焊接接头中常见工艺缺陷产生的原因及防止方法.doc

焊接接头中常见工艺缺点产生原因及预防方法

　　一、 裂纹
焊接裂纹, 根据产生机理可分为: 冷裂纹、 热裂纹、 再热裂纹和层状撕裂裂纹几大类。
　　（一） 冷裂纹
　　冷裂纹是在焊接过程中或焊后, 在较低温度下, 大约在钢马氏体转变温度（即Ms点）周围, 或300~200℃以下（或T＜0.5Tm, Tm为以绝对温度表示熔点温度）温度区间产生, 故称冷裂纹。
　　冷裂纹又可分为: 延迟裂纹、 淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。延迟裂纹, 也称氢致裂纹, 能够延至焊后几小时、 几天、 几周甚至更长时间再发生, 会造成预料不到重大事故, 所以含有重大危险性。
　1、 产生条件:
　　①焊接接头形成淬硬组织。因为钢淬硬倾向较大, 冷却过程中产生大量脆、 硬, 而且体积很大马氏体, 形成很大内应力。接头硬化倾向: 碳影响是关键, 含碳和铬量越多、 板越厚、 截面积越大、 热输入量越小, 硬化越严重。
　　②钢材及焊缝中含扩散氢较多, 氢原子在缺点处（空穴、 错位）聚积（浓集）形成氢分子, 氢分子体积较氢原子大, 不能继续扩散, 不停聚积, 产生巨大氢分子压力, 甚至会达成几万个大气压, 使焊接接头开裂。很多情况下, 氢是诱发冷裂纹最活跃原因。
　　③焊接拉应力及拘束应力较大（或应力集中）超出接头强度极限时产生开裂。
　　２、 产生原因: 可分为选材和焊接工艺两个方面。
　　①选材方面:
　　ａ、 母材与焊材选择匹配不妥, 造成悬殊强度差异;
　　ｂ、 材料中含碳、 铬、 钼、 钒、 硼等元素过高, 钢淬硬敏感性增加。
　　②焊接工艺方面:
　　ａ、 焊条没有充足烘干, 药皮中存在着水分（游离水和结晶水）; 焊材及母材坡口上有油、 锈、 水、 漆等; 环境湿度过大(＞90%); 有雨、 雪污染坡口。以上水分及有机物, 在焊接电弧作用下分解产生H, 使焊缝中溶入过饱和氢。
　　ｂ、 环境温度太低; 焊接速度太快; 焊接线能量太少。会使接头区域冷却过快, 造成很大内应力。
　　ｃ、 焊接结构不妥, 产生很大拘束应力。
　　ｄ、 点焊处已产生裂纹, 焊接时没有铲除掉; 咬边等应力集中处引发焊趾裂纹; 未焊透等应力集中处引发焊根裂纹; 夹渣等应力集中处引发焊缝中裂纹。
　　3、 预防方法:
　　能够从选材和焊接工艺两个方面着手。
　　①正确地选材。
　　选择碱性低氢型焊条和焊剂, 降低焊缝金属中扩散氢含量; 搞好母材和焊材选择匹配; 在技术条件许可前提下, 可选择韧性好材料（如低一个强度等级焊材）, 或施行“软”盖面, 以减小表面残余应力; 必需时, 在制造前对母材和焊材进行化学分析、 机械性能及可焊性、 裂纹敏感性试验。
　　②焊接工艺方面。
　　a、 严格地根据试验得出正确工艺规范进行焊接操作。关键包含: 严格地按规范进行焊条烘干; 选择适宜焊接规范及线能量, 合理电流、 电压、 焊接速度、 层间温度及正确焊接次序; 对点焊进行检验处理; 搞好双面焊清根等; 仔细清理坡口和焊丝, 除去油、 锈和水分。
　　b、 选择合理焊接结构, 避免拘束应力过大; 正确坡口形式和焊接次序; 降低焊接残余应力峰值。
　　c、 焊前预热、 焊后缓冷、 控制层间温度和焊后热处理, 是可焊性较差高强度钢和不可避免高拘束结构形式, 预防冷裂纹行之有效方法。预热和缓冷可减缓冷却速度（延长△t 800~500℃停留时间）, 改善接头组织状态, 降低淬硬倾向, 降低组织应力; 焊后热处理可消除焊接残余应力, 降低焊缝中扩散氢含量。在多数情况下, 消除应力热处理应在焊后立刻进行。
　　d、 焊后立刻锤击, 使残余应力分散, 避免造成高应力区, 是局部补焊时预防冷裂纹行之有效方法之一。
　　e、 在焊缝根部和应力比较集中焊缝表面, （热影响区受到拘束应力较低）, 采取强度等级较低焊条, 往往在高拘束度下取得良好效果。
　　f、 采取惰性气体保护焊, 能最大地控制焊缝含氢量, 降低冷裂纹敏感性, 所以, 应大力推广TIG、 MIG焊接。
　　（二）层状撕裂
　　层状撕裂是冷裂纹一个特殊形式。关键是因为钢板内存在着分层（沿轧制方向）夹杂物（尤其是硫化物）, 在焊接时产生垂直于轧制方向（板厚方向）拉伸应力作用下, 在钢板中热影响区或稍远地方, 产生“台阶”式, 与母材轧制表面平行层状开裂。产生在T字型、 K字型厚板角焊接接头中。
　　提升钢板质量, 降低钢材中层状夹杂物, 从结构设计和焊接工艺方面采取方法, 降低板厚方向焊接拉伸应力, 可预防层状撕裂。厚板焊接前, 进行板材超声波和坡口渗透探伤, 检验分层夹杂物情况, 如有层状夹杂物存在, 可设法避开或事先修、 磨处理。
　　（三）热裂纹
　　热裂纹是在高温下产生, 从凝固温度范围至A3以上温度, 所以称热裂纹, 又称高温裂纹。
　　假如材料中存在着较多低熔点共晶杂质元素（P、 S、 C等）和较多晶格缺点, 在焊接熔池结晶过程中, 就轻易出现晶界偏析, 偏析出现物质多为低熔点共晶（如: FeS—Fe、 Fe3P—Fe、 NiS—Ni、 Ni3P—Ni）和杂质, 它们在结晶过程中, 以液态间层存在, 形成抗变形能力很低液态薄膜, 对应液态相存在时间增加, 最终结晶凝固, 而凝固后强度也极低, 当焊接拉应力足够大时, 会将液态间层拉开, 或在其凝固后很快被拉断形成裂纹。
　　另外, 假如母材晶界上也存在着低熔点共晶和杂质时, 则在加热温度超出其熔点热影响区内, 这些低熔点共晶物将熔化成液态间层, 当焊接拉应力足够大时, 也会被拉开而形成热影响区液化裂纹。
　　热裂纹都是沿奥氏体晶界开裂, 呈锯齿状, 所以, 又称晶间裂纹。多出现在焊缝中间, 尤其是弧坑处, 多数在焊缝柱状晶会合处, 即焊缝凝固最终位置, 也是最轻易引发低熔点共晶偏析位置; 少数出现在热影响区。焊缝中纵向裂纹通常发生在焊道中心, 与焊缝长度方向平行; 横向裂纹通常沿柱状晶界发生, 并与母材晶界相连, 与焊缝长度方向垂直。当裂纹贯穿表面与空气相通时, 断口表面呈氧化色彩（如蓝灰色等）, 有焊缝表面宏观裂纹中充满熔渣。
　　1、 产生原因
　　①选材方面: 材料中含硫过多产生“热脆”; 含铜过高产生“铜脆”; 含磷过高产生“冷脆”。
　　②焊接工艺方面: 镍基不锈钢, 焊接次序不妥或层间温度过高、 热输入量过大、 冷却速度太慢; 坡口形式不妥（焊缝形状系数ψ=b/h≤1窄深焊缝）, 单层单道焊时易产生焊缝中心偏析裂纹; 弧坑保护不好, 因为偏析作用, 易产生弧坑热裂纹; 数次返修会产生晶格缺点聚集, 形成多边化热裂纹。
　　2、 预防方法
　　因为热裂纹产生与应力原因相关, 所以, 预防方法也要从选材和焊接工艺两个方面着手。
　　①选材方面:
　　a、 限制钢材和焊材中, 易产生偏析元素和有害杂质含量, 尤其是S、 P、 C含量, 因为它们不仅形成低熔点共晶, 而且还促进偏析。C≤0.10%热裂纹敏感性可大大降低。必需时对材料进行化学分析、 低倍检验（如硫印等）。
　　b、 调整焊缝金属化学成份, 改善组织、 细化晶粒, 提升塑性, 改变有害杂质形态和分布, 降低偏析, 如采取奥氏体加小于6%铁素体双相组织。
　　c、 提升焊条和焊剂碱度, 以减低焊缝中杂质含量, 改善偏析程度。
　　②焊缝工艺方面:
　　a、 选择合理坡口形式, 焊缝成型系数ψ=b/h＞1, 避免窄而深“梨形”焊缝, （焊接电流过大也会形成“梨形”焊缝）, 预防柱状晶在焊道中心会合, 产生中心偏析形成脆断面; 采取多层多道焊, 打乱偏析聚集。
　　b、 控制焊接规范:
　　<i>采取较小（合适）焊接线能量, 对于奥氏体（镍基）不锈钢应尽可能采取小焊接线能量（不预热、 不摆动或少摆动、 快速焊、 小电流）、 严格掌握层间温度, 以缩短焊缝金属在高温区停留时间;
　　<ii>注意收弧时保护, 收弧要慢并填满弧坑, 预防弧坑偏析产生热裂纹;
　　<iii>尽可能避免数次返修, 预防晶格缺点聚集产生多边化热裂纹;
　　<iv>采取方法尽可能降低接头应力, 避免应力集中, 并降低焊缝周围刚度, 妥善安排焊接次序, 尽可能使大多数焊缝在较小刚度下焊接, 使其有收缩余地。
　　（四）再热裂纹
　　再热裂纹是指部分含有钒、 铬、 钼、 硼等合金元素低合金高强度钢、 耐热钢焊接接头, 再加热过程中（如消除应力退火、 多层多道焊及高温工作等）, 发生在热影响区粗晶区, 沿原奥氏体晶界开裂裂纹, 也有称其为消除应力退火裂纹（SR裂纹）。
　　600℃周围有一敏感区, 超出650℃敏感性减弱。
　　再热裂纹起源于焊缝热影响区粗晶区, 含有晶界断裂特征。裂纹大多数发生在应力集中部位。
　　预防方法:
　　①选材时应注意能引发沉淀析出碳化物形成元素, 尤其是V含量。必需采取高V钢材时, 焊接及热处理时要尤其加以注意。
　　②热处理时避开再热敏感区, 可降低再热裂纹产生可能性, 必需时热处理前做热处理工艺试验。
　　③尽可能降低残余应力和应力集中, 降低余高、 消除咬边、 未焊透等缺点, 必需时将余高和焊趾打磨圆滑; 提升预热温度, 焊后缓冷, 降低残余应力。
　　④合适线能量, 预防热影响区过热, 晶粒粗大。
　　⑤在满足设计要求前提下, 选择低一个强度等级焊条, 让其释放一部分由热处理过程消除应力, （让应力在焊缝中松弛）, 对降低再热裂纹有好处。
　　二、 未熔合
　　未熔合是指熔焊时, 焊道与母材之间、 焊道与焊道之间、 点焊时焊点与母材之间, 未完全熔化结合部分。
　　1、 产生原因: 产生未熔合根本原因是焊接热量不够, 被焊件没有充足熔化造成。关键原因有:
　　①电流太小; ②焊速太快; ③电弧偏吹; ④操作歪斜; ⑤起焊时温度太低; ⑥焊丝太细; ⑦极性接反, 焊条熔化太快, 母材没有充足熔化; ⑧坡口及先焊焊缝表面上有锈、 熔渣及污物。
　　这些原因都造成焊材早熔化, 而被焊母材温度低, 没有熔化, 熔化焊材金属沾附到焊件上。
　　2、 预防方法:
　　①选择合适电流（稍大）、 焊速（稍慢）, 正确极性, 注意母材熔化情况;
　　②清除洁净坡口及前道焊缝上熔渣及赃物;
　　③起焊时要使接头充足预热, 建立好第一个熔池;
　　④克服电弧偏吹。注意焊条角度, 照料坡口两侧熔化情况;
　　三、 未焊透
　　未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透现象。
　　另, 焊缝金属与母材之间, 未被电弧熔化而留下空隙。常发生在单面焊根部和双面焊中间。
　　（ISO—母材金属之间没有熔化, 熔敷金属没有进入接头根部缺点。）
　　1、 产生原因:
　　①坡口及装配方面: 间隙过小; 钝边太厚; 坡口角度太小; 坡口歪斜; 有内倒角坡口角度太大; 错口严重;
　　②工艺规范方面: 电流过小; 焊速过大; 电弧偏吹; 起焊处温度低; 极性接反;
　　③操作方面: 焊条太粗; 操作歪斜; 双面焊时清根不根本; 坡口根部有锈、 油、 污垢, 阻碍基础金属很好地熔化。
　　2、 预防方法:
　　①控制好坡口尺寸: 间隙、 钝边、 角度及错口等;
　　②控制电流、 极性和焊速; 使接头充足预热, 建立好第一个熔池;
　　③控制焊条直径和焊接角度; 克服电弧偏吹;
　　④双面焊清根一定要根本;
　　⑤坡口及钝边上油、 锈、 渣、 垢一定要清理洁净。
　　四、 气孔
　　气孔是指焊接时, 熔池中气泡在凝固时未能逸出, 而残留下来形成空穴。
　　依据气孔产生部位不一样, 可分为内部气孔和外部气孔; 依据分布情况可分为单个气孔、 涟状气孔和密集气孔; 依据气孔产生原因和条件不一样, 其形状有球形、 椭圆形、 旋涡状和毛虫状等。
　　1、 产生原因:
　　形成气孔气体关键起源于:
　　a、 大气: 空气湿度太大, 超出90%, 水分分解, 氢气、 氧气侵入; 收弧太快, 保护不好, 空气中N2气侵入; 电弧太长, 空气中N2气侵入;
　　b、 溶解于母材、 焊丝和焊条钢芯中气体, 药皮和焊剂中水和气体: <i>焊条烘干温度太低、 保温时间太短; <ii>焊条过期失效; <iii>氩气纯度不够, 保护不良; <iv>焊条烘干温度过高, 使药皮成份变质, 失去保护作用; 电流过大, 药皮发红失效, 失去保护作用, 空气中N2气侵入; <v>焊芯锈蚀、 焊丝清理不净、 焊剂混入污物。
　　c、 焊材、 母材上油、 锈、 水、 漆等污物, 分解产生气体;
　　d、 操作原因引发气孔: <i>运条速度太快, 气泡来不及逸出; <ii>焊丝填加不均匀, 空气侵入; <iii>埋弧焊时, 电弧电压过高, 网路电压波动过大, 空气侵入。
　　2、 预防方法:
　　①严格控制焊条烘干温度和保温时间;
　　②不使用过期失效焊材; 使用符合标准要求保护气体（氩气等）;
　　③根本清理坡口及焊丝上油、 锈、 水、 漆等污物;
　　④电弧长度要合适, 预防N2气侵入, 碱性焊条尤其要采取短弧;
　　⑤搞好接头和收弧。<i>充足预热接头, 建立好第一个熔池, 使上一个收弧处气体消除掉; <ii>收弧要慢, 填满弧坑, 采取“回焊法”等, 使气、 渣充足保护好熔池, 预防N2气侵入; <iii>多层多道焊各层各道接头要错开, 预防气孔密集（上下重合）;
　　⑥合适增加热输入量, 降低焊接速度, 以利气泡逸出。
　　五、 夹渣
　　夹渣是指焊后残留在焊缝中非金属夹杂物。关键是因为操作原因, 熔池中熔渣来不及浮出, 而存在于焊缝之中。
　　1、 产生原因:
　　①坡口角度太小, 运条、 清渣困难;
　　②运条太快, 熔渣来不及浮出;
　　③焊接电流太小, 熔深太小;
　　④运条时坡口两侧停留时间短, 而在焊缝中心过分太慢, 使得焊缝中心堆高, 坡口两侧形成死角, 夹渣清理不出来; 焊缝成型粗劣;
　　⑤前一层熔渣清理不洁净; 接头处理不根本; 坡口处有锈、 垢、 泥沙等;
　　⑥焊条涂料中含碳成份过高。
　　2、 预防方法:
　　①根本清理坡口油污、 泥沙、 锈斑; 根本清理前焊道熔渣;
　　②合适调整（加大）焊接电流; 控制焊接速度, 造成熔渣浮出条件;
　　③正确掌握操作方法, 使焊缝表面光滑, 焊缝中心不堆高;
　　④选择优质焊条。
　　六、 夹钨
　　手工钨极氩弧焊过程中, 因为一些原因, 使钨极强烈发烧, 端部熔化、 蒸发, 使钨过渡到焊缝中, 并残留在焊缝内形成夹钨。
　　1、 产生原因:
　　①当焊缝电流过大, 超出极限电流值, 或钨极直径太小时, 使钨极强烈地发烧、 端部熔化;
　　②氩气保护不良, 引发钨极烧损;
　　③炽热钨极触及熔池或焊丝, 而产生飞溅等, 均会引发焊缝夹钨。
　　2、 预防方法:
　　①依据工件厚度, 选择对应钨极直径和焊接电流;
　　②使用符合标准要求纯度氩气;
　　③施焊时采取高频振荡器引弧, 在不防碍操作情况下, 尽可能采取短弧, 以增强氩气保护效果;
　　④操作要仔细, 不使钨极触及熔池和焊丝;
　　⑤常常修磨钨极端部。