焊接培訓(xùn)過程中焊接缺陷分析

曲 趵

山東電力高等?？茖W(xué)校 山東 泰安 271000

0 前言

焊接培訓(xùn)的過程是一個不斷克服缺陷的過程，能正確的識別焊接缺陷，知道它們的危害性、以及產(chǎn)生的原因和預(yù)防的措施，對提高學(xué)員的焊接水平有很大的幫助。從我們焊工培訓(xùn)考試過程看，焊接缺陷除了焊縫形狀尺寸缺陷外，主要有裂紋、未熔合和未焊透、氣孔、夾渣等。這些缺陷的存在，嚴(yán)重地影響產(chǎn)品質(zhì)量，對設(shè)備的安全運行存在很大的隱患。

1 裂紋

在焊接缺陷中，影響最大的是焊縫及熱影響區(qū)中的裂紋缺陷。所以，任何規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)都不允許有裂紋存在。裂紋的定義：在焊接接頭的局部，因焊接應(yīng)力和其它致脆因素的作用，金屬原子間結(jié)合力遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙叫做焊接裂紋。裂紋的種類按不同的分類方法可分為很多種，在此按裂紋產(chǎn)生的原因來分可分為：熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋。

裂紋的危害：降低了焊接接頭強度、減少承載面積，端部有尖銳的缺口能引起應(yīng)力集中，受力時使裂紋擴展。

1.1 冷裂紋

焊接接頭冷卻到較低溫度時產(chǎn)生的焊接裂紋叫冷裂紋。對鋼而言：在Ms溫度或200～400℃以下。

1.1.1 冷裂紋產(chǎn)生的原因

在焊縫及熱影響區(qū)的淬硬組織、焊接接頭中氫氣和焊接應(yīng)力的共同作用下導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。即產(chǎn)生冷裂紋的三要素（淬硬組織、氫、應(yīng)力）。

（a）淬硬組織：材料的淬透性大，焊接過程中冷卻速度過快，在焊縫和熱影響區(qū)將產(chǎn)生馬氏體組織，從而導(dǎo)致脆性增加，塑性下降，體積膨脹，當(dāng)受到焊接拉應(yīng)力作用時易開裂。

（b）氫（H）：在焊接高溫作用下，氫以原子狀態(tài)進入焊接熔池，隨著溫度的不斷降低，氫在金屬中的溶解度急劇下降，在金屬發(fā)生相變時溶解度發(fā)生突變。焊接時冷卻速度很快，氫來不及逸出而殘留在焊縫中，過飽和的氫向熱影響區(qū)擴散并造成很大的壓力，使局部金屬產(chǎn)生很大的應(yīng)力而形成冷裂。由于氫在不同材料中的擴散速度不同而導(dǎo)致產(chǎn)生的遲早不同即延遲裂紋。

（c）焊接應(yīng)力的作用：焊接接頭在焊接過程中產(chǎn)生很大的拘束應(yīng)力，當(dāng)焊接應(yīng)力為拉應(yīng)力，與氫的析集和淬火脆化同時發(fā)生時極易產(chǎn)生裂紋。

注：在不同的情況下三個因素必有一個是主要的即能產(chǎn)生冷裂。

1.1.2 冷裂紋的特征及種類

（a）延遲裂紋：在淬硬組織，氫和拘束應(yīng)力的共同作用下而產(chǎn)生的具有延遲特征的裂紋。溫度區(qū)間：在Ms點以下。位置：在熱影響區(qū)，少數(shù)在焊縫中。走向：沿晶或穿晶。材料：中、高碳鋼，低、中合金鋼，鈦合金等材料中易出現(xiàn)。

（b）淬硬脆化裂紋：主要是淬硬組織在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋。溫度區(qū)間：在Ms點附近。位置：在熱影響區(qū)，少數(shù)在焊縫中。走向：沿晶或穿晶。材料：含碳的Ni、Cr、Mo鋼，馬氏體不銹鋼，工具鋼等材料中易出現(xiàn)。

（c）低塑性脆化裂紋：由于被焊材料的收縮應(yīng)變，超過了材料本身的塑性儲備而產(chǎn)生的裂紋。溫度：在400℃以下。位置：在熱影響區(qū)和焊縫中。走向：穿晶或沿晶。材料：鑄鐵、堆焊硬質(zhì)合金等材料中易出現(xiàn)。

（d）層狀撕裂：在鋼板內(nèi)部存在分層或夾雜物在焊接應(yīng)力作用下而產(chǎn)生的層狀開裂。溫度：在400℃以下。位置：在熱影響區(qū)及熱影響區(qū)附近。走向：穿晶或沿晶。材料：含有雜質(zhì)或分層的低合金高強度鋼中易出現(xiàn)。

（e）焊根和焊趾裂紋：是應(yīng)力因素所致。

1.1.3 預(yù)防措施

（a）采用低氫型焊條，焊條按規(guī)定烘干，隨用隨取，采用保溫筒。焊件認(rèn)真清理，去除油、銹、水，減少氫的來源。

（b）選用合理的焊接規(guī)范及線能量。如：焊前預(yù)熱，焊后緩冷，控制層間溫度等措施。

（c）需要焊后熱處理的材料應(yīng)及時進行焊后熱處理，改善接頭的組織和性能，采取去氫處理，減少焊接殘余應(yīng)力。

（d）采用合理的焊接順序和焊接方向，改善焊件的應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 熱裂紋

焊接過程中焊縫和熔合區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)所產(chǎn)生的裂紋叫熱裂紋。

1.2.1 熱裂紋產(chǎn)生的原因

焊接時熔池的冷卻速度很快，易造成偏析（偏析：金屬中雜質(zhì)不均勻的現(xiàn)象，雜質(zhì)集中，雜質(zhì)的熔點比金屬低，在結(jié)晶過程中液態(tài)層間存在）。偏析出的物質(zhì)多為低熔點共晶物，焊縫金屬凝固時，低熔點共晶物尚未凝固，在晶界間形成“液態(tài)間層”，削弱了晶粒間的結(jié)合力。當(dāng)熔池冷卻結(jié)晶時，受到拉應(yīng)力作用，柱狀晶體間空隙增大，低熔點共晶物又不能填充空隙，就產(chǎn)生了裂紋。

1.2.2 熱裂紋的特征

熱裂紋又稱為結(jié)晶裂紋，產(chǎn)生在結(jié)晶時的冷卻過程中。溫度區(qū)：焊縫金屬由結(jié)晶開始到723℃以前。位置：在焊縫中，少數(shù)在熱影響區(qū)。材料：雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼、奧氏體鋼、鎳基合金鋼、鋁材中易出現(xiàn)熱裂紋。

1.2.3 熱裂紋的防止措施

熱裂紋的產(chǎn)生與低熔點共晶物的分布和金屬冷卻過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力有關(guān)，預(yù)防措施應(yīng)從這兩方面考慮。

（a）減少有害雜質(zhì)的含量：碳、硫、磷。

（b）改善金屬組織，細(xì)化晶粒。

（c）選堿性焊條，加強脫磷、脫硫能力。

（d）控制焊縫形狀，避免偏析物聚集在焊縫中間。

（e）焊前預(yù)熱，緩慢冷卻，降低應(yīng)力。

（f）焊接收弧處填滿熔池，避免收弧裂紋。

（g）選擇合理的焊接順序和焊接方向，減少焊接應(yīng)力。提高焊縫收縮時的自由度。

1.3 再熱裂紋

焊后，焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或焊接接頭反復(fù)加熱等）產(chǎn)生的裂紋，叫再熱裂紋。

1.3.1 再熱裂紋產(chǎn)生的原因

焊接區(qū)存在較大的焊接殘余應(yīng)力，并有程度不同的應(yīng)力集中現(xiàn)象。再次加熱時，由第一次熱過程形成的過飽和固熔碳化物（主要是鉻、鉬、釩等碳化物元素）再次析出，造成晶內(nèi)強化使滑移應(yīng)變集中于原奧氏體晶界，當(dāng)晶界的塑性應(yīng)變能力不足以承受松弛應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變時，就產(chǎn)生再熱裂紋。另外，焊后熱處理規(guī)范選擇不當(dāng)，易使鋼脆化的元素集結(jié)在晶界上，削弱了晶界的結(jié)合力，也容易產(chǎn)生再熱裂紋。

1.3.2 產(chǎn)生的部位和特征

大都發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，沿著熔合線的粗晶區(qū)擴展。裂紋并不是連續(xù)的而是斷續(xù)的，具有晶間斷裂的特征。

1.3.3 防止措施

（a）減少熱影響區(qū)的過熱傾向，細(xì)化奧氏體晶粒尺寸。

（b）選用合適的焊接材料，提高金屬在焊后熱處理時的塑性，以便能承擔(dān)松弛應(yīng)變的能力。

（c）提高預(yù)熱溫度，焊后緩冷方法，而且焊縫外形圓滑過渡，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（d）采用正確的熱處理規(guī)范和工藝，盡量不在熱敏感區(qū)停留過長。

2 未熔合和未焊透

在焊接培訓(xùn)考核過程中，這兩種缺陷發(fā)生的幾率較高。而學(xué)員經(jīng)常對未熔合和未焊透概念分不清。

未熔合是熔焊金屬與熔焊金屬之間；熔焊金屬與母材之間未完全熔化結(jié)合的部分稱未熔合。按位置可分為根部未熔合、坡口未熔合、層間未熔合。

未焊透是母材與母材之間未被熔化結(jié)合的部分稱未焊透?？砂l(fā)生在單面焊雙面成型的坡口根部；雙面焊的坡口中間鈍邊部分。

這兩種缺陷都有相當(dāng)大的危害。在某種條件下，未熔合的危害更大些，它屬于面積型缺陷，在焊縫的任何部位都可能存在，缺陷面的邊緣應(yīng)力非常集中，極易產(chǎn)生裂紋。所以在高溫高壓的焊縫中不允許存在未熔合。未焊透一般是體積型缺陷，它的應(yīng)力集中點主要集中在缺陷的端部，承載后可產(chǎn)生裂紋。

這兩種缺陷的共同危害是：減少承載面積，降低接頭強度，誘發(fā)裂紋的發(fā)生。

未熔合、未焊透產(chǎn)生的主要原因和防止措施基本相同。我們就產(chǎn)生缺陷的主要原因分述如下：

（a）焊接規(guī)范選擇不當(dāng)，如坡口角度過小，間隙過窄，鈍邊過大，焊接電流小，電弧太長。

（b）操作方法不當(dāng)，運條速度過快，焊條施焊角度不當(dāng)，電弧偏吹，焊條擺幅不正確。

（c）被焊工件的坡口有銹蝕、油物，焊道之間清理不凈，影響熔合。

防止發(fā)生未熔合、未焊透的主要措施：

（a）正確選擇對口規(guī)范，注意坡口兩側(cè)及焊層間熔渣和污物的清理。

（b）按照工藝指導(dǎo)書正確選擇焊接參數(shù)，防止電弧磁偏吹。

（c）施焊時的運條速度不應(yīng)過快，注意焊條角度的調(diào)整，焊條擺動軌跡正常均勻，兩端應(yīng)有停留時間，使焊縫熔合良好。

3 氣孔

氣孔是焊接培訓(xùn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。我們把焊接時熔池中的氣泡在凝固時未能及時逸出而殘留下來形成的空穴稱為氣孔。它是一種體積型缺陷。氣孔的種類按分布狀態(tài)分主要有單個氣孔、連續(xù)氣孔和密集氣孔。氣孔的危害是：減少了焊縫的承載截面積，降低了焊縫的強度，而針狀氣孔往往會破壞被焊金屬的致密性，產(chǎn)生泄露現(xiàn)象。

氣孔產(chǎn)生的原因主要有：

（a）焊材未按規(guī)定溫度烘干。

（b）焊條藥皮變質(zhì)脫落，焊芯銹蝕。焊絲清理不干凈。

（c）手工焊時，電流過小，電弧過長，焊接速度過快；埋弧焊時，電壓過高或網(wǎng)路電壓波動太大；氣體保護焊時，保護氣體純度不夠。

（d）坡口清理不干凈。

（e）熔池溫度過高，產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，氣體不能從熔池中排出。

防止的措施：

（a）焊件表面應(yīng)清理干凈，焊條應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)烘干，減少氣體來源。

（b）采用短弧焊接（但不宜壓得太低），使熔池得到良好的保護。

（c）選擇合適的焊接規(guī)范，控制好熔池溫度，減低冷卻速度，使氣體易于從熔池中逸出。

（d）正確地運用焊接操作工藝，為氣體從熔池中逸出創(chuàng)造有利條件。

（e）采用一定的工藝措施，如焊前預(yù)熱，焊后緩冷等；氬弧焊時，注意氬氣保護效果。

4 夾渣

夾渣是指焊縫金屬中，含有的非金屬夾雜物或熔渣。它的形狀是不規(guī)則的，有條狀、塊狀、點狀。夾渣的危害是：減少了焊縫的有效面積，降低了焊縫的強度；夾渣物由于形狀不規(guī)則，棱角處易引起應(yīng)力集中；夾渣和金屬的熱膨脹系數(shù)不同，在受熱時易引起脆斷。

夾渣產(chǎn)生的原因有：

（a）坡口角度過小，坡口不干凈，焊接線能量小。

（b）運條不當(dāng)，熔池不能充分?jǐn)嚢瑁墼鼪]有充分的時間浮出熔池表面，而殘留在焊縫中。

（c）多層多道焊時，層與道之間清理不徹底。

（d）焊條藥皮和焊劑化學(xué)成分不合理，熔點過高，冶金反應(yīng)不完全，脫渣性不好。

（f）鎢極惰性氣體保護焊時，電源極性不當(dāng)，電流密度過大，鎢極熔化脫落于熔池中,形成夾鎢。

防止的措施：

（a）正確運用焊接規(guī)范適當(dāng)增加線能量，防止焊縫冷卻過快，改善熔渣浮出熔池的條件。

（b）改進坡口設(shè)計，利于清除坡口及焊層間的熔渣。

（c）正確有規(guī)則的運條，攪拌熔池，促使鐵水與熔渣的分離。

5 總結(jié)

只有正確掌握焊接缺陷的有關(guān)知識，才能在焊接過程中有所警惕。在施焊前嚴(yán)格檢查各項準(zhǔn)備工作；焊接過程中對容易產(chǎn)生缺陷的因素加以制約；焊接完成后能對自己的施焊過程有一個大致的評價，做到心中有數(shù)，即使出現(xiàn)缺陷，也能找到缺陷產(chǎn)生的原因，制定出相應(yīng)的預(yù)防措施。所有這些都有利于學(xué)員焊接水平的不斷提高。