焊接冷裂纹可能在碳含量大于0.30％（质量分数）的中碳钢和高碳钢以及屈服强度大于300MPa的低合金钢、中合金钢和马氏体高合金钢焊接接头中产生。它可能存在于焊缝金属，但更多在热影响区内形成。热影响区冷裂纹的典型形貌如第6章图6-35所示。

在冶金质量较差的低合金钢厚板接头中，在一些不利条件的共同作用下，可能在焊接热影响区或靠近热影响区的母材中形成所谓层状撕裂，并在平行于钢板的轧制方向扩展，其典型形貌如第5章图5-9所示。

1.冷裂纹的形成原因

焊接接头中冷裂纹的形成主要与下列三个因素有关：①焊缝金属及热影响区内淬硬组织的形成，这主要决定于钢的碳含量和合金成分及含量；②焊缝金属在焊接过程中氢的吸收和扩散；③焊接接头的残余应力及相变应力的作用。

在这三要素中，热影响区和焊缝金属内淬硬组织的形成是促使冷裂纹形成的首要条件。也就是说，只有在形成淬硬组织的前提下，扩散氢和焊接内应力才能起促进冷裂纹的作用。例如在无淬硬倾向的低碳钢和奥氏体钢中，即使采用氢含量较高的酸性焊条焊接拘束度较高的焊接接头，焊缝金属和热影响区内也不会出现任何冷裂纹。相反，在合金成分和碳含量较高、淬硬倾向较大的高强度钢焊接接头中，即使将焊缝金属的扩散氢含量控制在较低的水平（例如采用低氢碱性药皮焊条），但如果接头冷却速度较快，也还是存在冷裂纹的可能性。

层状撕裂是冷裂纹的一种特殊形式，其通常在接头冷却到200℃以下，受较高的焊接应力作用而产生。

层状撕裂的形成机理与上述淬硬引起的冷裂纹不同，它是以沿钢板轧制方向分布的非金属夹杂物为裂源，在钢板厚度方向的焊接拘束拉应力的作用下形成台阶式的裂纹。在裂纹形成过程中，焊接热影响区的氢脆和应变时效脆变起着一定的促进作用。层状撕裂的形成基本上分为两个阶段，首先是热影响区的夹杂物集中区在焊接应力作用下产生与基体剥离，形成撕裂斑点。当这些斑点长大到一定尺寸时，则以脆断方式扩展而合并成宏观裂纹。

钢材层状撕裂倾向首先取决于钢中非金属夹杂物（MnS、Al₂O₃和各种硅酸盐）的数量、形状及其分布特点。钢中S和O₂的含量越低，抗层状撕裂的能力越强。对于低合金结构钢，不再产生层状撕裂的临界w（S）为0.020％。

钢的层状撕裂形成概率取决于接头的拘束度。焊接接头的临界拘束度与钢材Z向（厚度方向）拉伸试样断面收缩率之间存在着对应关系。钢材Z向拉伸断面收缩率可定量说明钢材沿厚度方向受拉时塑性变形的能力。实际焊接接头的Z向拘束度越高，则要求越高的断面收缩率值。

焊接热影响区的热应变时效脆化和氢脆对层状撕裂的影响可作如下解释。对于某些钢材，在400～650℃温度区间具有蓝脆倾向，在250℃温度左右可能出现热应变时效。当采用氢含量较高的焊条焊接时，热影响区可能聚集大量的氢，并富集于非金属夹杂物周围，使该区的金属变脆。

此外，接头的形式和焊接工艺对层状撕裂的形成也有较大的影响。例如直角接头、平端盖与筒体相接的环缝，由于钢板在厚度方向直接受角焊缝的收缩拉应力的作用，对层状撕裂最为敏感。

2.冷裂纹的防止方法

根据上述冷裂纹形成的原因，可以从以下各方面采取防止措施：

1）降低钢材的碳含量是防止焊接接头冷裂纹最根本的措施，无论是低合金钢、中合金钢和高合金钢，将碳含量降低到0.10％（质量分数）以下，钢的淬硬性大大减弱，即使是合金含量较高的中合金钢和高合金钢，在焊接接头快速冷却条件下形成的马氏体组织为硬度较低的低碳马氏体，具有较好的塑性，并不敏感于焊接冷裂纹。

2）控制焊接区的冷却速度，采取焊前预热或加大焊接热输入，降低焊接区的冷却速度等措施，遏制马氏体等淬硬组织的形成，是防止冷裂纹形成的有效方法。预热温度取决于所焊钢材的碳当量、接头的壁厚和拘束度，按钢种可在100～400℃温度范围内选择。

3）建立低氢的焊接环境，除了选用低氢型和超低氢型焊条外，还应彻底清除接缝和坡口表面的油污和水分。焊条在使用前严格按有关规定烘干。

4）采取焊后低温后热或消氢处理，对于焊前预热还不足以防止冷裂纹的焊接接头，例如合金含量较高的低合金钢厚壁接头，淬硬性特别高的中合金和高合金马氏体钢中、厚板焊接接头，焊后应立即作200～250℃低温后热处理或进行350～400℃的消氢处理。(www.daowen.com)

3.防止层状撕裂的措施

层状撕裂可采取下列防止措施：

（1）冶金措施 提高钢材抗层状撕裂的能力，最根本的办法是改善钢材本身的内在质量，提高钢材厚度方向的性能。将钢中的w（S）降低到0.01％～0.005％可显著地提高钢材厚度方向的断面收缩率。

按现行的国际通用标准，在设计存在层状撕裂危险的焊接结构时，应当选用Z向拉伸断面收缩率大25％的钢材。

（2）结构设计措施 在任一结构部件上厚度方向的工作应力，或与焊接残余应力叠加后的总应力超过0.5倍名义工作应力，就必须注意层状撕裂的危险性。在结构设计上通常可以采取下列措施：

1）合理设计结构节点，降低垂直作用于钢板厚度方向的载荷。

2）设计适当的坡口形式，减小接头厚度方向的内应力。

3）接头坡口的深度至少应占板厚的70％，尽量采用全焊透的接头形式，但应尽可能缩小焊缝的截面积。

4）采用弹性结构设计，以降低焊接内应力峰值。

5）尽可能扩大承受垂直载荷的节点面积。

（3）焊接工艺措施

1）制定正确的焊接顺序可以减少焊缝的收缩量，改变接头中焊接内应力的分布。应先焊接存在层状撕裂危险的区域，以使焊接接头自由收缩，避免高的内应力。

2）适当降低焊接热输入，可缩小焊接区的加热宽度，减小焊缝的收缩量。但过低的焊接热输入加速了焊接区的冷却，提高了焊缝金属和热影响区的强度，使焊缝收缩变形集中于厚度方向塑性较低的母材上，反而加剧了层状撕裂的危险，因此焊接热输入应适度调整。

3）按低匹配原则选用焊条，可使焊接应变集中于变形能力较好的焊缝金属，减小接头厚度方向的应力。

4）对于层状撕裂倾向较高的钢材，可在坡口面上堆焊一层低强度高塑性的熔敷金属，能有效地防止层状撕裂的形成。

5）焊前预热可降低接头的内应力峰值，并有利于提高焊缝金属和热影响区的塑性变形能力，减弱层状撕裂的倾向。