焊接冷裂纹是最常出现的焊接工艺缺陷，对结构安全有极大的危害性，是必须要避免的焊接工艺缺陷。焊接裂纹敏感性是评判钢的焊接性能优劣的重要项目，降低钢的焊接裂纹敏感性，生产并应用低焊接裂纹敏感性钢或称焊接无裂纹钢是冶金行业和焊接行业的共同追求。低焊接裂纹敏感性钢（国际上也称焊接无裂纹钢，简称CF钢，crack free的缩写）是二十世纪七十年代开始研制的一类具有优良焊接性的低合金高强度钢，当时以屈服强度490MPa级为开发对象且采用淬火回火（调质）工艺生产。这类钢由于其合金元素含量少、碳含量很低，Ceq及Pcm值相应降低，加之钢的纯净度大大提高，从而在根本上保证了钢材的优良韧性及可焊性，保证了钢材在焊接区域的薄弱地带——熔合区及热影响区具有优良的抗裂能力，保证在焊前不预热或低预热的条件下不出现裂纹。

    1、低焊接裂纹敏感性高强度钢板的产生

    由于焊接冷裂纹对高强度钢焊接结构的严重危害，近年来国际上对高强度钢焊接冷裂纹进行了大量研究。日本在焊接应力和氢致裂纹研究中取得较突出成果，欧、美在裂纹微观形态研究方面获得进展。冷裂纹是焊接生产中出现较普遍的一种裂纹。尤其是当焊接低、中合金的强度钢时，随着强度级别的提高，冷裂纹出现的倾向越来越大。焊接冷裂纹是相对钢结构热裂纹而言的，它是焊接接头冷至钢的马氏体转变温度（Ms）附近形成的，所以称为冷裂纹或低温裂纹（Cold cracking）。它是由拘束应力、淬硬组织和氢的作用下产生的裂纹。为防止冷裂纹产生，通常是焊前预热、焊后热处理，强度越大、预热温度也越高。这造成了焊接工艺的复杂性，特殊情况下的不可操作性，危及焊接结构的安全可靠性，对于大型钢结构尤甚。

    鉴于石化、高层建筑、桥梁、造船等行业对大型高强钢结构不预热、不焊后热处理焊接的强烈需求，冶金界开始了低焊接裂纹敏感性高强度钢板的研制。通常认为低焊接裂纹敏感性钢是指当板厚不大于50mm时，钢板在焊接前不需预热或稍加预热（预热温度不超过50℃）而不产生焊接冷裂纹的低合金高强度钢。20世纪60年代中期，日本重工业飞速发展，高强钢不断得到开发和应用,降低焊接裂纹敏感性成为一项重大课题。
CF钢是一种高强度低裂纹敏感性新钢种（也称焊接无裂纹钢）。在日本已普遍用于制造城市液化气的球罐，焊接这类钢时采用超低氢焊材后，在板厚50mm以下或在0℃ 都可以不预热。其优点在于焊前不预热或稍加预热而不产生裂纹，具有优良的焊接性能和低温韧性。主要是解决大型钢结构件的焊接施工问题。在大型结构件的焊接过程中，为防止产生焊接裂纹，往往需要采取焊前预热的措施，使钢结构工艺复杂，施工困难和劳动条件恶劣。另外，有些大型构件施工现场处于野外环境，即使采用焊前严格预热的办法也难以避免形成焊接冷裂纹。采用CF钢在一般冷却条件下，不预热或稍加预热焊接，不会形成焊接裂纹，从而提高了钢结构的安全可靠性。

    试验研究结果表明，碳当量与焊接热影响区的最高硬度存在着相应的关系，一般来说碳当量越高，热影响区的硬度值越高，出现焊接裂纹的可能性也越大。CF钢的设计原理就是降低碳和多元微量合金化。通过降碳，降低钢的淬硬倾向，提高钢的韧性。通过多元微量元素来保证钢的强度，通过降低钢中的杂质，提高钢的延性和韧性。

    由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有关,所以利用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。把钢中合金元素的含量按其作用换算成碳的相当含量，作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参数指标，即所谓碳当量法。碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向就越大，热影响区越易产生裂纹。当使用国际焊接学会推荐的公式时，对于板厚δ<20mm的钢材，若Ceq（IIW）<0.4%,则淬硬倾向不大,焊接性良好.焊前不需预热；若Ceq（IIW）=0.4%～0.6%，尤其是大于0.5%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊前需预热才能防止焊接裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。

    低合金高强钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷金属中扩散氢含量、接头的拘束应力等。日本伊滕等人采用Y形铁研试验对200多个钢种作了大量试验提出了由化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）所建立的冷裂纹敏感性指数等公式，并用冷裂纹敏感性指数去确定防止冷裂纹所需的焊前预热温度。表1列出了冷裂纹敏感性指数与确定相应预热温度的计算公式。

表 1  冷裂纹敏感性数据及焊接预热温度确定

冷裂纹敏感性公式 %	预热温度计算公式 ℃	应用条件
Pc=Pcm+[H]/60+δ/600	T0=1440Pc-392	斜Y形坡口试件，适于C≤0.17的低合金钢,[H]=1～5ml/100g, δ=19～50mm。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（%）
Pcm适用范围：C 0.07%～0.22%；Si 0～0.60%；Mn 0.40%～1.4%；Cu 0～0.50%；Ni 0～1.20%；Mo 0～0.70%；V 0～0.12%；Nb 0～0.04%；Ti  0～0.50%；B  0～0.005%。
其中：[H] —— 熔敷金属中扩散氢含量（日本JIS甘油法与中国GB/T3965-1995测氢法等效），ml/100g；
δ —— 被焊金属板厚，mm。

    Pcm为焊接裂纹敏感性指数，其可用于评判钢的预热温度与防止一定厚度钢板焊接冷裂纹产生的关系。当碳小于0.12%时，碳当量公式如Pcm很好地确定了可焊性，这在最近版本的API 5L管线规范中得到反映[9]。低的Pcm是保证焊接不预热或低预热的重要基础，降低Pcm的重要意义就在于此。
日本标准WES 3009-1998规定的低焊接裂纹敏感性钢板的成分见下表2 。

表 2  低焊接裂纹敏感性钢板的成分(wt%)

牌号	特性表 示符号	C	Si	Mn	P	S	Pcm
HW450	CF	≤0.09	≤0.40	≤1.60	≤0.030	≤0.025	≤0.20
HW490	CF

 

    日本新日铁、住友、川崎、神户等钢铁公司均开发有自己的低焊接裂纹敏感性钢板品种，并向我国大量出口，用于水电站、压力容器、工程机械等行业。

    2、非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢板的产生

    高强度低焊接裂纹敏感性钢出现时采用了淬火加回火（调质）工艺方法生产。在低（超低）碳贝氏体钢出现以前，国内外强度（抗拉）大于600MPa级高强度钢主要是回火马氏体钢，强度在600MPa以上的钢种都是选择贝氏体或马氏体作为基体组织。调质钢的马氏体强度水平主要受碳含量和回火温度控制。随着强度水平要求的提高，钢中合金含量需要上升，而为了保证得到低碳马氏体组织，钢中碳含量又难以下降，因此钢的碳含量较高。结果是这类钢经淬火回火后虽然可以获得较好的强度性能，但低温韧性和焊接性能却较差。合金含量高的高强度调质钢在焊接前常需要进行焊前预热与焊后处理，这给使用特别是大型构件的使用造成困难。若一味采用调质工艺，实际也就限制了低焊接裂纹敏感性钢的强度级别的提高。

    然而，出于对节约能源、减少环境污染、降低生产成本和工艺简化的追求，人们越来越强烈地意识到调质工艺存在的缺憾：由淬火处理而带来的能源消耗、水质污染和浪费、成本增加、工序繁杂，由于钢材淬火变形而导致必不可少的矫直甚至再加热矫直以及生产周期延长等，这促使人们探寻和研究新的能够代替调质的非调质工艺。从1975年第1届国际微合金会议至1995年的第2届会议，国际冶金届对钢的微合金化的理论价值取得了共识，对在传统的低合金高强度钢基础上研发微合金钢有了广泛的兴趣。自1975年微合金化国际讨论会后，钢的微合金化原理及控轧控冷（热机械处理）技术成为高性能钢合金设计和生产的依据，钢的合金成分、生产工艺、性能和应用规程新型材料开发不可分割的四大要素。钢的晶粒尺寸、沉淀相的尺寸和体积分量、再结晶程度以及γ/α相变前的组织结构是工艺路线的最终目标。

    微观组织特征(如位错、晶界和析出相)决定了钢的力学性能。在低合金钢中，它们是在冷却过程中的奥氏体相变中产生的，并取决于冷却速率和冷却终止温度。钢的微合金化原理及控轧控冷技术的研究开发为非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢板开发指明了方向，晶粒细化是同时提高材料的强度和韧性的有效方法之一。冶炼技术、微合金化技术及控轧控冷技术的发展，促生了一系列性能达到甚至超过调质钢的微合金非调质钢。低合金钢合金设计形成了新的观点，首先是钢的低碳化和超低碳趋势，例如60年代X60级管线钢碳含量为0.19%，70年代为0.10%，80年代即使X70和X80级管线钢碳含量也降至0.03%以下。

    降低碳含量作为提高HSLA钢韧性及焊接性的最佳经济有效手段已成为冶金材料工作者的共识,将低碳(Low Carbon,碳含量一般为0.03%—0.10%)乃至超低碳(Ultra-Low Carbon, 碳含量一般为<0.03%)作为当今HSLA钢成分设计首选项已毫无争议。这大大优化了钢的焊接性能。当钢中碳含量在0.10%以下时，钢的碳当量对冷裂纹敏感性影响不大，即时钢中加入合金较多、碳当量较高时，钢仍具有较佳的焊接性能。

    （超）低碳贝氏体钢是国际上最近20年来发展起来的一大类高强度、高韧性、良好焊接性能的新型钢种，是世界各国近年来努力开发的一类新型结构钢。它被国际上公认为21世纪的钢种。冶金生产技术的发展，Nb、Ti、V、B等微合金元素的研究与应用，特别是微量铌及Nb-B、Nb-Cu-B等元素的综合作用研究与应用在（超）低碳贝氏体钢的发展中起着技术关键作用。目前已成为与传统的铁素体-珠光体钢、马氏体淬火回火钢并列的一大新钢类。

    这类钢的合金设计改变了原有高强度低合金钢的设计思路，大幅度降低了钢中的碳含量（一般碳含量均小于0.05%），这样彻底消除了碳对贝氏体韧性的影响，得到极细的含有高位错密度的贝氏体基体组织。这时钢的强度不再依赖碳含量，而主要靠细化晶粒强化，位错及亚结构强化，Nb、Ti、V微合金强化以及ε-Cu沉淀硬化来保证，从而使钢的强韧化匹配极佳，尤其是具有优良的野外焊接性能和抗氢致开裂能力。世界上目前已基本形成Mn-Nb—B和Cu -Nb –B两大系列超低碳贝氏体钢，广泛用于石油管线、工程机械、采油平台、海洋设施、桥梁以及军用舰船上。

    （超）低碳贝氏体钢是对传统淬火+回火工艺钢的突破，构成了非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢板成功开发的重要前提，是重要的非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢类。

    非调质钢产量和品种的多样性是钢铁强国的标志，非调质钢的发展是微合金化技术和热机械处理及其冷却技术发展的结晶，冶金工作者在钢材的研制、生产和应用过程中，逐渐认识到非调质工艺有着无可替代的技术优势和市场前景,这构成了发展微合金非调质高强钢的动力。与调质钢相比，非调质钢节减了能耗、节省了热处理及相关工序的材料消耗，并减少了污染，已有“绿色钢材”之称[25]。当今TMCP、TPCP工艺的不断涌现，使人们省去传统淬火工序来生产屈服强度460MPa级别以上低合金高强度钢的梦想变成了现实，这一工艺技术经过不断发展和完善，代表着国际低合金高强度钢发展的最新成果和发展方向。

    3、我国非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢板的开发

    非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢板的技术基础是（超）低碳贝氏体钢。我国（超）低碳贝氏体钢尽管起步较晚，但发展很快。20世纪80年代末北京科技大学与宝钢合作开展了含铌超低碳贝氏体管线钢的研究,并在300吨转炉上进行了第一次试生产，90年代初北京科技大学与武钢开展了铌微合金化的DB590和DB685两个级别（超）低碳贝氏体工程机械用钢的研究与开发，其中DB590已全面投产，DB685已达到年产几千吨规模，应用于工程机械和采矿设备等方面。1995年以来武钢又进行了600MPa—700MPa级Cu-Nb-B系超低碳贝氏体钢的研究，特别是1998年国家973项目启动，为实现新一代超细化低成本节能型钢种的开发，发展了新型的TMCP+RPC工艺控制技术。在含铌超细组织的（超）低碳贝氏体钢中，在实验性中试及大量生产轧制条件下实现了屈服强度达800MPa级中厚板的试制。TMCP+RPC工艺控制技术的开发，为我国开创了具有独立知识产权的中温转变组织超细化技术。目前采用RPC技术开发了新一代高强韧、低成本、节能环保型超细组织钢，使强度500—800MPa级超细贝氏体钢实现了批量生产。

    舞阳钢铁有限责任公司自2000年开始超低碳贝氏体钢的研究开发，已经开发成功屈服强度级别为490MPa、590MPa、690MPa的三种系列钢种，生产量超过5万吨，主要用于水电站压力钢管、工程机械，最大厚度已达到80mm，其中水电站压力钢管用高强度钢打破了长期依赖进口的局面，实现了国产化，在“西电东送”等重大工程中发挥了重要作用。目前，鞍钢、攀钢、梅钢等也开发成功了超低碳贝氏体钢，鞍钢厚板厂采用控轧控冷方法生产了厚度达50mm的屈服强度在500MPa—690MPa级别的钢板，采用控轧控冷方法+回火的方法生产了厚度达50mm的屈服强度在690MPa以上级别的钢板，从而取代了原来采用再加热淬火+回火方法生产的同等强度级别的焊接高强度钢板种。利用不同工艺参数的组合，可实现高强度钢种的柔性化设计。

    宝钢宽厚板产品也将瞄准这一领域，利用自己的装备优势开发具有国际先进水平的、适合于水电站建设的、在高湿度环境中具有良好焊接性的高强韧性厚板。这些都是典型的非调质低焊接裂纹敏感性高强度钢。

    4、低焊接裂纹敏感性高强度钢板标准的技术要求

    为完善冶金产品标准体系，推动技术进步和科技成果产业化，根据国家发展和改革委员会发改办工业[2004]872号文----“国家发展改革委办公厅关于下达2004年行业标准项目计划的通知”的要求，由舞阳钢铁有限责任公司和冶金信息标准研究院共同起草制定低焊接裂纹敏感性高强度钢板行业标准本标准的产品主要用于制造电站压力水管、工程机械、桥梁、高层及大跨度建筑等要求焊接性特别优良的高强度钢结构件，具有广泛的应用领域。本标准完善了强度级别系列，突出了利用非调质技术生产低焊接裂纹敏感性高强度钢板这一先进工艺路线。本标准反映了对技术进步的引导，反映了我国低合金高强度钢的最新研究成果和发展方向，符合节约型社会发展方向。本标准现已批准发布，标准号为YB/T4137—2005，实施日期为2005年12月1日。本标准有以下主要技术特点：

    （1）适用范围

    本标准适用于制作水电站压力钢管、工程机械、铁路车辆、桥梁、高层及大跨度建筑等对焊接性要求高的厚度6mm～100 mm的高强度钢板。

    （2）牌号及强度级别

    牌号依据屈服强度级别来规定。屈服强度分六个等级，即460 MPa、500MPa、550MPa、620 MPa、690MPa、800MPa。

    钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母(Q)、屈服点数值、代表焊接无裂纹的英文字母CF(creak free的缩写)及质量等级符号(C、D、E)组成。如Q500CFC。
质量等级符号C、D、E分别代表0℃、-20℃、-40℃夏比V型缺口冲击韧性要求。

    （3）交货状态

    钢板的交货状态反映了低合金高强度钢在生产工艺技术方面的重大进步。本标准中的钢板提倡以非调质工艺生产，钢板采用微合金化结合控轧控冷工艺，实现细晶强化、沉淀强化、组织强化、位错及亚结构强化；辅助回火（时效）处理时，可进一步产生沉淀强化，提高强度，改善力学性能。对于厚度大于50mm—100mm及其它厚度规格的钢板，根据性能需要和生产能力，也可采用淬火加回火工艺生产，淬火包括在线直接淬火。钢板的交货状态根据生产厂的能力由供需双方协商，并在合同中注明。

    5 结束语

    我国的低焊接裂纹敏感性高强度钢板的生产开发已取得丰硕成果，已经实现大量顶替进口，为国民经济和民族工业发展作出了积极贡献，为冶金行业产品结构调整作出了积极贡献，钢板的应用领域也在不断扩大，市场前景广阔。我们深信，随着我国低焊接裂纹敏感性高强度钢板标准的发布实施，低焊接裂纹敏感性高强度钢板一定会得到更大更好的发展。