元的情况 下。在再热粗晶区中，后续焊道将前边焊道的粗晶区再热到 Ac1~Ac3 的温度，使 其发生部分奥氏体化转变，部分奥氏体化转变导致局部富碳的奥氏体的形成，并 在冷却时转变为高碳孪晶马氏体。这些脆性的“小岛”尺寸可达 5mm，在再热粗 晶区中的相比例可达 5%，因此导致再热粗晶区的韧性大幅度下降。 局部脆性区一般发生在粗晶区和再热粗晶区，较少地发生在再热热影响区， 上世纪 80 年代以来，局部脆性区问题引起了广泛的关注和争议，一方面，裂纹 尖端张开位移试验发现局部脆性区的韧性很低，有时裂纹尖端张开位移值低到 0.05mm 以下， 另一方面， 尚没有关于局部脆性区导致焊接结构提早失效的案例。 有关局部脆性区的研究很多， 总的说来局部脆性区的韧性取决于局部脆性区的宽 度，局部脆性区越宽，裂纹尖端张开位移值就越低，而热影响区的韧性又是最低 的，所以，在多层焊时焊道的布置和焊接工艺的控制十分重要。