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碳鋼和低合金鋼的焊接和氫氣導(dǎo)致的裂紋

電弧焊是一種通過溶凝方法將鋼連接起來的工藝。通常情況下，該工藝使用一種兼容的填充材料。在產(chǎn)生良好結(jié)合的接頭之前，接頭表面要被加熱到超過熔化溫度，以便與焊接金屬完全熔合。盡管涉及熔化、凝固和固態(tài)轉(zhuǎn)化的冶金反應(yīng)并不罕見，但所觀察到的溫度和冷卻速度都很慢。

活性氣體也是存在的，并且可以溶解在熔化的鋼中。焊劑被引入以與焊接金屬合金化并保護(hù)其。一般來說，接頭是剛性的，抑制由收縮和固態(tài)轉(zhuǎn)化引起的尺寸變化，產(chǎn)生屈服強(qiáng)度（YS）大小的殘余應(yīng)力。由于冶金變化不是在平衡條件下發(fā)生的，并且由于應(yīng)力很高，許多反應(yīng)可能發(fā)生在焊接金屬和鋼的熱影響區(qū)（HAZ），并可能產(chǎn)生缺陷，削弱其健全性。

由于焊接過程的巨大差異性，很難提供關(guān)于所涉及的確切機(jī)制或可進(jìn)行的糾正的許多細(xì)節(jié)。此外，一旦大多數(shù)問題得到發(fā)現(xiàn)，那很多的解決方法是顯而易見的。有一個(gè)問題，與氫氣（H2）有關(guān)，并不簡(jiǎn)單。由于隨著越來越多的高強(qiáng)度、低合金（HSLA）鋼被焊接，這個(gè)問題變得越來越重要，所以氫氣誘發(fā)裂紋（HIC）的問題非常重要。

碳(C)鋼和低合金鋼被焊接，因?yàn)樗鼈兙哂袕V泛的應(yīng)用和良好的焊接性。這種實(shí)用性主要是由于鐵（Fe）基系統(tǒng)的冶金特性。該特性包括能夠進(jìn)行各向異性（微觀結(jié)構(gòu)）的轉(zhuǎn)變，這使得有機(jī)會(huì)通過馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變或沉淀機(jī)制進(jìn)行硬化和強(qiáng)化，此外還能夠很輕松地與大量的元素進(jìn)行合金化。碳鋼和低合金鋼的可焊性一般可分為：（1）制造可焊性和（2）使用可焊性。

制造可焊性是因?yàn)橥ㄟ^焊接連接C和低合金鋼而不引入有害的不連續(xù)因素的可能性。這些不連續(xù)性的可接受性取決于具體焊接的應(yīng)用條件。鋼的制造可焊性對(duì)于非關(guān)鍵性的應(yīng)用來說是足夠的。然而，同樣的鋼材可能不建議用于關(guān)鍵應(yīng)用，或者在焊接時(shí)需要特別的預(yù)防措施，如預(yù)熱。制造的可焊性主要涉及到不連續(xù)性，如H2輔助孔隙，片狀撕裂，冷裂，熱裂和再熱裂。

C型鋼和低合金鋼的服役可焊性是指完成的焊件具有足夠的性能來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。服役可焊性的一個(gè)重要特征是比較HAZ的性能和未受影響的基體鋼的性能。使用中的可焊性的可接受性也取決于計(jì)劃的應(yīng)用。對(duì)于腐蝕非常重要而韌性次要的應(yīng)用，某些鋼的服役焊接性可以接受。然而，在韌性非常重要的應(yīng)用中，同樣的鋼是不可接受的。使用中的可焊性涉及到焊接熱循環(huán)對(duì)熱區(qū)性能的影響。使用中的可焊性經(jīng)常決定了某些鋼所允許的熱輸入范圍。低熱量輸入會(huì)帶來不理想的低韌性微觀結(jié)構(gòu)，以及與冷裂有關(guān)的制造焊接性問題。高熱量輸入可以引入低韌性和低強(qiáng)度的粗糙微結(jié)構(gòu)。單純的熱輸入并不能控制所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)和熱影響區(qū)的性能，但導(dǎo)致的熱循環(huán)控制著微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，熱輸入和鋼的厚度都很重要。

鋼材的分類

C型鋼和低合金鋼涵蓋了各種各樣的成分和性能。鋼材經(jīng)常根據(jù)其C和/或合金元素的含量進(jìn)行分類。不同的分類有不同的名稱，如普通C鋼、C-Mn（錳）鋼、中等C鋼、低合金鋼、高強(qiáng)度低合金（HSLA）鋼和微合金鋼。最近，一種新的鋼材分類法引入了鋼材加工方法作為分類因素。這些被稱為各種名稱的鋼，經(jīng)常被描述為熱機(jī)械控制加工（TMCP）鋼。上述所有分類之間的界限往往是分散的，它們經(jīng)常重疊，而且有時(shí)是主觀的。

低碳鋼含有高達(dá)約0.30%的C和高達(dá)約1.65%的Mn。大多數(shù)用于焊接的軋制鋼由低碳鋼組成。這類鋼包括在焊接性方面有很大差異的鋼。例如，在所有的焊接過程中，可以焊接碳含量低于0.15％的低碳鋼。也可以焊接含0.15%至0.30%C的低C鋼（通常稱為低碳鋼），厚度可達(dá)25毫米。然而，較厚的低碳鋼部分可能需要額外的動(dòng)作才能成功焊接。

HSLA鋼的設(shè)計(jì)是為了提供比傳統(tǒng)C鋼更好的機(jī)械性能。這種鋼的YS通常為290至550N/sqmm，屬于C-Mn類型，添加了非常少的鈮（Nb）和釩（V）以確保晶粒細(xì)化和沉淀硬化。HSLA鋼通常被認(rèn)定為微合金鋼。這種鋼通常在軋制或正火狀態(tài)下進(jìn)行焊接。HSLA鋼的焊接性與低碳鋼的焊接性相似。

最近，一個(gè)新的HSLA鋼系列被開發(fā)出來，具有低C，銅（Cu）軸承的時(shí)效硬化。這些鋼不是真正的低合金，因?yàn)镃u、Ni（鎳）和Cr（鉻）的總含量通常接近1％。這些鋼的焊接性非常好，主要是因?yàn)樗鼈兊腃含量低（低于0.06%）。這些鋼通常在淬火和老化狀態(tài)下使用。由于這兩種條件，這些鋼有時(shí)也被稱為TMCP鋼。淬火和回火（Q&T）鋼經(jīng)熱處理后可獲得350至1030N/sqmm的YS。這些鋼的其他例子包括Ni-Cr-Mo（鉬）鋼。這些鋼的焊接通常不需要進(jìn)一步的熱處理，除了在一些特殊應(yīng)用中進(jìn)行焊后熱處理（消除應(yīng)力）。與選定的淬火和回火鋼相比，這些HSLA鋼的優(yōu)點(diǎn)是減少了銅時(shí)效硬化的焊接預(yù)熱要求。然而，這些HSLA鋼不能像低碳鋼那樣進(jìn)行焊接。

可熱處理低合金（HTLA）鋼通常是重新奧氏體化，然后在焊接后進(jìn)行淬火和回火。這種鋼是相對(duì)可硬化的鋼，在其淬火和回火狀態(tài)下，其YS高于960N/sqmm。焊縫金屬在焊接或應(yīng)力消除狀態(tài)下，通常不能形成可接受的強(qiáng)度和韌性組合，達(dá)到這個(gè)水平。因此，有必要在焊接后對(duì)整個(gè)焊件進(jìn)行重新奧氏體化，然后進(jìn)行淬火和回火。

TMCP鋼的生產(chǎn)通常采用控制軋制，然后加速冷卻或在線直接淬火的組合方式。這種加工方式可以開發(fā)出高強(qiáng)度和高韌性的組合，同時(shí)保持良好的焊接性。焊接性好是因?yàn)檫@些鋼中的合金元素含量可以保持很低，C含量通常低于0.06%。這些鋼的YS水平可能高達(dá)700N/sqmm或以上。這些鋼通常可以不經(jīng)預(yù)熱就進(jìn)行焊接。然而，在高強(qiáng)度的情況下，可能需要預(yù)熱，以防止焊接金屬出現(xiàn)裂紋。

鉻-鉬鋼被廣泛用于高溫應(yīng)用。這些鋼的含鉻量從0.5％到9％不等，含鉬量從0.5％到1.0％。這些鋼通常以 "正火和回火 "或 "淬火和回火 "狀態(tài)交貨。由于這些鋼具有合理的淬透性，需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施以避免H2輔助冷裂（HACC）。服務(wù)應(yīng)用往往對(duì)這些鋼的焊接提出了額外的要求。例如，在一些行業(yè)中，這些鋼需要有抗蠕變性，焊接金屬和HAZ都要提供足夠的蠕變性能。在一些行業(yè)的腐蝕環(huán)境中，需要限制最大的熱影響區(qū)硬度以避免腐蝕開裂。

鋼材對(duì)HACC的相對(duì)易感性

Graville建議，可以通過計(jì)算C當(dāng)量（CE）并與Graville圖（圖1）所示的C含量進(jìn)行比較來評(píng)估對(duì)HACC的敏感度。I區(qū)的鋼具有低的C和低的淬透性，不太容易出現(xiàn)裂紋。第三區(qū)的鋼具有高C和高淬透性，所有的焊接條件都會(huì)產(chǎn)生對(duì)裂紋敏感的微結(jié)構(gòu)。因此，為了避免III區(qū)的鋼出現(xiàn)HACC，有必要使用低H2措施，包括預(yù)熱和焊后熱處理。II區(qū)的鋼具有較高的C水平，淬透性較低。因此，有可能通過限制HAZ的冷卻率來避免裂紋敏感的微觀結(jié)構(gòu)。這可以通過控制熱輸入來實(shí)現(xiàn)，在小范圍內(nèi)也可以通過預(yù)熱來實(shí)現(xiàn)。

圖1 格拉維爾圖顯示了鋼對(duì)HACC的敏感度與C含量和CE的關(guān)系。

格拉維爾圖中考慮的CE是CE=% C + (% Mn +% Si)/6 + (% Ni +% Cu)/15 + (% Cr +% Mo +% V)/5。當(dāng)鋼從I區(qū)轉(zhuǎn)到II區(qū)，再轉(zhuǎn)到III區(qū)時(shí)，對(duì)冷裂的敏感性會(huì)逐漸增加。Graville圖還顯示，主要在III區(qū)的可熱處理合金鋼在焊接時(shí)需要特別考慮。鉻鉬鋼和Q&T鋼也需要注意，正如一些HSLA鋼所需要的那樣。低碳鋼很輕松焊接，除非是在厚的部分，為此需要采取一些預(yù)防措施。TMCP鋼是專門為位于I區(qū)而開發(fā)的，因此其焊接性非常好。圖1僅表示了可焊性的一個(gè)方面，還有許多其他問題，對(duì)于HACC來說，理想的優(yōu)先選擇是使用將成分覆蓋推向Graville圖的左下角的鋼。

與電弧焊有關(guān)的正常缺陷

多孔性是由小袋氣體的夾帶造成的，特別是H2和N2（氮?dú)猓ǔＴ谝后w而不是固體的鐵（Fe）中具有較高的溶解度。在凝固過程中，氣體試圖脫離開焊接金屬。然而，由于高凝固率，一些氣體可能被束縛住。這種夾帶既取決于氣體溶解的速度，也取決于焊接金屬的凝固速度。 如果溶解率高，氣泡就有機(jī)會(huì)在鋼凝固前形成并逸出。如果溶解率低，則氣體保持在溶液中，這樣可以避免孔隙，但會(huì)出現(xiàn)其他問題，如H2誘發(fā)裂紋（HIC）或韌性差。在中等速率下，氣體可以成核，并根據(jù)溶解在焊接金屬中的氣體量和焊接凝固速率，產(chǎn)生氣泡而被束縛住。當(dāng)氣體演化和凝固速度相同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種非常嚴(yán)重的氣孔形式，稱為蟲洞，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)的氣袋發(fā)展，以取代基本的球形氣泡。

H2的可能來源包括焊劑中的水分、拉絲潤(rùn)滑劑中的碳?xì)浠衔锘虼附宇^的表面污染物，以及 "氣體金屬弧焊"（GMAW）設(shè)備的漏水。由于電弧屏蔽不良，N2從進(jìn)入電弧區(qū)域的空氣中收集。對(duì)于GMAW來說，當(dāng)氣體流速太低以至于交叉氣流取代了保護(hù)層，或者太高以至于周圍大氣被吸入保護(hù)氣體時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。對(duì)于 "焊接金屬電弧焊"（SMAW）工藝，當(dāng)焊工沒有足夠的技能或使用不當(dāng)?shù)姆椒▽?dǎo)致電弧長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

不完全熔合有多種形式，如接頭穿透力不足，沒有根部熔合，或缺乏側(cè)壁熔合。這些缺陷可能是由以下原因造成的：(i)輸入到焊縫的能量不足，主要是電流不足，(ii)行走速度過快，使焊接金屬在電弧前面流動(dòng)，或(iii)電極角度或工作位置不當(dāng)。

接頭穿透和根部熔合的困難通常是由于使用的接頭設(shè)計(jì)對(duì)所使用的焊接工藝不合適，或者忽視了為提供足夠的電弧穿透所需的措施。在大多數(shù)情況下，這意味著焊接電流太低。然而，在氣體保護(hù)焊接工藝的情況下，這可能意味著使用了錯(cuò)誤的保護(hù)氣體。例如，使用富含氬氣（Ar）的混合氣體，滲透模式相對(duì)較淺，除了一個(gè)相當(dāng)深的中央 "手指"。不幸的是，這個(gè)指頭通常不在中心位置，因此，不能依賴。然而，富含氦氣（He）或二氧化碳（CO2）的保護(hù)氣體混合物能夠產(chǎn)生更均勻和更深的有用滲透模式。當(dāng)從一側(cè)進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)出現(xiàn)根部融合不良的情況，這就要求修改接頭設(shè)計(jì)，以允許更好的滲透，或者改為從鋼件的兩側(cè)進(jìn)行焊接。

在大多數(shù)情況下，當(dāng)焊工沒有使用適當(dāng)?shù)拇胧┗蚩刂萍夹g(shù)時(shí)，焊縫金屬和接頭之間缺乏側(cè)壁熔合。對(duì)于GMAW工藝，可能是由于使用了不適當(dāng)?shù)淖兓?，如在焊接重的部分時(shí)，使用了短路轉(zhuǎn)移。短路轉(zhuǎn)移只在低能量水平下有效，這使得它非常適用于焊接鋼板或薄板的所有位置。這是因?yàn)樵摴に嚨脑O(shè)計(jì)是為了提供很少的穿透力并迅速凍結(jié)焊接金屬。由于這個(gè)原因，焊縫金屬不會(huì)被熔化在熱量被迅速提取的接頭側(cè)壁上，也就是那些厚度超過6毫米的接頭。氬氣噴弧和二氧化碳保護(hù)的埋弧都會(huì)產(chǎn)生焊縫，這些焊縫體積太大，流動(dòng)性太強(qiáng)，無法在垂直或架空位置上支撐。然而，這些工藝對(duì)于在平面或水平位置進(jìn)行焊接非常有效。另一方面，富含氬氣保護(hù)的脈沖電弧變化在所有位置都非常有效，既能提供足夠的穿透力，又能控制焊池，防止因側(cè)壁熔合不良而造成缺陷。

熱裂紋也被稱為中心線或凝固裂紋，是由低熔點(diǎn)成分沿約束焊縫中心線的排斥引起的。它們?cè)诤附油瓿珊罅⒓闯霈F(xiàn)，有時(shí)在焊接過程中也會(huì)出現(xiàn)。如果打破焊縫以暴露這些裂縫，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是藍(lán)色的，或者是熱染色的。這些裂紋通常是由硫（S）和磷（P）引起的，在高C合金鋼中更容易出現(xiàn)。大多數(shù)情況下，底層鋼板是它們的來源?；诤缚p成分的開裂敏感性，已經(jīng)與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較，如UCS = 230 X % C + 190 X % S + 75 X % P + 45 X % Nb - 12.3 X % Si - 5.4 X % Mn - 1。如果UCS值小于10，那么對(duì)裂紋的敏感性就很低，而高于30的值意味著這種敏感性很高，而10和30之間的值意味著需要控制焊接技術(shù)。

缺陷，如熱裂紋和焊縫中的凹坑裂紋，在產(chǎn)生高稀釋度（即深穿）的焊接過程或技術(shù)中更容易發(fā)生。導(dǎo)致中心線裂紋的另一個(gè)因素是焊縫坑的尖銳淚滴狀輪廓，這是高焊接速度的特點(diǎn)。在這種情況下，焊縫坑經(jīng)常出現(xiàn)收縮裂紋，稱為坑裂。水滴形凹坑和深穿透都是在 "埋弧焊"（SAW）工藝和使用CO2保護(hù)的GMAW工藝中產(chǎn)生的。這個(gè)問題也可能發(fā)生在非常凹陷的圓角焊縫中，因?yàn)槠錂M截面可能不足以承受由于焊接收縮而產(chǎn)生的橫向應(yīng)力。

在大多數(shù)情況下，這個(gè)問題可以通過將S和P的綜合水平保持在0.06%以下來預(yù)防。然而，當(dāng)使用高強(qiáng)度鋼焊接高度約束的接頭時(shí)，一般需要將綜合水平保持在0.03%以下。當(dāng)需要焊接的鋼材中含有過量的S或P時(shí)，可以通過以下方式避免熱裂紋：(i)使用不深的焊接方法或技術(shù)，(ii)選擇足夠慢的行走速度以防止形成淚滴狀凹坑，(iii)提供凸形焊縫輪廓，以及(iv)在每個(gè)焊縫的末端填充凹坑。

片狀撕裂發(fā)生在基礎(chǔ)鋼板上，當(dāng)通過其厚度受力時(shí)，通常發(fā)現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)的下方。它與含有薄層夾雜物的帶狀鋼有關(guān)，這些夾雜物位于鋼板表面之下。如果要使用臟鋼，那么可以通過改變接頭設(shè)計(jì)來防止這個(gè)問題，以減少焊接處通過鋼板厚度的應(yīng)變。

暗切是一種不規(guī)則的切口，通常出現(xiàn)在水平角焊縫的上趾。該段焊縫的鋼底板被電弧熔化，但沒有被焊縫金屬重新填充。大多數(shù)情況下，這種缺陷是由選擇不當(dāng)?shù)暮附訔l件造成的，如電極角度、行走速度和焊接電流。當(dāng)試圖用長(zhǎng)度高于8毫米的焊腳進(jìn)行角焊時(shí)，更容易發(fā)生這種情況。在GMAW工藝中，當(dāng)使用含氧量低于2%的氬氣保護(hù)罩時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種情況。在垂直位置進(jìn)行的焊接中也會(huì)出現(xiàn)暗切，一般是由于過度編織造成的。

重疊，也稱為翻轉(zhuǎn)，通常與角焊有關(guān)，當(dāng)焊接電流過低，無法正確熔化基礎(chǔ)鋼板，或者行走速度過低，無法接受沉積的金屬量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)重疊。在SMAW過程中對(duì)電極的處理不當(dāng)也可能是一個(gè)因素。

夾雜物是由焊縫之間夾帶的熔渣產(chǎn)生的。夾雜物的來源是未熔化的焊劑碎片，它們可能被困在接頭中，或者是被允許在電弧前流動(dòng)并被焊縫覆蓋的熔渣，或者是在焊接過程中未被清除的凝固熔渣，或者是在焊接前未從接頭中清除的重度磨屑。這個(gè)問題在SMAW工藝中最常見，因?yàn)樗赡軙?huì)因?yàn)楹腹さ目刂萍夹g(shù)不佳而加劇。在高冠或粗糙的焊縫上進(jìn)行焊接時(shí)，可以預(yù)見到夾雜物的存在，因?yàn)樗鼈兊倪吘壴诤附舆^程中很難清理或穿透。預(yù)防的方法是：(i)訓(xùn)練焊工沉積具有準(zhǔn)確平面輪廓的焊縫，(ii)定位焊縫以允許更高的能量和更多的液體沉積，(iii)防止焊縫之間出現(xiàn)鐵銹，以及(iv)確保焊縫在焊縫之間通過清潔或研磨得到適當(dāng)處理。

氫氣誘發(fā)的裂紋

氫氣誘發(fā)裂紋（HIC）是一種主要與低合金鋼焊接有關(guān)的現(xiàn)象。導(dǎo)致HIC的因素有：(i)H2的存在，(ii)高拉應(yīng)力，(iii)易受影響的微觀結(jié)構(gòu)，(iv)溫度大約在200攝氏度和-100攝氏度之間，以及(v)時(shí)間。在較低的強(qiáng)度水平（約490N/sqmm），HIC通常被觀察到為基體鋼HAZ中的縱向裂紋，通常稱為珠子下裂紋。在較高的強(qiáng)度水平（約830 N/sq mm和更高），橫向裂紋也可能發(fā)生在焊接金屬中。

經(jīng)常使用的表述 "H2脆化 "表明H2破壞了焊縫的韌性，但這個(gè)術(shù)語(yǔ)是一個(gè)錯(cuò)誤的說法。對(duì)從裂縫之間的區(qū)域移除的材料進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)表明，該材料表現(xiàn)出的韌性水平與沒有H2的焊縫相當(dāng)，當(dāng)然也包括裂縫。然而，拉伸延展性可能會(huì)降低，因?yàn)樵诶煸囼?yàn)過程中可能會(huì)發(fā)生HIC，從而減少試驗(yàn)樣品的橫截面積。由此產(chǎn)生的斷裂表面的缺陷被稱為 "魚眼"。冷裂紋是另一種表達(dá)方式，它被用來區(qū)分這些裂紋和熱裂紋，熱裂紋在焊接金屬中發(fā)現(xiàn)，是由低熔點(diǎn)成分在凝固過程中偏析產(chǎn)生。延遲開裂是另一個(gè)正在使用的術(shù)語(yǔ)。它是描述性的，因?yàn)镠IC可能在幾天或幾周內(nèi)不會(huì)發(fā)生。當(dāng)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)HIC時(shí)，經(jīng)常在一周或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不對(duì)焊縫進(jìn)行射線照相，以使裂紋得以發(fā)展。

機(jī)制

氫氣是所有電弧焊接過程中的一種普遍雜質(zhì)。它存在于助焊劑中無法避免的水，填充焊絲表面的有機(jī)潤(rùn)滑劑，收集在焊接點(diǎn)的碎片，以及可以吸入電弧流的空氣中的水分。H2在液態(tài)鐵中的溶解度比在固態(tài)鐵中的溶解度高，而且它在固態(tài)鐵中的溶解度也隨著溫度的升高而降低。H2在鐵中的溶解度是溫度的一個(gè)函數(shù)。

在1500攝氏度時(shí)，液態(tài)以上的溶解度約為30ppm（百萬分之一），但在固態(tài)下約為8ppm。在400攝氏度時(shí)，其溶解度下降到小于1ppm。焊接金屬的凝固速度非常高，因此，溶解在熔化的焊接金屬中的H2被保留下來。雖然H2以氣體形式逸出，但往往以小氣泡或焊接金屬孔隙的形式被截留，大量的H2以過飽和的形式留在固化的焊接金屬中。殘留物可能看起來微不足道，但必須承認(rèn)，小到1ppm的H2都會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼的開裂問題。

在冷卻間隔期間，原子H2迅速擴(kuò)散，一些進(jìn)入焊縫HAZ，一些逃到空氣中，其余的留在焊縫金屬中。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些高度移動(dòng)的原子會(huì)尋找金屬晶格中的裂縫和不連續(xù)點(diǎn)并集中在這些點(diǎn)上。在與晶格中的殘余應(yīng)力的配合下，由于外部約束和凝固及固態(tài)轉(zhuǎn)化引起的體積變化，H2擴(kuò)大了不連續(xù)點(diǎn)，形成微裂紋。當(dāng)原子穿透裂縫并作為分子被束縛住時(shí)，局部的應(yīng)力被突然緩解。由此產(chǎn)生的微裂縫，具有尖銳的尖端，也與高應(yīng)力集中有關(guān)，在那里有更多的原子聚集。這些應(yīng)力不斷積累，直到它們也隨著裂縫的延伸而被釋放。這種應(yīng)力積累和裂紋釋放的過程一直持續(xù)到：(i)橫截面積減少到足以導(dǎo)致失效，(ii)H2逃逸的數(shù)量足以將其濃度降低到裂紋進(jìn)行所需的水平以下，以及(iii)珠狀裂紋將焊縫中的殘余應(yīng)力降低到裂紋進(jìn)行所需的水平以下。

HIC不是自發(fā)發(fā)生的，而是以不連續(xù)的步驟發(fā)生的。階梯式的進(jìn)展可以通過聲學(xué)來觀察。在小試樣中，也可以通過測(cè)量電阻的變化來監(jiān)測(cè)其進(jìn)展情況。監(jiān)測(cè)描述了HIC過程開始后發(fā)生的電阻變化，以及HIC一步步發(fā)展直至失效的方式。監(jiān)測(cè)還顯示了HIC對(duì)外部壓力水平的敏感性。當(dāng)試樣上的應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度（TS）時(shí)，無論是否存在H2，都會(huì)迅速發(fā)生失效。然而，當(dāng)有足夠的H2存在時(shí)，由HIC引起的損壞可以在應(yīng)力遠(yuǎn)低于TS時(shí)開始。只要有足夠的H2和時(shí)間，HIC就會(huì)導(dǎo)致破壞。通常情況下，啟動(dòng)裂紋并導(dǎo)致失敗所需的時(shí)間隨著應(yīng)力的降低而增加。

重要的是要知道，HIC在臨界應(yīng)力以下不會(huì)發(fā)生。除了施加的應(yīng)力，溶解在鋼中的H2量也起著重要作用。隨著H2的增加，啟動(dòng)HIC所需的應(yīng)力較小，而且啟動(dòng)所需的時(shí)間也會(huì)減少。應(yīng)力和H2這兩個(gè)變量的相互作用表明，啟動(dòng)HIC的時(shí)間和低于失效的臨界應(yīng)力都與鋼中的H2含量成反比。

影響HIC的第三個(gè)變量是鋼的微觀結(jié)構(gòu)（無論是焊接金屬還是HAZ）。發(fā)生在C含量較高（超過0.3 % C）的鋼中的孿生馬氏體，通常是非常困難的，盡管該問題可能發(fā)生在所有針狀微結(jié)構(gòu)中，包括貝氏體。這種假設(shè)可能是有缺陷的，因?yàn)獒槧钗⒔Y(jié)構(gòu)是與高強(qiáng)度鋼相關(guān)的典型結(jié)構(gòu)，而較高的應(yīng)力本身就是HIC的一個(gè)加重因素。然而，具有相對(duì)寬容的微觀結(jié)構(gòu)的鋼可能比具有敏感微觀結(jié)構(gòu)的更強(qiáng)的鋼顯示出更高的臨界應(yīng)力。通常情況下，較強(qiáng)的鋼對(duì)H2更敏感，因?yàn)镠IC的啟動(dòng)時(shí)間更早，臨界應(yīng)力更低。在高強(qiáng)度馬氏體鋼和較弱的貝氏體鋼之間已經(jīng)觀察到這種行為差異。

夾雜物也很重要。HSLA鋼的韌性會(huì)受到雜質(zhì)的影響，特別是以?shī)A雜物的形式出現(xiàn)時(shí)。然而，由于夾雜物可以作為H2原子的匯，它們也可以產(chǎn)生有益的影響。由于這個(gè)原因，一些純度很高的鋼已經(jīng)被證明對(duì)HIC非常敏感。不能得出結(jié)論說，為了發(fā)展HIC，焊縫需要有外部的壓力。與熔接有關(guān)的差異收縮總是在焊件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，除了極少數(shù)例外，這些應(yīng)力至少相當(dāng)于接頭中最弱部件的YS。由于大多數(shù)焊接金屬都比母材強(qiáng)，所以殘余應(yīng)力接近于母材的YS。通常情況下，通過選擇較弱的或不太匹配的焊接金屬來保持盡可能低的殘余應(yīng)力，有可能使關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中的HIC發(fā)展降到最低。對(duì)于某些應(yīng)用，如涉及疲勞的應(yīng)用，一個(gè)較弱但健全的結(jié)構(gòu)可能比含有HIC的結(jié)構(gòu)更適合。然而，鑒于敏感的微觀結(jié)構(gòu)和足夠的H2，臨界應(yīng)力可以非常低，大大低于典型的殘余應(yīng)力。因此，如果HIC是一個(gè)問題，在大多數(shù)情況下，它在焊接結(jié)構(gòu)離開制造區(qū)之前就會(huì)出現(xiàn)。

另一個(gè)重要的觀察是，HIC的機(jī)制受到溫度的影響。在更高的溫度下，H2的擴(kuò)散率非常高，允許原子集中在晶格缺陷或焊縫中的其他尖銳不連續(xù)處。由于H2的流動(dòng)性基本為零，HIC不太可能在低于-130攝氏度的焊縫中發(fā)生。

HIC的控制

在考慮HIC的冶金要求時(shí)，顯然可以采用一些方法來避免其發(fā)生。這些要求包括減少與焊接件有關(guān)的殘余應(yīng)力。這些方法是：(i)避免在焊接金屬和HAZ中出現(xiàn)針狀微結(jié)構(gòu)，或至少選擇那些貝氏體而不是馬氏體的微結(jié)構(gòu)，(ii)在焊接操作中減少溶解在焊接金屬中的H2數(shù)量，或(iii)在H2造成損害之前允許其釋放。這些方法中最合適的方法取決于待焊部件的尺寸、所需的機(jī)械性能、預(yù)見的服務(wù)、要使用的焊接工藝和成本限制。在大多數(shù)情況下，需要做出妥協(xié)，這些方法的組合可能是最具成本效益的。

如前所述，焊縫中的殘余應(yīng)力通常相當(dāng)于接頭中最薄弱材料的YS。在引入高三軸應(yīng)力的接頭配置中，殘余應(yīng)力可能明顯高于YS。盡管設(shè)計(jì)者很少為了減少殘余應(yīng)力而使用較弱的材料，但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，HIC對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有很大影響。為了適應(yīng)較弱的鋼材，一個(gè)更可接受的折衷辦法是重新設(shè)計(jì)焊接件，使其包含更厚的部分。然而，也可以采取其他方法來充分利用低合金鋼的強(qiáng)度而不產(chǎn)生HIC。

由于改變焊接金屬或熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)的可能性很小，除非可以選擇不同的鋼，否則應(yīng)選擇對(duì)HIC最寬容的鋼材料。另一種減少焊縫中殘余應(yīng)力的方法是在低于臨界溫度的情況下進(jìn)行焊后熱處理。由于鋼在較高的溫度下比較脆弱，通過將焊縫加熱到可以發(fā)生塑性屈服的溫度，可以大大減少殘余應(yīng)力。對(duì)于具有回火馬氏體結(jié)構(gòu)的鋼來說，這種熱處理最合適的選擇是在原回火溫度或略低于原回火溫度，一般接近620攝氏度，這種處理稱為去應(yīng)力退火（SRA）。為了使這種處理有效，在溫度下降到200攝氏度以下之前，焊件要保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)拇鬆t子里，然后，為了防止與變形有關(guān)的困難，要緩慢加熱和冷卻?？紤]到SRA處理所需的溫度和時(shí)間，很明顯，焊縫中所有可擴(kuò)散的H2將被釋放。然而，除非出于避免HIC以外的原因要消除焊縫中的應(yīng)力，否則SRA可能被證明是一個(gè)非常昂貴的選擇。在防止HIC的計(jì)劃中，后加熱也有一定的地位。沒有必要將焊件重新加熱到遠(yuǎn)高于200攝氏度的溫度，以加速H2的逸出，并避免可能發(fā)生HIC的溫度范圍。這種熱處理適合于焊接部件，其體積小到可以在焊接前在爐子里預(yù)熱，并在焊接后立即回到爐子里，讓所有的H2逸出一段時(shí)間。這種方法主要對(duì)非常高強(qiáng)度的合金鋼很重要，因?yàn)樗鼘?duì)與H2有關(guān)的裂紋問題非常敏感。

通過減緩焊縫在焊接后的冷卻速度，也可以得到類似的結(jié)果。在溫度下降到200攝氏度以下之前，這為H2的逸出提供了更多的時(shí)間。延緩冷卻速度也允許奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^軟的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)HIC不太敏感。

電弧焊的冷卻速度主要受三個(gè)因素影響，即（i）焊接開始前的接頭溫度，（ii）焊接過程中的電弧能量輸入，以及（iii）接頭厚度。初始溫度可以是鋼材存放區(qū)域的環(huán)境溫度，或者是由于以前用外部方法焊接而使焊件加熱到的溫度（焊間溫度），或者是接頭曾被加熱到的溫度（預(yù)熱溫度）。隨著預(yù)熱溫度的提高，冷卻速度會(huì)降低。電弧能量輸入是由電弧耗散的電能和電弧沿接頭移動(dòng)的速度決定的。較高的電弧能量輸入會(huì)延緩冷卻速度。

連接處的厚度也會(huì)影響冷卻速度，因?yàn)檫M(jìn)入連接處的大部分熱量會(huì)通過傳導(dǎo)進(jìn)入焊件的主體。三維冷卻時(shí)，傳導(dǎo)達(dá)到最大。這發(fā)生在接頭厚度超過25毫米的時(shí)候。在較薄的部分，傳導(dǎo)的效果較差，這意味著焊縫冷卻率與厚度成反比。盡管薄型截面的冷卻率也受到輻射和對(duì)流的影響，但其效果遠(yuǎn)不如傳導(dǎo)的效果明顯。

上述變量可以被納入一個(gè)單一的方程式中，從而可以計(jì)算出焊縫在特定溫度下的冷卻速度。CRt = K [(T-To)2 /E] 其中CRt是溫度為T時(shí)的冷卻速率，K是一個(gè)比例常數(shù)（包括對(duì)鋼材厚度的調(diào)整，如果其厚度小于25毫米），To是預(yù)熱或中間溫度，E是電弧能量輸入，計(jì)算公式為E= VI/S 其中V是電弧電壓，I是焊接電流，S是電弧移動(dòng)速度。通過結(jié)合上述兩個(gè)方程，可以得到冷卻速率的一般表達(dá)式，即CRt= K [（T-To）2*S/VI]。這個(gè)方程是為了預(yù)測(cè)焊縫和HAZ的微觀結(jié)構(gòu)而開發(fā)的，與連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖相結(jié)合。此圖允許確定冷卻速率，在此速率以上可以確保強(qiáng)馬氏體或貝氏體，在此速率以下可以避免。同樣的方程式可以用來計(jì)算對(duì)H2的演變和避免HIC的關(guān)鍵溫度下的冷卻速率。

焊接程序的調(diào)整是通過改變電流或移動(dòng)速度來完成的。電壓是一個(gè)依賴性很強(qiáng)的變量，它由（i）焊接過程，（ii）電極、焊劑或保護(hù)氣體的特性，以及（iii）電流決定。它不能被看作是控制焊接冷卻速度的一個(gè)變量。

另一種延緩冷卻速度的方法，可能是最常見的方法，是在焊接前控制接頭的預(yù)熱溫度或焊接間溫度。這些溫度的相對(duì)較小的變化可以對(duì)200攝氏度左右的冷卻速度產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，這對(duì)HIC的發(fā)生至關(guān)重要。例如，通過將預(yù)熱溫度從20攝氏度提高到100攝氏度，200攝氏度的冷卻速度降低了三分之一左右。通過預(yù)熱到150攝氏度，冷卻速度降低了大約10倍，這在制造對(duì)HIC容忍度很低的高強(qiáng)度鋼時(shí)是一個(gè)非常重要的數(shù)字。

預(yù)熱是相當(dāng)昂貴的。它可能會(huì)影響焊縫的微觀結(jié)構(gòu)，并可能使焊工的工作條件無法忍受。然而，預(yù)熱對(duì)減少HIC至關(guān)重要。預(yù)熱會(huì)影響到用覆蓋式電極焊接時(shí)高強(qiáng)度鋼HAZ的低臨界應(yīng)力。這種高強(qiáng)度鋼的極限TS約為750N/sqmm。然而，在25攝氏度的預(yù)熱下，也就是室溫下，在490牛頓/平方毫米左右的應(yīng)力水平下，不到10分鐘就會(huì)因HIC而導(dǎo)致失效。在低于415牛頓/平方毫米的臨界應(yīng)力下，不會(huì)發(fā)生故障。通過預(yù)熱到120攝氏度，臨界應(yīng)力增加到620N/sq mm，這大約是高強(qiáng)度鋼的YS，但仍然被認(rèn)為是不安全的。為了完全避免HIC，在用于生產(chǎn)焊縫的條件下，預(yù)熱溫度需要高于150攝氏度。

有許多方法被用來選擇最合適的預(yù)熱鋼的溫度，以避免HIC。一些方法依靠經(jīng)驗(yàn)得出的表格，列出了鋼材和推薦的焊接措施，包括預(yù)熱和后熱的措施。另一種方法是將裂紋傾向與鋼的淬透性定量地聯(lián)系起來，在CE的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。CE的一個(gè)公式為：CE = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4。

對(duì)于涉及到用覆蓋電極進(jìn)行焊接的應(yīng)用，具有不同CE的鋼的推薦預(yù)熱溫度雖然顯示出相當(dāng)大的分散性，但總體趨勢(shì)顯示出CE和預(yù)熱溫度之間的線性關(guān)系。對(duì)于所需預(yù)熱的快速近似值，可以使用To =200 CE的關(guān)系，其中To的單位是攝氏度。對(duì)于包括所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在內(nèi)的散點(diǎn)帶，CE和預(yù)熱溫度之間更精確的互動(dòng)關(guān)系可以通過To = 210 CE（+15至-45）來顯示。60攝氏度的散射帶相當(dāng)大，這表明上半部分可用于選擇合適的預(yù)熱溫度，以避免潛在問題。然而，如果需要避免冶金軟化，那么最合適的行動(dòng)方案是依靠實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來確定預(yù)熱的最低有效水平。當(dāng)然，這種確定需要考慮能量輸入、接頭的厚度和焊接過程。

H2的測(cè)量

直接測(cè)量焊縫金屬中的H2是困難的。除非在進(jìn)行分析前很小心地阻止其從焊縫中逸出，否則測(cè)量的量一般不能代表可能導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的量。這意味著在等待分析時(shí)，應(yīng)計(jì)劃快速分析樣品或在液氮（N2）中過冷以阻止H2的擴(kuò)散。美國(guó)焊接協(xié)會(huì)（AWS）推薦的技術(shù)是測(cè)量從大約75毫米長(zhǎng)的試驗(yàn)焊縫中逸出的H2氣體體積。它被收集在Eudiometer管（在汞或甘油浴中）或氣相色譜儀的隔離室中。

間接方法也被用于測(cè)量H2的來源。對(duì)于用于GMAW和SAW工藝的焊絲，這可以通過測(cè)量其表面的碳?xì)浠衔飦硗瓿伞Ｙ|(zhì)譜法可用于分析。對(duì)于SMAW和SAW工藝，可以確定焊劑中吸附的水分。通常，這是通過測(cè)量在400攝氏度至425攝氏度高溫下干燥后的重量損失來完成的。與間接測(cè)量有關(guān)的問題是，H2從焊絲或焊劑轉(zhuǎn)移到焊縫的效率很難預(yù)測(cè)。它通常取決于焊接技術(shù)。因此，經(jīng)驗(yàn)結(jié)果被用來將焊接材料中存在的H2量與焊件中的HIC聯(lián)系起來。由于這個(gè)原因，工藝之間的比較變得非常困難。然而，即使是對(duì)氣體演變的測(cè)量也可能有問題，因?yàn)橹粶y(cè)量可擴(kuò)散的H2。一些留在溶液中，一些被困在焊縫缺陷或夾雜物中。

焊接過程的重要性

電弧焊接過程需要一個(gè)填充材料的來源，以及保護(hù)和控制電弧和沉積金屬的方法。在大多數(shù)情況下，填充材料是以棒狀、連續(xù)線或連續(xù)管的形式提供的。所有這些材料的表面都被富含H2的拉絲潤(rùn)滑劑的殘留物所污染。在GMAW工藝中，使用屏蔽氣體進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于包芯線，則使用屏蔽氣體和助焊劑的組合。埋弧和覆蓋電極技術(shù)只涉及助焊劑。所有的助焊劑都是化學(xué)結(jié)合或吸附的水的來源。溶解在焊接金屬中的H2數(shù)量不僅在不同的工藝之間，而且在不同的工藝中也會(huì)有所不同。

在所有使用消耗品電極的電弧焊工藝中，GMAW工藝的H2含量最低，主要來源是焊絲表面殘留的拉伸潤(rùn)滑劑。完全干燥的焊絲是不可接受的，因?yàn)樗茈y進(jìn)給。對(duì)于YS小于520N/sqmm的鋼來說，殘留潤(rùn)滑劑的數(shù)量一般不是問題。然而，當(dāng)YS接近620N/sqmm時(shí)，如果要避免HIC，除非可以使用相對(duì)較高的預(yù)熱溫度，否則殘留的潤(rùn)滑劑就會(huì)成為一個(gè)潛在的重要因素。當(dāng)YS超過830 N/sq mm時(shí)，殘余潤(rùn)滑劑應(yīng)盡可能保持在較低水平。

殘余物的重要性反映在H2對(duì)焊縫HIC的影響上，這些焊縫的YS為930 N/sq mm，需要通過控制冷卻速度將其降到最低。在這種情況下，冷卻速度是在540攝氏度時(shí)確定的，這個(gè)溫度接近于焊縫金屬?gòu)膴W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)的溫度。 在大約30攝氏度/秒的相對(duì)較快的冷卻速度下，焊絲表面的4ppm的H2被證明已經(jīng)引起了HIC。為了確保沒有HIC，H2要保持在低于3ppm的水平。通過調(diào)整焊接技術(shù)、預(yù)熱溫度或兩者，以便將540攝氏度的冷卻速度延緩到低于20攝氏度/秒，焊絲上的H2容許量可以增加到5ppm。

如H2測(cè)量中所述，很難預(yù)測(cè)在電弧中（或在到達(dá)電弧前）分解的表面污染物轉(zhuǎn)移到焊縫中的H2量，主要是當(dāng)測(cè)量的水平為個(gè)位數(shù)ppm。這個(gè)水平非常低，以至于無法使用氣體演化技術(shù)來測(cè)量H2。在較低的冷卻速度下，對(duì)線材表面污染物的容忍度較高，這可能是由于較軟的微觀結(jié)構(gòu)，也可能是由于H2的逃逸。為了保持高強(qiáng)度，較高的冷卻速度是必要的。通常情況下，當(dāng)冷卻速度降到10攝氏度/秒以下時(shí)，強(qiáng)度會(huì)突然下降。顯然，為了在不遇到HIC的情況下獲得最強(qiáng)的焊縫，有必要盡量減少任何含有H2的污染物的存在。

其他電弧焊工藝不可能實(shí)現(xiàn)非常低的H2含量，因?yàn)樗鼈冃枰竸┒皇潜Ｗo(hù)氣體。助焊劑可以吸收水分。埋弧焊劑中的水分對(duì)YS為830N/sqmm的焊縫金屬的開裂敏感性有重要影響。它表明，低至7毫升/100克的擴(kuò)散性H2水平可以使臨界強(qiáng)度下降到105 N/sq mm（1 ppm的H2含量相當(dāng)于1.11毫升/100克）。即使烘烤焊劑以使焊接擴(kuò)散的H2含量低于2毫升/100克也不能消除HIC。臨界應(yīng)力仍然低于415N/sqmm。很明顯，用于埋弧焊的焊接條件是不可接受的。要么鋼對(duì)H2異常敏感，要么使用的焊劑不能充分干燥以減少H2污染。

在SMAW工藝中，當(dāng)焊接強(qiáng)度超過480N/sqmm時(shí)，也會(huì)遇到類似的HIC問題。為此，專門開發(fā)了低H2電極，以盡量減少（如果不是防止）這一問題。低H2電極涂層的配方不含任何有機(jī)材料。這種低H2涂層在超過430攝氏度的溫度下烘烤，以減少殘余水分至約0.1％的水平。這幾乎是實(shí)際可行的最低水平，因?yàn)橥繉又袥]有水分往往會(huì)使其變脆。在最初的制造過程中，烘烤對(duì)殘留水分的影響表明，即使仔細(xì)控制配方和烘烤，覆蓋電極涂層的水分水平也不能降低到足夠低的水平，以防止YS高于830N/sqmm的鋼的HIC。

低H2電極的水分通常被規(guī)定為0.2 %，這個(gè)水分水平是預(yù)期的。這一水分水平是預(yù)期在商業(yè)低H2電極的涂層中發(fā)現(xiàn)的，在從密封的容器中取出后立即發(fā)現(xiàn)。然而，如果暴露在潮濕、溫暖的空氣中，電極涂層會(huì)重新吸收水分。吸取濕氣的速度取決于涂層中的成分。在某些情況下，重新吸收的水分可以達(dá)到超過1％的水平。出于這個(gè)原因，在炎熱和潮濕的日子里，應(yīng)將電極儲(chǔ)存在加熱的烤箱中，并且只在短時(shí)間內(nèi)暴露在車間的環(huán)境中。

已經(jīng)開發(fā)了防潮涂層以應(yīng)對(duì)再吸收的問題。盡管該涂層在暴露于相對(duì)涼爽和適度潮濕的環(huán)境中是相當(dāng)安全的，但在熱帶條件下進(jìn)行焊接時(shí)，必須采取額外的預(yù)防措施。通過在接近制造過程中使用的溫度下重新烘烤，有可能挽救已經(jīng)變 "濕 "的電極。雖然重新烘烤可以挽救無意中暴露在潮濕條件下的電極，但這個(gè)過程不能重復(fù)，因?yàn)楦采w的電極是用金屬粉末制成的合金，在重新烘烤的過程中可能會(huì)被氧化。因此，所產(chǎn)生的合金更瘦，更弱。

再烘烤會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬中Mn和Si含量的損失，從而導(dǎo)致焊縫YS的下降。這種情況發(fā)生在非常有控制的再烘烤中。不幸的是，在車間氣氛中并不總是采取同樣的謹(jǐn)慎。Mn和Si含量以及機(jī)械性能的損失可能會(huì)大大增加。