金属材料焊接中的主要缺陷及预防措施

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　　摘要：本文对金属材料实际焊接工作中经常出现的缺陷种类及其形成原因进行了详细分析，并在此基础上提出了可行性的预治措施，为工程技术人员解决实际工作中的焊接质量问题提供了理论依据。 
　　关键词：金属材料；焊接；缺陷；预防措施 
　　中图分类号：TG4文献标识码： A
　　引言
　　金属材料焊接成型工艺对于焊接技术的要求非常严格，焊接的质量直接影响到成型后金属部件的使用性能，在焊接过程中，由于多种原因，往往在焊接接头产生焊接缺陷，而焊接缺陷对焊接构件的危害，主要有以下几方面，引起应力集中；缩短使用寿命；造成脆裂，严重的影响到金属材料的使用功能和使用寿命，从而危及安全，这是人们所不希望的。所以要严格控制焊缝缺陷的产生，保证金属材料的焊接质量。了解焊接缺陷的特征和它产生的原因，对采取相应的预防措施和处理方法，提高焊接质量是十分有益的。
　　1.金属材料焊接中的主要缺陷及产生原因
　　1.1气孔
　　焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔。气孔可能产生在焊缝表面或隐藏在焊缝内部深处（图一）。
　　图（一）
　　产生原因：由于焊接溶池在高温时含有过多的气体，在冷却时这些气体由于溶解度急剧下降，但又来不及逸出而造成的。
　　气孔对焊缝的性能有较大影响，它不仅使焊缝的有效工作截面减小，使焊缝机械性能下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成泄漏。条虫状气孔和针状气孔比圆形气孔危害性更大，在这种气孔的边缘有可能发生应力集中，致使焊缝的塑性降低。因此在重要的焊件中，对气孔应严格地控制。
　　1.2裂缝
　　焊接裂纹是最危险的焊接缺陷，严重地影响着焊接结构的使用性能和安全可靠性，许多焊接结构的破坏事故，都是焊接裂纹引起的。焊接裂纹，按照产生的机理可分为：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂裂纹几大类。
　　
　　
　　图（二）
　　1.2.1热裂纹
　　热裂纹是指金属在高温下（从凝固温度范围至A3以上）所产生的裂纹，又称高温裂纹。多发生在焊缝中，也有出现在热影响区的。
　　产生的原因 ：焊接时，熔池的冷却相当快，因此，焊缝金属如果在结晶时化学成分来不及均匀化，容易造成严重的晶内偏析和晶间偏析。偏析的结果是低熔点的共晶物质在结晶过程中以液态层间形式存在，最后凝固在晶界上。这种低熔点杂质在高温时强度很低，抵抗不了焊接过程中的拉伸应力，其液态层间被拉开而形成裂纹。
　　1.2.2 冷裂纹
　　冷裂纹指焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。冷裂纹与热裂纹的主要区别是：冷裂纹在较低的温度下形成，一般在200～300。C以下形成；冷裂纹不是在焊接过程中产生的，而是在焊后延续一定时间后才产生，如果钢的焊接接头冷却到室温后并在一定时间(几小时、几天，甚至十几天以后)才出现的冷裂纹就称为延迟裂纹。冷裂纹多在焊接热影响区内产生。
　　冷裂纹产生的原因：钢材的淬火倾向、残余应力、焊缝金属和热影响区的扩散氢含量。其中氢的作用是形成冷裂纹的重要因素。当焊缝和热影响区的含氢量较高时，焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散，当这些氢不能逸如时，就聚集在离熔合线不远的热影响区中；如果被焊材料的淬火倾向较大，焊后冷却下来，在热影响区可能形成马氏体组织，该种组织脆而硬；再加上焊后的焊接残余应力，在上述三个因素的共同作用下，导致了冷裂纹的产生。
　　1.2.3层状撕裂
　　 层状撕裂是冷裂纹的一种特殊形式。主要是由于钢板内存在着分层（沿轧制方向）的夹杂物 在焊接时产生的垂直于轧制方向（板厚方向）的拉伸应力作用下，在钢板中热影响区或稍远的地方，产生“台阶”式，与母材轧制表面平行的层状开裂。产生在T字型、K字型厚板的角焊接接头中。
　　1.2.4再热裂纹
　　再热裂纹是指一些含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢的焊接接头，再加热过程中发生在热影响区的粗晶区，沿原奥氏体晶界开裂的裂纹，也有称其为消除应力退火裂纹。 再热裂纹起源于焊缝热影响区的粗晶区，具有晶界断裂特征。裂纹大多数发生在应力集中的部位。
　　1.3未焊透
　　焊接时接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。未焊透常出现在单面焊的根部和双面焊的中部。未焊透不仅使焊接接头的机械性能降低，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后会引起裂纹。
　　
　　
　　图（三）
　　未焊透产生的原因：焊接电流太小；运条速度太快；焊条角度不当或电弧发生偏吹；坡口角度或对口间隙太小；焊件散热太快；氧化物和熔渣等阻碍了金属间充分的熔合等。凡是造成焊条金属和基本金属不能充分熔合的因素都会引起未焊透的产生。
　　1.4未熔合：
　　指焊道和母材之间或焊缝层之间存在局部未熔透的现象。
　　
　　图（四）
　　其产生原因是：焊接线能量太低；电弧发生偏吹；坡口侧壁有锈垢和污物；焊层间清渣不彻底。
　　1.5夹渣
　　夹渣是指焊接熔渣残留在焊缝金属中的现象，即在焊缝金属中含有非金属夹杂物。对焊缝强度和致密性影响较大。夹渣会降低焊接接头的塑性和韧性；夹渣的尖角处，造成应力集中；特别是对于淬火倾向较大的焊缝金属，容易在夹渣尖角处产生很大的内应力而形成焊接裂纹。
　　
　　图（五）
　　夹渣产生的原因：
　　焊件清理不干净、多层多道焊层间药皮清理不干净、焊接过程中药皮脱落在熔池中等；电弧过长、焊接角度部队、焊层过厚、焊接线能量小、焊速快等，导致熔池中熔化的杂质未浮出而熔池凝固。
　　２ 缺陷的防治及治理措施：２.１气孔产生的防治及治理措施
　　为防止气孔的产生，应从母材、焊接材料和焊接工艺等方面采取防治措施。
　　２.１.１在母材方面，应在焊前清除焊件坡口面及两侧的水分、锈、油污及防腐底漆；在焊接材料方面，焊条焊前烘干，对防止气孔的产生十分关键（表1）。一般说，酸性焊条抗气孔性好，要求酸性焊条药皮的含水量不得大于4％。对于低氢型碱性焊条，要求药皮的水分含量不得超过0.1％。气体保护焊时，保护气体的纯度必须符合要求。
　　２.１.２在焊接工艺方面，焊条电弧焊时，焊接电流不能过大否则，焊条发红，药皮提前分解，保护作用将会失去；焊接速度不能太快；对于碱性焊条，要采用短弧进行焊接，防止有害气体侵入；焊前预热可以减慢熔池的冷却速度，有利于气体的浮出；选择正确的焊接规范，在焊接时避免风吹雨打等均能防止气孔产生。
　　
　　 表1各类焊条的的烘干温度与时间
　　２.２焊接裂纹的防治措施及治理措施
　　２.２.１热裂纹防治及治理措施
　　由于热裂纹的产生与应力的因素有关，所以，防止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，易产生偏析的元素和有害杂质的含量；
　　b、调节焊缝金属的化学成分，改善组织、细化晶粒，提高塑性，改变有害杂质形态和分布，减少偏析；
　　c、提高焊条和焊剂的碱度，以减低焊缝中杂质的含量，改善偏析程度。
　　②焊缝工艺方面：
　　选择合理的坡口形式，焊缝成型系数ψ=b/h＞1，避免窄而深的“梨形”焊缝，防止柱状晶在焊道中心会合，产生中心偏析形成脆断面；采用多层多道焊，打乱偏析聚集；控制焊接规范。
　　针对每种产生裂纹的具体原因采取相应对策；对已经产生裂纹的焊接接头，制定处理措施，采取刨修等处理
　　２.２.２冷裂纹防治及治理措施
　　①正确地选材，选用碱性低氢型焊条和焊剂，减少焊缝金属中扩散氢的含量；搞好母材和焊材的选择匹配；
　　②焊接工艺方面，选择合理的焊接规范；采取降低焊接残余应力的工艺措施；焊前预热、焊后缓冷、控制层间温度和焊后热处理，是可焊性较差的高强度钢防止冷裂纹行之有效的方法；
　　２.２.３层状撕裂裂纹防治及治理措施
　　提高钢板质量，减少钢材中层状夹杂物，从结构设计和焊接工艺方面采取措施，减少板厚方向的焊接拉伸应力，可防止层状撕裂。厚板焊接前，进行板材的超声波和坡口渗透探伤，检查分层夹杂物情况，如有层状夹杂物存在，可设法避开或事先修、磨处理。
　　２.２.４再热裂纹防治及治理措施
　　①选材时应注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素，尤其是V的含量。
　　②热处理时避开再热敏感区，可减少再热裂纹产生的可能性。
　　③尽量减少残余应力和应力集中，提高预热温度，焊后缓冷，降低残余应力。
　　2.3未焊透防治及治理措施
　　正确选择坡口形式和装配间隙，并清除掉坡口两侧和焊层间的污物及熔渣；选用适当的焊接电流和焊接速度；运条时，应随时注意调整焊条的角度，特别是遇到磁偏吹和焊条偏心时，更要注意调整焊条角度，以使焊缝金属和母材金属得到充分熔合。
　　２.4未熔合防治及治理措施
　　正确选用坡口和适当加大焊接电流，提高焊接线能量；坡口清理干净，正确操作，防止焊偏等；焊接速度适当，不能过快；熟练操作技能，焊条（枪）角度正确；加强练习，提高操作技术，焊工责任心强；针对不同的母材、焊材，制定处理不同位置未熔合缺陷相应的措施并执行。
　　2.5 夹渣防治及治理措施
　　2.5.1认真将坡口及焊层间的熔渣清理干净。
　　2.5.2适当地增加焊接电流，避免熔化金属冷却过快，必要时把电弧缩短，并增加电弧停留时间，使熔化金属和熔渣分离良好。
　　2.5.3根据熔化情况，随时调整焊条角度和运条方法。
　　2.5.4正确选择母材和焊接材料；调整焊条药皮或焊剂的化学成分，降低熔渣的熔点和粘度，能有效地防止夹渣。
　　3结束语
　　在未来各项工程的建设中，如何提高焊接质量，避免常规缺陷的产生；如何制定预防措施，对焊接技术工作者是一项必须面对的课题。为了确保在焊接过程中焊接接头的质量符合设计或工艺要求，应在加强焊接前和焊接过程中对被焊金属材料的可焊性、焊接工艺、焊接规范、焊接设备和焊工的操作焊接过程中的质量监督检查工作，保证焊接程序和工艺参数要求。将以上措施做好，从源头上防止焊缝缺陷的产生，可以有效的提高焊接的质量。
　　参考文献
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