焊缝的淬透性和冷裂纹

      42CrMo无缝钢管的作为中碳调质钢，其淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。另外Ms点较低，因而在淬火区产生大量脆硬的马氏体，而低温下形成的难以产生自回火效应。马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量。因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹是易于形成和扩展。另外淬硬会形成更多的晶格缺陷，金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。主要是空位和位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。

     42CrMo无缝钢管的焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，在Ms点附近或200～300℃的温度区间容易沿热影响区的淬硬区产生冷裂纹。冷裂纹的起源大多发生在缺口效应焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径，有时是沿晶界扩散，有时是穿晶前进，这要由焊接接头的金相组织和应力状态及氢的含量的而定，这一点不像是热裂纹，都是沿晶界开裂。冷裂纹有时焊后立即出现，有时经过一段时间才出现（几小时，几天甚至更长）。可是少量出现后，随着时间增长而逐渐增多和扩展。对于这种不是焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”。由于延迟裂纹不是在焊后立即可以了现，需延迟一段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害性就更为严重。

     实践证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头的氢含量及其分布，以及焊接接头的拘束应力状态是产生延迟裂纹的三大主要因素。焊接接头的淬硬倾向主要取决于钢种的化学成分，其次是结构形式，焊接工艺和冷却条件等。氢是引起焊接冷裂纹的一个重要因素，应且有延迟的特征，所以许多文献又称之为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。试验研究证明，焊接接头的含氢量越高，裂纹的敏感性越大。氢主要是由焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度所造成的。氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同。氢在奥氏体中的溶解度远比在铁素体中的溶解度大，并且随温度的增高而增加。因此，在焊接时有奥氏体转变为铁素体时，氢的溶解度急剧下降，而氢的扩散速度恰好相反，由奥氏体转变为铁素体时突然增大。焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力进行扩散

    如图所示，高温下，焊接热影响区都是奥氏体，随着热源移走，由于焊缝的含碳量低于母材，所以焊缝在较高温度下就发生相变，也就是奥氏体分解为铁素体和珠光体。由于母材的含碳量较高，所以热影响区金属还没有开始奥氏体分解。当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快的从焊缝越过熔合线向尚未发生分解的奥氏体影响区扩散由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合线附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这一地区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应，并且氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓度更高，可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。

图2.1 冷裂纹的产生

在焊接时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，一方面采用低碳多种微量合金元素的强化方式，在提高强度的同时，也保证具有足够的韧性。另一方面，采用精炼技术尽可能降低钢中的杂质，使之硫、磷、氧、氮等元素控制在极低的水平。选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接方法，它是防止冷裂纹的有效措施之一。采用CO₂气体保护焊，由于具有一定的氧化性，故而也可获得低氢焊缝，碱性药芯焊丝并配合CO₂气体保护，同样也可得到低氢焊缝。采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的中、低合金钢强钢，也能很好的避免冷裂纹 。

     焊接工艺一般包括正确制定施工程序、选择焊接线能量、预热温度、焊后后热，以及焊后热处理等。为改善接头的应力状态，应合理地选择焊缝匹配、注意焊缝的分布位置和施焊的顺序。

    除了采取焊前预热措施之外，焊后须及时进行回火处理。另外，42CrMo钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面焊接缺陷和划伤。