電弧焊焊接結(jié)構(gòu)失效根源的論述

張洪君　王純潔

摘要：本文論述了電弧焊接接頭易產(chǎn)生的缺陷和這些缺陷產(chǎn)生的原因，以及在焊接過程中如何控制這些缺陷的出現(xiàn)，保證電弧焊焊接結(jié)構(gòu)不失效。

關(guān)鍵詞：焊接 質(zhì)量 失效

1 概述

當(dāng)今世界，焊接結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，大約50％的鋼材通過焊接加工后才能投入使用，其中，相當(dāng)數(shù)量的焊接結(jié)構(gòu)，例如鍋爐、壓力容器、航天機(jī)械、起重機(jī)械、承載梁等等正在向高參數(shù)及大型化發(fā)展，要求它們能夠在復(fù)雜苛刻的條件工作。如果焊接接頭質(zhì)量不佳，使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這將造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故。因此，有些產(chǎn)品的質(zhì)量與焊接接頭的質(zhì)量密切相關(guān)，在某種程度上講，焊接接頭的質(zhì)量決定著產(chǎn)品質(zhì)量。本文對(duì)電弧焊焊接中能產(chǎn)生導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)失效的缺陷是如何形成加以論述，以及在工作中控制其出現(xiàn)，來保證電弧焊的焊接質(zhì)量。

2 電孤焊件的失效根源

2.1 氣孔 電弧焊中的氣孔可以分三種形式：?jiǎn)蝹€(gè)的、線性的和群集的氣孔。當(dāng)電弧能量大大地超過正常應(yīng)用水平，產(chǎn)生弧坑的“沸騰”現(xiàn)象而最終會(huì)形成單個(gè)氣孔；線性或群體氣孔則由保護(hù)氣體中的氧、氫或碳的氧化物與弧坑處焊縫金屬相互作用放出的氣體如硫化氫而形成。群集氣孔也可由保護(hù)氣體層不足或在潮濕的基本金屬上焊接而形成。另外如果在基本金屬上有銹，它是水分的來源。該水分或者在溶池附近蒸發(fā)成為水蒸氣，或者在電弧下分解出氫氣和氧氣，顯然這也是形成氣孔的原因。因此焊接前要對(duì)基本金屬除銹，或采用特殊焊條。例如具有良好還原性能的焊條，就可以保護(hù)焊縫不產(chǎn)生氣孔。埋弧自動(dòng)焊接時(shí)，如果焊劑層太薄，亦容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔。在等離子焊接時(shí)，為了防止焊縫中氣孔的產(chǎn)生，需采用陡降特外性電源，和滯后停氣等措施。

2.2 氧化 由不恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)或保護(hù)不佳而發(fā)生。例如鈦是活性金屬，在焊接過程中需從焊縫表面及根部同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，鎢極氬弧焊時(shí)對(duì)鎢極也要予以充分保護(hù)，以防止氧和氮的污染，進(jìn)而防止焊縫和熱影響區(qū)的脆化。在焊接鋼和鋁時(shí)，雖然可不對(duì)焊縫根部予以附加的保護(hù)，但是附加保護(hù)對(duì)改善焊縫質(zhì)量還是有作用的。

2.3 化合物 不良的保護(hù)材料可能在熔池中形成某些化合物，而這些化合物可降低焊縫的韌度。因此，在氣體保護(hù)焊時(shí)或采用純惰性氣體保護(hù)，亦可采用某些有一定比例關(guān)系的混合保護(hù)氣體。它們的優(yōu)點(diǎn)是可以避免焊縫韌度降低。

2.4 熱裂紋 或稱結(jié)晶裂紋。雖然接頭設(shè)計(jì)不佳或?qū)缚p的拘束可在焊縫中形成熱裂紋，但是通常熱裂紋的形成是由于有低熔點(diǎn)化合物成分的存在和它擴(kuò)大了熱強(qiáng)度和韌性均較低的脆性溫度范圍所致。在鋼種，在化合物為硫化物和磷化物。當(dāng)然，銅元素也起到這一作用。這些化合物和元素在晶界處偏析存在，在熱收縮應(yīng)力作用下造成晶間撕裂。一般通過對(duì)鋼中微量元素如硫、磷的控制和控制焊縫金屬溶池的形狀，可以減少和消除焊縫金屬的熱裂紋。研究表明，當(dāng)焊縫的深/寬比值較高時(shí)，易在溶池中心線上聚集低熔點(diǎn)相，導(dǎo)致發(fā)生裂紋。另一種形式熱裂是溶池（火口）裂紋，由于焊逢金屬結(jié)晶具有方向性特點(diǎn)，因此在火口區(qū)域的金屬材料在焊逢冷卻后比在其他部位含有更多的雜質(zhì)，因此極易開裂?？刂七@種形式熱裂紋的良好方法是采用低微元素，如硫、磷、銅含量低的焊接材料，以減少偏析傾向。如果這一點(diǎn)難以作到，另一個(gè)好方法是避免慢的冷卻速度。因?yàn)槁倮鋮s有助于有液化線和固化線溫度之間的偏析結(jié)晶。但在某些場(chǎng)合，降低運(yùn)條速度能夠改變焊縫金屬中的結(jié)晶方向，因此降低產(chǎn)生熱裂紋的可能性。

2.5 冷裂紋 或稱氫致裂紋，它是在焊縫金屬完全凝固之后形成的裂紋。在鋼中冷裂紋的形成與拉伸應(yīng)力（或拘束應(yīng)力）、卒硬組織和存在氫離子有關(guān)。拉伸應(yīng)力可由構(gòu)件中其他元件的拘束造成，也可由焊接中的熱應(yīng)力形成。微觀組織對(duì)冷裂紋的敏感性與其對(duì)氫的溶解度和氫的過飽和的可能性有關(guān)。奧氏體對(duì)氫具有高的溶解度，因而對(duì)冷裂紋最少敏感性；馬氏體的氫溶解度最低，對(duì)氫裂紋最敏感。從奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變時(shí)，如施以快速冷卻，可使氫得以在馬氏體內(nèi)以過飽和形式存在，這又促進(jìn)了冷裂紋的產(chǎn)生。由于過飽和狀態(tài)的氫向高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展需要時(shí)間，這意味著由氫引發(fā)冷裂紋也與時(shí)間有關(guān)。這也表明焊后產(chǎn)品檢查時(shí)沒有裂紋發(fā)生，但檢查以后則可能出現(xiàn)可以檢查出的裂紋。防止氫致裂紋方法是盡可能減少氫的來源，如水、油、潤(rùn)滑油、鐵銹等。焊前、焊后加熱，有助于氫的逸出和降低剩余拉伸應(yīng)力，因而對(duì)防止冷裂紋也是有效的措施。氫致裂紋可以在熱影響區(qū)或焊縫金屬中發(fā)生；它可以是橫向的，也可以是縱向的。預(yù)熱溫度和其他防止冷裂紋的措施將依賴于焊縫抑是熱影響區(qū)對(duì)氫裂紋傾向性較大。在常用的碳-錳中低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼種，熱影響區(qū)對(duì)氫致裂紋最為敏感，而焊縫問題較少；最近發(fā)展起來的低碳型鋼材具有良好的抗氫裂性能，此時(shí)焊縫就成為控制冷裂紋的注意點(diǎn)。焊縫金屬中的氫致裂紋同樣與氫含量、微觀組織和拉伸應(yīng)力存在有關(guān)。實(shí)際中的控制參量是材料強(qiáng)度級(jí)別、氫含量和拘束或拉伸應(yīng)力水平。在單道焊或多層焊的底層焊道中，根部間隙是橫向應(yīng)力的應(yīng)力集中處，因而易導(dǎo)致焊縫金屬中的縱向裂紋。根部焊道具有較高的由基本金屬造成的稀釋性，它可導(dǎo)致較硬的焊道，因而易在此處形成裂紋，這是管道結(jié)構(gòu)中開裂的主要形式。在有橫向缺口存在時(shí)，縱向應(yīng)力成為主要控制因素，此時(shí)易產(chǎn)生橫向裂紋。在大型的多層焊縫中，裂紋多為橫向裂紋，它可以垂直表面，也可與表面成一定例如45°角度。一般將其稱為八字裂紋，減少這類裂紋的方法同樣是控制氧含量，具體方法是短弧操作、烘干焊條焊劑、預(yù)熱等。

2.6 焊縫外形不良 焊瘤-引起的原因是熔池溫度過低，不易熔合；或溫度太高，使液態(tài)焊縫金屬溢出焊趾和焊根處之后才結(jié)晶凝固。咬邊-焊接電流過高或焊接速度太慢引起，余高太大由于電流太小或運(yùn)條速度太快所致?？梢姾缚p外形與電流大小有關(guān)，應(yīng)合理控制。此外，采用擺動(dòng)方法有助于獲得良好外形，但是需要注意采用良好的擺動(dòng)技術(shù)，否則會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬的韌性降低。應(yīng)當(dāng)指出采用自動(dòng)埋弧焊接工藝時(shí)，焊縫外形與焊劑層關(guān)系密切。如焊劑層太厚，將會(huì)造成不規(guī)則（ropey）焊接外形，焊劑層太窄時(shí)，將形成較窄的焊縫余高等。

2.7 脆性 焊前預(yù)熱和焊后加熱常被用來消除焊接剩余應(yīng)力和除氫，但是要謹(jǐn)慎地選擇和確定加熱程度。碳鋼和許多合金鋼，在加熱到一定極限溫度區(qū)間時(shí)，缺口韌性要下降。另外，在采用鎢極氬弧焊工藝時(shí)，在某些情況下，例如焊接電流過大或鎢極過尖，保護(hù)氣體的氧氣污染或鎢極與熔池接觸，此時(shí)電極的鎢粒子可能進(jìn)入焊縫金屬中，鎢粒子極脆，容易在應(yīng)力作用下斷裂，因而成為斷裂根源。

2.8 未焊透和未熔合 在電弧焊中不恰當(dāng)?shù)难b配工藝、接頭坡口設(shè)計(jì)不良和不佳的焊接工藝均會(huì)引起上述缺陷，這是一個(gè)急需注意的問題，因?yàn)樗龑?dǎo)致有效橫截面減少以外，在某些情況下還起到和尖銳裂紋相同的作用。在焊接某些合金時(shí)，未焊透和未熔合可能由于接頭上有氧化物層引起。另外氣體保護(hù)焊在短路過渡時(shí)，也極易產(chǎn)生未熔

合缺陷。

2.9 夾渣 焊接工藝不佳造成。另外在采用藥芯焊絲時(shí)，固體熔渣層有時(shí)依附在焊縫金屬，清理不夠時(shí)，也有產(chǎn)生夾渣缺陷的傾向。

2.10 隨意引弧和火焰挖眼、開孔 它對(duì)許多金屬是有害的，因而力求避免。尤其對(duì)有淬硬傾向的金屬隨意引弧的弧坑，灼傷表面和隨意火焰開孔均改變材料的熱物理性能，降低基本金屬力學(xué)性能，導(dǎo)致缺陷（特別是熱裂紋和氣孔）和造成產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力集中因素等，因而成為失效的根源。