金属结构制安焊接缺陷及防止措施

胡 庆

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072)

1 焊接缺陷

金属结构制安的焊接质量是质量控制的核心,焊接质量与焊工的技能、选用的技术参数及焊接工艺有关,而受作业环境、气候等影响,在焊接过程中经常会产生一些缺陷。

由于受人、机、料、法、环等因素的影响,焊缝内外会产生不符合标准要求的缺陷。外观缺陷(表面缺陷)是指不借助于仪器或借助焊缝检验尺、放大镜等,从工件表面可以发现的缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形、表面气孔、表面裂纹和单面焊的根部未焊透等。内部缺陷是指:使用仪器进行无损检测(不损坏被检查材料或成品的性能和完整性而检测其缺陷的方法)所检测到的缺陷。无损检测主要有:X射线探伤(RT)、超声波探伤 (UT)、磁粉探伤(MT)、渗透探伤 (PT)等。

缺陷种类:

(1)气孔:是在焊接过程中,熔池金属中的气体在金属冷却以前未能来得及逸出,而在焊缝金属中(内部或表面)所形成的孔穴。焊缝金属产生的气孔可分为内部气孔、表面气孔和接头气孔。

(2)裂纹:在焊接应力及其他致脆因素共同作用下,在焊缝金属及热影响区(内部或表面)所形成的缝隙被称为裂纹。裂纹焊缝中的原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生缝隙。裂纹有二种:一是热裂纹,即焊后高温时立即产生的裂纹。二是冷裂纹,即焊后在金属冷却至室温时产生的裂纹;而在焊后几小时或几天后产生的裂纹被称为延迟裂纹。

(3)咬边:由于焊接参数选择不正确(如焊接电流偏大)或者操作方法不正确,沿着焊趾(熔合线上)的母材部位产生的沟槽或凹陷,是电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充所留下的缺口。咬边会造成局部应力集中。

(4)未焊透:焊接时,接头根部未完全熔透的现象。

(5)未熔:熔焊时,焊道与母材之间或焊道与焊道之间,未能完全熔化结合的部分。

(6)飞溅:熔焊过程中,熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象。

(7)焊瘤:在焊接过程中,熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属瘤。

(8)夹渣:焊渣残留焊缝中,会形成条渣或点渣。

(9)弧坑:焊接收弧时,焊道尾部形成低于焊缝高度的凹陷坑。弧坑内一般存在低熔点共晶物、夹杂物、火口裂纹等缺陷。采用收弧电流(小于焊接电流的 60%)停留在弧坑一定时间,用焊丝或焊条填满弧坑,能够防止产生弧坑缺陷。

(10)未焊满:是指焊缝表面上连续的或断续低于母材的沟槽。

(11)烧穿:是指焊接过程中,熔深超过工件厚度,熔化金属自焊缝背面流出形成的穿孔性缺陷。

(12)其他表面缺陷:

①焊缝的几何尺寸不符合要求。有焊缝超高、表面不光滑、焊缝过宽、焊缝向母材过渡不圆滑等。

②错边指两个工件在厚度方向上错开一定位置,既可视作焊缝表面缺陷,又可视作装配成形缺陷。

③塌陷指单面焊时由于输入热量过大、熔化金属过多而使液态金属向焊缝背面塌落,成形后焊缝背面凸起、正面下塌。

④表面气孔及弧坑缩孔。

⑤各种焊接变形如角变形、扭曲、波浪变形等都属于焊接缺陷,0角变形也属于装配成形缺陷。

2 焊接缺陷剖析及防止措施

对焊接全过程进行控制,如对焊接工艺评定、焊接人员、焊接机具、焊接材料、焊前准备、施焊过程、焊接检验等加强管理,可以提高合格率,减少或避免焊接缺陷。

2.1 气 孔

焊缝内气体可能是熔池从外界吸收的,也可能是焊接冶金过程中反应生成的。

(1)气孔的分类:从形状上分,有球状气孔、条虫状气孔;从数量上可分为单个气孔和群状气孔,群状气孔又有均匀分布气孔、密集状气孔和链状分布气孔。按气孔内气体成分分类,有氢气孔、氮气孔、二氧化碳气孔、一氧化碳气孔、氧气孔等。熔焊气孔多为氢气孔和一氧化碳气孔。

(2)气孔的形成机理:常温固态金属中气体的溶解度只有高温液态金属中气体溶解度的几十分之一至几百分之一。熔池金属在凝固过程中有大量的气体从金属中逸出来,当凝固速度大于气体逸出速度时,就形成气孔。

(3)产生气孔的主要原因:母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小、熔池冷却速度大,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。母材含 C、S、Si量高,焊接电流过大使焊条后半部药皮变红,都容易产生气孔。

(4)气孔的危害:气孔减少了焊缝的有效截面积使焊缝疏松,从而降低了接头的强度并降低塑性,还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素,氢气孔还可能促成冷裂纹。

(5)防止气孔的措施:①清除焊丝、工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物;②采用碱性焊条、焊剂,并彻底烘干;③采用直流反接并用短电弧施焊;④焊前预热、减缓冷却速度;⑤按偏强的规范施焊。

2.2 裂 纹

2.2.1 裂纹的分类

2.2.1.1 根据裂纹尺寸大小分

(1)宏观裂纹:肉眼可见的裂纹;

(2)微观裂纹:在显微镜下才能发现的裂纹;

(3)超显微裂纹:在高倍显微镜下才能发现,一般指晶间裂纹和晶内裂纹。

2.2.1.2 从产生温度上分

(1)热裂纹:产生于 Ac3线附近的裂纹。一般是焊接完毕即出现,又称结晶裂纹。这种裂纹主要发生在晶界,裂纹面上有氧化色彩,失去金属光泽。

(2)冷裂纹:在焊毕冷至马氏体转变温度 M 3点以下产生的裂纹。一般是在焊后一段时间(几小时、几天甚至更长)才出现,故又称延迟裂纹。

2.2.1.3 按裂纹产生的原因分

(1)再热裂纹:接头冷却后再加热至 500～700℃时产生的裂纹。再热裂纹产生于沉淀强化的材料 (如含 Cr、Mo、V、Ti、Nb的金属)的焊接热影响区内的粗晶区,一般从熔合线向热影响区的粗晶区发展,呈晶间开裂特征。

(2)层状撕裂:主要是由于钢材在轧制过程中,将硫化物(MnS)、硅酸盐类等杂质夹在其中,形成各向异性。在焊接应力或外拘束应力的作用下,金属沿轧制方向的杂物开裂。

(3)应力腐蚀裂纹:在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹。除受残余应力或拘束应力的作用外,应力腐蚀裂纹主要与焊缝组织组成及形态有关。

2.2.2 裂纹的危害

尤其是冷裂纹,带来的危害是灾难性的。世界上的压力容器及水电站的压力钢管事故除极少数是由于设计不合理、选材不当引起的以外,绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。

2.2.3 热裂纹(结晶裂纹)

(1)结晶裂纹的形成机理:热裂纹发生于焊缝金属凝固的末期,敏感温度区大致在固相线附近的高温区。最常见的热裂纹是结晶裂纹,其生成原因是在焊缝金属凝固过程中,结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界,形成所谓"液态薄膜",在特定的敏感温度区(又称脆性温度区)间,其强度极小,由于焊缝凝固收缩而受到拉应力,最终开裂形成裂纹。结晶裂纹最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,为纵向裂纹;有时也发生在焊缝内部两个柱状晶之间,为横向裂纹。而弧坑裂纹是另一种形态的常见的热裂纹。

热裂纹都沿晶界开裂,常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料气焊缝中。

(2)影响结晶裂纹的因素:

①合金元素和杂质的影响碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加,会扩大敏感温度区,使结晶裂纹的产生机会增多;

②冷却速度增大,一是使结晶偏析加重,二是使结晶温度区间增大,两者都会增加结晶裂纹的出现机会;

③结晶应力与拘束应力的影响在脆性温度区内,金属的强度极低,焊接应力又使这部分金属受拉,当拉应力达到一定程度时,就会出现结晶裂纹。

(3)防止结晶裂纹的措施:

①减小硫、磷等有害元素的含量,用含碳量较低的材料焊接;

②加入一定的合金元素,减小柱状晶和偏析,如铝、铁等可以细化晶粒;

③采用熔深较浅的焊缝,改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不在焊缝中;

④合理选用焊接规范,并采用预热和后热,减小冷却速度;

⑤采用合理的装配次序,减小焊接应力。

2.2.4 再热裂纹

(1)再热裂纹的特征:

①再热裂纹产生于焊接热影响区的过热粗晶区以及焊后热处理等再次加热的过程中;

②再热裂纹的产生温度:碳钢与合金钢 550～650℃,奥氏体不锈钢约 300℃;

③再热裂纹为晶界开裂(沿晶开裂);

④最易产生于沉淀强化的钢种中;

⑤与焊接残余应力有关。

(2)再热裂纹的产生机理:

再热裂纹的产生机理有多种解释,其中的两种解释如下:

①模型开裂理论:近缝区金属在高温热循环作用下,强化相碳化物(如碳化铁、碳化铬、碳化钼等)沉积在晶内的位错区上,使晶内强化强度大大高于晶界强化,尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时,阻碍晶粒内部的局部调整,又会阻碍晶粒的整体变形,由于应力松弛而带来的塑性变形主要由晶界金属来承担,于是晶界应力集中就会产生裂纹,即所谓的模形开裂。

②通过插销、冲击韧度等试验研究 HQ-80钢的再热裂纹倾向,扫描电镜发现过热区晶界存在合金元素碳化物,电子能谱检测碳化物富含 Cr、Mo。

再热裂纹的机理:高温过热——合金元素碳化物固溶,再热弱化——晶界析出大颗粒状合金元素碳化物导致晶粒表面的贫 Cr、Mo合金元素层、晶界高温强度不足。影响再热裂纹三要素是:生成品界碳化物的 Cr、Mo、C等合金元素,高温过热与再热弱化的热循环过程,一定的拘束应力。再热裂纹与再热脆化的机理相同,两者同时发生,若通过降低应力防止再热裂纹但不能防止再热脆化。采用无缺口插销进行插销试验,弧形断口证明,再热裂纹的主要影响因素是过热区敏化组织。

(3)再热裂纹的防止:

①注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响;

②合理预热或采用后热,控制冷却速度;

③降低残余应力避免应力集中;

④回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区或缩短在此温度区内的停留时间。

2.2.5 冷裂纹

(1)冷裂纹的特征:

①产生于较低温度,且产生于焊后一段时间以后,故又称延迟裂纹;

②主要产生于热影响区,也有发生在焊缝区的;

③冷裂纹可能是沿晶开裂,穿晶开裂或两者混合出现;

④冷裂纹引起的构件破坏是典型的脆断。

(2)冷裂纹产生机理:

①粹硬组织(马氏体)减小了金属的塑性储备;

②接头的残余应力使焊缝受拉;

③接头内有一定的含氢量。

含氢量和拉应力是冷裂纹(这里指氢致裂纹)产生的两个重要因素。一般来说,金属内部原子的排列并非完全有序,而是有许多微观缺陷。在拉应力的作用下,氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,金属内就出现一些微观裂纹。应力不断作用,氢不断地聚集,微观裂纹不断地扩展,直至发展为宏观裂纹,最后断裂。决定冷裂纹的产生与否,有一个临界的含氢量和一个临界的应力值,当接头内氢的浓度小于临界含氢量,或所受应力小于临界应力时,不会产生冷裂纹(即延迟时间无限长)。在所有的裂纹中,冷裂纹的危害性最大。

(3)防止冷裂纹的措施:

①采用低氢型碱性焊条、严格烘干、在 100～150℃下保存、随取随用;

②提高预热温度、采用后热措施,保证层间温度不小于预热温度,选择合理的焊接规范,避免焊缝中出现洋硬组织;

③选用合理的焊接顺序,减少焊接变形和焊接应力;

④焊后及时进行消氢热处理。

2.3 咬 边

产生咬边的主要原因是电弧热量太高,即电流太大、运条速度太小所造成的。焊条与工件间角度不正确、摆动不合理、电弧过长、焊接次序不合理等都会造成咬边。直流焊时,电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因,在某些焊接位置(立、横、仰)会加剧咬边。

咬边的危害:减小了母材的有效截面积、降低结构的承载能力,还会造成应力集中,发展为裂纹源。

咬边的防止措施:矫正操作姿势、选用合理的规范、采用良好的运条方式都有利于消除咬边。焊角焊缝时,用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬边。

2.4 未焊透

(1)产生未焊透的原因:

①焊接电流小、熔深浅;

②坡口和间隙尺寸不合理、钝边太大;

③磁偏吹影响;

④焊条偏芯度太大;

⑤层间及焊根清理不良。

(2)未焊透的危害:未焊透的危害之一,减少了焊缝的有效截面积,使接头强度下降;其次,未焊透引起的应力集中所造成的危害,比强度下降的危害大得多。未焊透严重降低了焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源,是造成焊缝破坏的重要原因。

(3)未焊透的防止:使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。另外,焊角焊缝时,用交流代替直流以防止磁偏吹;合理设计坡口并加强清理,用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。

2.5 未熔合

按所在部位,未熔合可分为坡口未熔合、层间未熔合和根部未熔合三种。

(1)产生未熔合缺陷的原因:

①焊接电流过小;

②焊接速度过快;

③焊条角度不对;

④产生了弧偏吹现象;

⑤焊接处于下坡焊位置,母材未熔化时已被铁水覆盖;

⑥母材表面有污物或氧化物,影响熔敷金属与母材间的熔化结合等。

(2)未熔合的危害:未熔合是一种面积型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显,应力集中也较严重,其危害性仅次于裂纹。

(3)未熔合的防止:采用较大的焊接电流,正确进行施焊操作,注意坡口部位的清洁。

2.6 飞 溅

飞溅和焊接技术参数有关。焊条电流偏大,飞溅较多,飞溅影响焊接的外观质量,但不影响其内部质量和强度。选择合适的焊接电流,并且焊后用角向磨光机及电动钢丝轮刷清除即可,但清除过程中不能伤及母材和焊缝。

2.7 焊 瘤

(1)所用规范过强、焊条熔化过快、焊条质量欠佳(如偏芯)、焊接电源特性不稳定及操作姿势不当等都易带来焊瘤。在横、立、仰位置更易形成焊瘤。

焊瘤常伴有未熔合、夹渣缺陷,易导致裂纹。焊瘤改变了焊缝的实际尺寸,会带来应力集中。管子内部的焊瘤使管内径减小,可能造成流动物堵塞。

(2)防止焊瘤的措施:使焊缝处于平焊位置,正确选用规范,选用无偏芯焊条,合理操作。

2.8 夹 渣

(1)夹渣的分类:

①金属夹渣:指钨、铜等金属颗粒残留在焊缝中,习惯上称为夹钨、夹铜;

②非金属夹渣:指未熔的焊条药皮或焊剂、硫化物、氧化物、氮化物残留于焊缝之中。冶金反应不完全,脱渣性不好。

(2)夹渣的分布与形状:有单个点状夹渣、条状夹渣、链状夹渣和密集夹渣。

(3)夹渣产生的原因:

①坡口尺寸不合理;

②坡口有污物;

③多层焊时,层间清渣不彻底;

④焊接线能量小;

⑤焊缝散热太快,液态金属凝固过快;

⑥焊条药皮、焊剂化学成分不合理,熔点过高;

⑦进行钨极惰性气体保护焊时,电源极性不当,电流密度大,钨极熔化脱落于熔池中;

⑧手工焊时,焊条摆动不良,不利于熔渣上浮。可根据以上原因分别采取对应措施防止夹渣的产生。

(4)夹渣的危害:点状夹渣的危害与气孔相似,带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中,尖端还会发展为裂纹源,危害较大。

2.9 弧坑(凹坑)

凹坑多是由于收弧时焊条(焊丝)未作短时间停留造成的(此时的凹坑称为弧坑)。仰、立、横焊时,常在焊缝背面根部产生内凹。凹坑减小了焊缝的有效截面积,弧坑常带有弧坑裂纹和弧坑缩孔。

防止凹坑的措施:选用有电流衰减系统的焊机,尽量选用平焊位置,选用合适的焊接规范,收弧时让焊条在熔池内短时间停留或环形摆动,填满弧坑。

2.10 未焊满

填充金属不足是产生未焊满的根本原因。所用规范太弱、焊条过细、运条不当等也会导致未焊满。未焊满同样削弱了焊缝,容易产生应力集中;同时,因所选规范太弱使冷却速度增大,容易带来气孔、裂纹等。

防止措施:加大焊接电流,加焊盖面焊缝。

2.11 烧 穿

焊接电流过大、速度太慢、电弧在焊缝处停留过久,都会产生烧穿缺陷;工件间隙太大、钝边太小也容易出现烧穿现象。

烧穿是锅炉压力容器、压力钢管不允许存在的缺陷,它完全破坏了焊缝,使接头丧失其联接及承载能力。

防止措施:选用较小电流并配合合适的焊接速度、减小装配间隙、在焊缝背面加设垫板或药垫、使用脉冲焊,能有效地防止烧穿。

2.12 有害气体

在焊接过程中氢、氧、氮三种有害气体会对焊接接头产生很大危害;尤其是“氢”,会产生氢气孔、氢白点、氢脆、氢致裂纹(延迟裂纹)等危害。

减少焊缝金属中含氢量的常用措施:

(1)消除焊件和焊材表面的铁锈、杂质和油污;

(2)对焊丝、焊剂和焊条进行烘焙,保持干燥;

(3)在焊条药皮和焊剂中加入适量的氟石(CaF2)、硅砂(SiO2),具有较好的去氢效果;

(4)采用低氢型、超低氢型焊条和碱性焊条;

(5)在焊接低合金钢对接焊缝时,为防止焊接时吸入空气及潮湿,可在背面先用手工焊封底,正面用碳刨刨槽焊接,再翻身将原先的封底刨去,正式封底焊,这样可防止底部吸入空气。

3 结束语

焊接质量是金属结构制作安装工作的重中之重,防止焊接缺陷的产生和有效控制焊接质量,除应保证施焊焊工的技能、资质,确定恰当的技术参数及焊接工艺、选择适宜作业环境、气候以外,更关键的是确保施工管理者的施工经验及责任心,当然也包括监理工程师的工程经验、业务水平及责任感。

焊接缺陷可谓多种多样,上面通过对各类缺陷成因的分析及防止措施的论述,以期对施工单位焊工的技能保障、技术参数的选用、焊接工艺的控制及作业环境、气候因素等影响的充分考虑,起到一定的指导作用及监督作用。

[1]中国力学工程学会焊接学会.焊接手册第一卷,焊接方法及设备[M].北京:北京力学工业出版社,1995.

[2]中国力学工程学会焊接学会.焊接手册第二卷,材料的焊接[M].北京:北京力学工业出版社,1995.

[3]管道焊接技术[M].北京:化学工业出版社,2005.