鋼結構加工中焊接質(zhì)量缺陷的防止方法

1、鋼結構加工中焊接質(zhì)量缺陷的防止方法焊接是較復雜的工藝過程，影響質(zhì)m的因素很多，在焊接的過 程中不可避免會出現(xiàn)這樣和那樣的質(zhì)量缺陷。焊接質(zhì)量缺陷會影響 鋼結構工件的結構要求，導致應力集中，降低鋼結構承載能力，縮 短其使用壽命，甚至造成脆斷，所以鋼結構生產(chǎn)技術規(guī)程中對焊接 缺陷做出了嚴格限制，對于超標缺陷必須進行徹底去除和焊補。熔 化焊接缺陷冇焊縫內(nèi)部缺陷、氣孔、夾渣、裂紋等。焊縫形狀缺陷 主要有焊縫尺寸不符合要求、咬邊、未焊透、未熔合、燒穿、焊 瘤、弧坑、電弧擦傷、飛濺等，焊縫形狀缺陷的產(chǎn)生是由于工藝因 紊造成的，通過采取適當?shù)暮附右?guī)范及工藝都可以避免。氣孔、夾 渣、裂紋的產(chǎn)生除與工藝因素有關外

2、，還與焊接冶金過程有重要 關系。(1)氣孔氣孔是指焊縫表面或內(nèi)部形成的連續(xù)的或不連續(xù)的孔洞。氣孔 的形成是由于熔池金屬中的氣體在金屬結晶凝固前未能及時逸出， 從而以氣泡的形式殘留在凝固的焊縫金屬內(nèi)部或出現(xiàn)在焊縫表面。氣孔的存在不僅減少了焊縫金屬的有效工作截面，顯著地降低 金屬的強度和塑性，而且還可能造成應力集中，引起裂紋，嚴重地 影響到動載強度和疲勞強度。此外，彌散小氣孔雖然對強度影響不 顯著，但會引起金屬組織疏松，導致塑性、氣密性和耐腐蝕性 降低。氣孔的種類分布和形成焊縫氣孔可按不同的特征分為不 同的類型。按分布位置及特征，有表面氣孔，也有焊縫內(nèi)部氣孔， 有時以單個分布，有時成堆密集；按形成

3、氣孔的氣體來源不同可分 為析出型和反應型氣孔?？傊?，氣孔類型繁多。研究表明，氣孔的 形成是多種氣體（包括c()、h2和n2)共同作用的結果，但通常 其中一種氣體是氣孔內(nèi)氣體的主要成分。由于產(chǎn)生氣孔的氣體不同，因而氣孔的形態(tài)和特征也有所 不同。a.氫氣孔對于低碳鋼和低合金鋼的焊接來講，在大多數(shù)情 況下，氫氣孔出現(xiàn)在焊縫的表面上，氣孔的端面形狀如同螺釘狀， 在焊縫的表面上呈喇叭口形，而氣孔的四周有光滑的內(nèi)壁。但這類氣孔有時也會出現(xiàn)在焊縫的內(nèi)部。如焊條藥皮中含有較 多的結晶水，使焊縫中的含氫量過高，因而在凝固時來不及上浮而 殘存在焊縫內(nèi)部。氫氣孔是在結晶過程中形成的，但氫又具有較大的擴散能力， 極力

4、掙脫現(xiàn)成表面，上浮逸出，兩者綜合作用的結果，最后形成了 具有喇叭口形的表面氣孔。b.氮氣孔其機理一般認為與氫氣孔相似，氣孔的類型也多 在焊縫表面，但多數(shù)情況下是成堆出現(xiàn)，與蜂窩相似。在焊接生產(chǎn) 中由氮引起氣孔較少。氮的來源，主要是由于保護不好，有較多的 空氣侵人熔池所致。c.co氣孔這類氣孔主要是在焊接時，由于冶金反應產(chǎn)生了 大量的co，在結晶過程中來不及逸出而殘留在焊縫內(nèi)部形成氣 孔。氣孔沿結晶方向分布，有些像條蟲狀，臥在焊縫內(nèi)部。因為各種結構鋼總是含有一定的碳元素，焊接時，由于冶金反 應而產(chǎn)生了大量的co，此時產(chǎn)生的co就不易逸出，很容易被圍 困在晶粒之間。此外，某些情況下還有可能形成水蒸

5、氣氣孔。各種氣體形成的氣孔都有各自的形狀分布和特點，但無論哪一 種氣孔都是在熔池內(nèi)形成的氣體，在一定條件下發(fā)生聚集而形成氣 泡，氣泡長大到一定程度便會上浮，如果氣泡受到熔池內(nèi)部結晶的 阻礙，就可能在焊縫內(nèi)部形成氣孔。影響氣孔形成的因素焊縫中生成氣孔的因素是多方面的， 有時是幾種因素共同作用的結果，但冶金因素和工藝因素起主導 作用。a.冶金因素的影響冶金因素主要指與焊接化學冶金過程有 關的因素，如熔渣的化學性質(zhì)、焊條藥皮或焊劑的成分、保護氣體 的種類、鐵銹和水分等。焊接時，熔渣的氧化性強弱，對生成氣孔的傾向有明顯的影 響。試驗證明，熔渣的氧化性增強，co氣孔的傾向就增強，而氫 氣孔的傾向減??；熔

6、渣的還原性增強則相反。焊條藥皮和焊劑的組成都比較復雜，所以對生成氣孔的影響也 比較復雜?，F(xiàn)僅介紹焊接低碳鋼和低合金鋼時的影響。caf2可以 去氫，所以用堿性焊條或加caf2的焊劑焊接低碳鋼，可以有效地 防止氫氣孔。焊接區(qū)內(nèi)的鐵銹、氧化皮、水分、油污等對生成氫氣孔的影響 是很大的。b.工藝因素的影響工藝因素是指與焊接有關的因素，如焊 接工藝參數(shù)、電流種類和操作技能等。為了減小焊縫中的氣孔，應 適當增加熔池的存在時間“增加t可通過增大電弧功率或降低焊 接速度來實現(xiàn)。實踐證明，提高電弧電壓會使熔池保護性能變差， 氮氣孔傾向增加。提高焊接速度，會使結晶速度增加，氣孔傾向也 增加。定位焊是固定結構尺寸和

7、減小結構變形的焊縫。由于焊縫尺寸 短、氣體保護性差、母材溫度低、冷卻速度快，所以定位焊縫處出 現(xiàn)氣孔傾向大。為此，定位焊應按正式焊縫來要求。氣孔控制措施氣孔是焊縫中常見一種缺陷，產(chǎn)生的因素 是多方面的，它的存在會使焊縫截面減小、強度降低，還會使腐蝕 加劇，導致結構過早失效。因此，對氣孔要給予足夠的重視，根據(jù) 生產(chǎn)條件采取相應措施。從形成氣孔的原因和條件分析，防止焊縫 氣孔的措施如下。a.控制氣體的來源焊前嚴格清理母材及焊材表面的油污、 鐵銹，對焊接材料進行烘干（一般堿性焊條的烘干溫度為350 450c，酸性焊條的為200c左右），正確選擇焊接材料、加強對焊 接區(qū)的保護。對焊條電弧焊，關鍵是保證

8、引弧時的電弧穩(wěn)定性和藥 皮的完好；氣體保護焊時，要保證足夠的氣體流量、氣體純度。b.排除熔池中已溶人的氣體采用適當?shù)暮附庸に噮?shù)，優(yōu) 化焊接工藝，如對低氫型焊條，應盡量采用短弧焊，并適當配合擺動，有利氣體的逸出。(2)熱裂紋焊接熱裂紋即在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相 線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的裂紋。不同的金屬材料焊接熱裂紋的形態(tài)、 產(chǎn)生機理以及產(chǎn)生的溫度區(qū)間各不相同，為此，熱裂紋又可分為結 晶裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋。結晶裂紋的形成和控制結晶裂紋又稱凝固裂紋，是焊接 裂紋中常見的一種，產(chǎn)生于焊縫凝固過程中，一般沿著焊縫樹枝狀 晶的交界處發(fā)生和發(fā)展，大多數(shù)呈縱向分布在焊縫中心，裂紋與焊

9、波呈垂直分布。a.結晶裂紋的形成機理無論是縱向裂紋還是弧形裂紋，最 常見的情況是沿焊縫中心長度方向開裂。結晶裂紋的這種分布說明 了焊縫的結晶過程中晶界是個薄弱地帶。在焊縫金屬結晶后期，熔 點較高的純金屬已凝固成晶粒，殘留的低熔點共晶被排擠到晶粒的 交界處，存在于晶粒之間形成了液態(tài)薄膜，隔開了晶粒之間的聯(lián) 系，山于先凝固的焊縫金屈收縮，使焊縫中心部位受到一定的拉伸 應力，焊縫中心部位液態(tài)薄膜在拉伸應力的作用下形成結晶裂紋。b.影響結晶裂紋的因素影響結晶裂紋的因素很多，但從本 質(zhì)上來看，主要可歸納為兩個方面，即冶金因素和工藝因素。冶金因素結晶裂紋形成的冶金因素主要是合金狀態(tài)的類型 和結晶溫度區(qū)間對

10、結晶裂紋的影響，研究表明，結晶裂紋傾向的大 小隨合金狀態(tài)結晶溫度區(qū)間增大而增加。隨合金元素的增加，結晶 溫度區(qū)和脆性溫度區(qū)也增大，因此結晶裂紋的傾向也是增加的。當 合金元素進一步增加時，結晶區(qū)和脆性溫度區(qū)反而減小，所以裂紋 傾向也隨之降低。此外，初生相的晶粒大小、形態(tài)和方向也都會影響結晶裂紋產(chǎn) 生的傾向。當對金屬進行變質(zhì)處理后，不僅打亂了柱狀晶的方向 性，而且晶粒細化后晶界明顯增多，減少了雜質(zhì)的集中程度，有效 地降低了結晶裂紋的傾向。改善焊縫凝固結晶、細化晶粒是提高抗 裂性的重要途徑。合金元素對結晶裂紋的影響十分復雜，是影響裂紋最本質(zhì)的因 素。硫、磷幾乎在各類鋼中都會增高結晶裂紋的傾向，即使是

11、微量 存在，也會使結晶溫度區(qū)間大為增加。碳在鋼中是影響結晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素（如 s、p等）的有害作用，所以用碳當量來評價鋼種焊接性的難易。錳具有脫硫作用，能置換fes為mns，同時也能改善硫化物 的分布形態(tài)，使薄膜狀fes改變?yōu)榍驙罘植迹瑥亩岣吡撕缚p的 抗裂性。工藝因素主要是合理選擇焊接材料和控制焊接參數(shù)。熔合比的影響：對于一些易于向焊縫轉(zhuǎn)移某些有害雜質(zhì)的母 材，焊接時，必須盡量減小熔合比，或者開大坡口，或者減小熔 深，焊接中碳鋼、高碳鋼以及異種金屬時，限制熔合比具有極重要 的意義。冷卻速度的影響：一般來說，接頭冷卻速度越大，變形速率越 大，越易于促進產(chǎn)生熱裂紋。如冬季在室外

12、進行不預熱焊接時，就 難以防止產(chǎn)生熱裂紋。拘束度的影響：為防止接頭產(chǎn)生熱裂紋。從結構設計時就應考 慮接頭的剛度或拘束度，如盡可能減小板厚和合理布置焊縫。因為 這些焊縫所承受的壓力正好作用在焊縫的結晶面上，故易于引起 裂紋。還應注意控制合理的焊接順序，施焊順序不合理時，最后幾條 焊縫可能處于被拘束狀態(tài)，不能自由伸縮，從而增大應變量，易促 使裂紋產(chǎn)生。在一般情況下，盡可能采用對稱施焊，以利分散應 力，減少裂紋傾向。液化裂紋液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋， 尺寸很小，一般都在0.5mm以下。a.液化裂紋的形成機理一般認為，由于焊接時在高溫下使 近縫區(qū)或焊縫層間金屬的奧氏體晶界上的低熔點共晶被

13、重新熔化， 在拉伸應力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。另外，在 不平衡的加熱和冷卻條件下，由于金屬間化合物分解和元素的擴散，造成局部地區(qū)共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，同樣也會產(chǎn) 生液化裂紋。山此可知，液化裂紋也是由冶金因素和力學因素共同 作用的結果。.b.影響液化裂紋的因素液化裂紋的形成機理與結晶裂紋基 本一致，因此影響因素也大致相同，即冶金因素和工藝因素共同作 用的結果?；瘜W成分的影響液化裂紋主要出現(xiàn)在合金元素較多的高強 鋼、不銹鋼和耐熱合金鋼的焊接件中，化學成分c、s、p的影響 與對結晶裂紋的影響基本一致。ni是高強鋼和不銹耐熱鋼以及耐熱合金中的主要合金元素， 但ni也是液化裂紋

14、敏感的元素。一方面ni是強烈的奧氏體形成元 素，可顯著降低有害元素（s、p)的溶解度。另一方面，ni易與 許多元素形成低熔點共晶，故易于產(chǎn)生液化裂紋。工藝因素的影響工藝因素中焊接線能量對液化裂紋有很大 影響，線能w：越大，由于輸人的熱暈多，晶界低熔相的熔化就越嚴 重，晶界處于液態(tài)的時間就越長，液化裂紋的傾向也就越大。因 此，線能暈增加，不僅促使晶界液化，而且也增加了焊縫的應力， 使液化裂紋傾向增大。c.防止液化裂紋的措施選擇合適化學成分的鋼材母材對含鎳量高的鋼應選用精煉 的方法，提高鋼材的純度，降低雜質(zhì)的含量?？刂坪缚p的凹度焊縫凹度是產(chǎn)生液化裂紋的重要因素，控 制凹度，是凹度dlmm即可減小液

15、化裂紋傾向。采用小的焊接線能量焊接熱影響區(qū)的粗晶粒區(qū)是產(chǎn)生液化 裂紋的主要部位，降低線能量可減小過熱，進而減小裂紋傾向。(3)冷裂紋冷裂紋是由于材料在常溫下脆化而形成的裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的 脆性溫度區(qū)間往往高于其工作溫度范圍，而冷裂紋往往是在其工作 溫度區(qū)間產(chǎn)生的，故一旦產(chǎn)生后在工作應力的作用下，冷裂紋有可 能迅速擴展，造成災難性事故。冷裂紋的分布特征冷裂紋的分布特征主要有以下幾種典 型情況。a.焊道下裂紋其特征是在距熔合線0.10.2mm的近縫區(qū) 中形成微小的裂紋。這種裂紋經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向大、含氫量較高 的焊接熱影響區(qū)，裂紋走向大體與熔合線平行，但也有垂直于熔合 線的。b.焊恥和焊根裂紋這種

16、裂紋起源于母材與焊縫交界，且有 明顯應力集中的缺口部位，一是焊縫的焊趾，二是焊縫根部，組織 均為粗大的馬氏體，裂紋經(jīng)常與焊縫方向一致。前者稱為焊趾裂 紋，后者稱為焊根裂紋。c.生成溫度冷裂紋生成溫度上限通常在50100c,其下限 則為一75c左右，超出此溫度范圍就不易形成。發(fā)生時間：有些裂 紋焊后不立即出現(xiàn)，而是有一段時間的潛伏期（孕育期），即經(jīng)過 一段時間之后才出現(xiàn)。焊道下裂紋最為典型，這種有潛伏期的冷裂 紋因延遲開裂，故可稱延遲裂紋。冷裂的臨界應力：最典型的延遲 裂紋的形成及擴展與所受應力之間有一定關系，當應力高于上臨界 應力時，立即斷裂，無延遲現(xiàn)象，但此時的強度低于無氫試樣的缺 口拉伸強

17、度，低于下臨界應力時，不發(fā)生斷裂。冷裂紋形成機理焊接冷裂紋的形成與接頭中的含氫量、 被焊鋼材的淬硬傾向以及接頭所處的拘朿應力狀態(tài)具有密切的聯(lián) 系，這三者可稱為形成裂紋的三大要素。a.氫的作用氫在金屬中有兩種形式，一是可以運動的擴散 氫；二是不可運動的殘留氫。擴散氫在冷裂紋的形成中起著重要的 作用。它決定了裂紋形成過程中的延遲特點及其斷口上的氫脆開裂 特征。焊接時，氫要極力逸出，但由于冷卻速度很快，使一部分氫 來不及逸出，因此冷卻下來后會有大量的氫以過飽和形式存在于焊 縫金屬中。這一部分有活動能力的過飽和氫成為擴散氫。擴散氫對 冷裂紋的形成和擴展起著重要的作用。b.組織硬化作用通常焊接熱影響區(qū)的

18、近縫區(qū)淬硬程度越大 或脆硬馬氏體數(shù)量越多，越易形成冷裂紋。合金化程度越高的鋼，就越易淬硬，所以，微合金化高強鋼已廣泛應用于焊接結構的 制造。c.應力的作用應力（內(nèi)應力和外拘束應力）是產(chǎn)生裂紋的 又一個重要因素。所以目前主要用表征不同外拘束條件的宏觀拘束 應力來作為評價影響冷裂紋的力學條件。這種外拘朿條件可用拘束 度來表征，當焊接時產(chǎn)生的拘束度不斷增大，直接形成裂紋時的應 力稱為臨界拘束應力。根據(jù)以上分析可知，氫、組織硬化和應力三者對冷裂紋的影響 是非常復雜的，它們的影響不是孤立的，相互之間有著密切的關 系。含氫量越高，組織氫脆敏感性越大，應力越大，則產(chǎn)生冷裂紋 的傾向越大。冷裂紋的防止冷裂紋的

19、影響因素很多，也很復雜，因此 防止冷裂紋總的原則就是控制影響冷裂紋的三大因素，即盡可能降 低拘束應力、消除一切氫的來源，并改善組織。以下就是從冶金和 工藝兩個方面闡述冷裂紋的防止。a.冶金方面選擇抗裂性好的鋼材。采用先進的冶煉技術可大大提高鋼材 的質(zhì)最，降低鋼中雜質(zhì)含量。近年開發(fā)的低碳微合金化鋼具有良好 的抗裂性能，如國產(chǎn)cf鋼和q420鋼等，采用相應的低氫焊條焊 接，即使焊前不預熱，焊后不進行熱處理，也不會產(chǎn)生冷裂紋。焊接材料的選用如下。選用低氫或超低氫焊條：從焊條本身看，選用低氫或超低氫焊 條是防止冷裂紋的有效措施之一。但必須注意，低氫焊條應嚴格限 制藥皮含水量，焊條的烘干十分重要。選用低

20、強焊條：為防止接頭產(chǎn)生冷裂紋，一般高強鋼均不允許 焊縫中有馬氏體相變發(fā)生，因此，選用低強焊條（使焊縫強度低于 母材強度）焊接易于達到這一要求。選用奧氏體焊條：采用奧氏體焊條的優(yōu)點是可避免采取預熱措 施，而又能防止冷裂紋的產(chǎn)生。此外，采用奧氏體焊條時，必須盡 可能限制焊接電流，以減少熔合比，防止冷裂紋的產(chǎn)生。選用低氫的焊接方法：co2氣體保護焊由于保護氣體具有一 定的氧化性，故可以獲得低氫焊縫，可以顯著改善抗冷裂的能力。b.焊接工藝方面控制預熱溫度、線能量以及采用多焊道工 藝，以防止奧氏體晶粒粗化，均有利氫的逸出和減輕硬化，從而可 以顯著降低接頭冷裂紋傾向。各種防止冷裂紋的措施固然重要，但實際生

21、產(chǎn)中有一些工藝細 節(jié)可能對冷裂紋的產(chǎn)生有相當大的影響，而這些細節(jié)又常常易被忽 視。其中特別要強調(diào)的是設計上和施工過程中造成的應力集中，這 常是冷裂紋形成和發(fā)展為破壞事故的重要原因之一。(4)其他焊接缺陷及防止金屬熔化焊焊接缺陷一般分為裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未 焊透、形狀缺陷和其他缺陷幾類。其中裂紋屬于嚴重缺陷；其他缺 陷屬于一般缺陷，但裂紋以外的其他缺陷表現(xiàn)到一定程度時也可轉(zhuǎn) 化成嚴重缺陷。嚴重缺陷危及產(chǎn)品質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)應采取措施處 理。無論是一般缺陷還是嚴重缺陷都應積極進行防止。夾渣夾渣是焊接后焊縫內(nèi)有殘留的固體夾雜物。夾渣是 由于焊接規(guī)范不當，如焊接電流過小、焊速過快，使焊縫金屬冷卻

22、太快，夾渣物來不及浮出；運條不正確，使熔化金屬和熔渣混淆不 清；工件焊前清理不好，多層焊的前一層熔渣未清理干凈等原因而 產(chǎn)生。夾渣減弱焊縫強度，在內(nèi)應力作用下，易形成冷裂紋。防止措施：a.焊前應對焊件認真清理；b.多層焊時應對前一層熔渣清除干凈；c.正確選用焊接規(guī)范，焊接電流不應過小，焊接速度不宜 過快；d.運條方法要正確，操作時要注意觀察熔渣的流動方向，以 防止夾渣形成。咬邊咬邊是在焊接中母材被熔化后未能填充金屬形成焊 縫或母材“缺肉”現(xiàn)象。咬邊的產(chǎn)生，是由于工件被熔化下去一定 深度，而填充金屬又未能及時流過去補充所致。因而在電流過大，電弧拉得太長以及焊條角度不當時均會形成咬邊。平對接焊一般

23、不 易出現(xiàn)，而平角焊、立焊、橫焊和仰焊時，則容易產(chǎn)生咬邊。咬邊分間斷和連續(xù)咬邊兩種。咬邊減弱焊縫強度并極易發(fā)生冷 熱裂紋。.防止措施：a.電流和焊速要適當；b.焊條角度和運條方法應正確，電弧不要太長。未熔合未熔合是在焊接金屬與母材之間或各層焊道金屬 之間未完成熔化結合的部分。未熔合是由于母材坡口或先焊的焊縫 金厲表面有鐵銹、熔渣或臟物未清除干凈，焊接時又未能將其熔化 而蓋上熔化金屬；電流過小或焊速太快，由于熱量不足，致使母材 坡口或先焊的焊縫金屬未得到充分熔化；焊件散熱速度太快，或起 焊處溫度低，使母材的開始端未熔化，從而產(chǎn)生未熔合；操作不當 或磁偏吹，使電弧熱偏于一方，電弧作用較弱處覆蓋上熔化金屬也 易產(chǎn)生未熔合。未熔合實際上就是焊接接頭中的裂紋，危害極大。防止措施：a.焊前應對坡口表面仔細清理，清除鐵銹、油污等臟物；b.正確選擇焊接規(guī)范，焊接電流不應過小、焊速不應太快， 但焊接電流也不宜過大，否則焊條過度發(fā)紅而造成熔化太快，在母 材邊緣還沒有達到熔化溫度時，焊條的熔化金屬已覆蓋上去而造成 未熔合；c.對于散熱速度太快的焊件，可采取焊前預熱或焊接的同時 用火焰加熱；d.操作要正確或避免產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象，使電弧不要偏于一方， 保證各處