焊接缺陷的产生

第三单元焊接缺陷的产生及防止【学习目标】通过本单元的学习，使学生明确焊接缺陷的种类、特征及危害；掌握常见焊接缺陷——气孔、结晶裂纹和冷裂纹的产生原因、影响因素及防止措施；对其他焊接缺陷的产生原因及防止措施有一定的了解。焊接缺陷的种类及特征焊接缺陷的类型1.焊接缺欠与焊接缺陷在焊接接头中存在的不连续性、不均匀性以及其他不健全的缺损，称为焊接缺欠。在焊接缺欠中，根据产品设计或工艺文件的要求，凡是不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠称为焊接缺陷，即焊接过程中所形成的焊缝不足、不完善的地方也可以说是焊缝本身的缺损或损伤。焊接缺陷是焊接缺欠中不可接受的、不合格的缺欠，必须经过返修合格后才能使用，否则此焊接产品就是废品。焊接缺欠是绝对的，是焊接接头中客观存在的某种间断或不完整，而焊接缺陷是相对的。同一类型、同一尺寸的焊接缺欠，出现在制造要求高的产品中，可能被认为是焊接缺陷，必须返修，但出现在制造要求低的产品中，可能认为是可接受的、合格的焊接缺欠，不需要返修。因此，判别焊接缺欠是否是焊接缺陷要根据产品相应的法规、标准和制造技术要求进行评定。在这些法规、标准和制造技术条件中，依据焊接产品使用性能，从焊接质量、可靠性和经济性之间的平衡综合考虑，规定什么焊接缺欠相对制造技术条件的产品是可能接受的，什么焊接缺欠是对产品运行构成危险的、不可接受的焊接缺欠是对产品运行构成危险的、不可接受的焊接缺陷。例如：0.4mm深度的咬边，如果出现在“不允许有任何咬边存在”的高压容器焊接接头中，可判断为焊接缺陷；如果出现在技术条件规定“咬边深度不得超过0.5mm”的普通容器焊接接头中，则被认为是可以接受的焊接缺欠，而不是焊接缺陷。2.焊接缺陷的分类1)按照焊接缺陷的性质，金属熔焊接头常见的焊接缺陷共分为裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合与未焊透、形状缺陷和其他缺陷等。2)按焊接缺陷的可见性分为表面缺陷和内部缺陷。焊接缺陷位于焊缝外表面的称为表面缺陷；位于焊缝内部的称为内部缺陷，见表3-1。常见焊接缺陷的特征及危害焊接缺陷的存在，不仅会降低焊接接头的使用性能，影响结构的安全使用，严重时还将导致脆性破坏，引起重大事故。有害程度较大的焊接缺陷有五种，按有害程度递减的顺序排列为：裂纹、未熔合和未焊透、咬边、夹渣、气孔。常见焊接缺陷的特征及危害见表3-3。合知识模块二焊缝中的气孔与夹杂物气孔的分类与特征焊接时，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。焊缝中的气孔是常见的焊接冶金缺陷之一。气孔的危害性比裂纹小，但气孔的尺寸和数量超过一定范围时，就是不允许存在的焊接缺陷。根据气孔的性质、数量、形状、位置等，可分为以下几种：1.根据产生气孔的气体种类分类。气孔分为氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔和水蒸气气孔等。(1)均布气孔大量气孔比较均匀地分布在整个焊缝金属中(图3-1a)。均布气孔的产生是由于不合适的焊接操作技术或不恰当的气体保护、焊件表面污染或材料缺陷所致。(2)密集气孔形状不规则的成群气孔呈区域化分布(图3-1b)。它是由于不正确的引弧或收弧引起的。电弧偏吹也可促使产生密集气体。(3)链状气孔平行于焊缝轴线的成串气孔(图3-1c)。它主要是在污染的缺欠处由于气体的逸出引起的。这种气孔可沿焊缝根部或焊道边界之间呈直线分布。(4)条状气孔长度大于宽度且长度方向与焊缝轴线近似平行的非球形的长气孔(图3-1d)。3.根据气孔的形成位置分类根据气孔的形成位置可分为内部气孔(存在于焊缝内部的气孔)和表面气孔(暴露在焊缝表面的气孔)。对一条焊缝而言，按生成气孔的位置，又可分为引弧处气孔，焊道中气孔和弧坑气孔等。(3)氢气孔和氮气孔产生的主要原因及其特征在焊接低碳钢和低合金钢时，大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，断面为螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，气孔的内壁光滑，这是由于氢气是在液态金属和枝晶界面上凝聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔的。在个别情况下，氢气孔也会出现在焊缝的内部，是小圆球状，如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，或在焊接有色金属时，由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低，析出气体，在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部。氮气孔的形成机理与氢气孔相似，氮气孔也多出现在焊缝表面，但多数情况下是成堆处现的，呈蜂窝状。氮主要来自焊接区周围的空气，但一般产生氮气孔的机会较少，只有在熔池保护不好，有较多的空气侵入焊接区的情况下才会产生。这些反应可以发生在熔滴过渡过程中，也可以发生在熔池中。由于CO不溶于金属，所以在高温时生成的CO就会以气泡的形式从液态金属中高速逸出，形成飞溅，而不会形成气孔。但是，当热源离开后，熔池开始凝固时，熔池金属的粘度不断增大，所有反应的CO不易逸出，且该反应为吸热反应，会促使结晶速度加快，使CO形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。由于CO形成的气泡是在结晶界面上产生的，所以CO气孔常呈条虫状。2.影响焊缝形成气孔的因素能增加焊接区气体来源的各种因素，如铁锈、水分、油污等杂质，都会增加焊缝形成气孔的倾向。此外，母材的成分、熔渣的组成与性能、焊接的工艺条件等对气孔的形成也具有重要的影响。(1)焊接熔渣氧化性的影响熔渣氧化性的强弱对焊缝的气孔敏感性具有很大的影响。当焊接熔渣中含有氟化物时(如萤石)，能起良好的去氢作用。因为氟与氢化合生成稳定的HF，而HF不溶于液态金属，从而减少氢气孔的产生。另外，当熔渣中含有一定量的氧化性物质时，如MnO、FeO、MgO、SiO2等，也能起到清除氢气孔的作用。因为这些氧化物中的氧在高温时能与氢化合，生成稳定的、不溶于液体金属的OH，从而减少焊缝金属的含氢量，但氧化性过强时，则有可能产生CO气孔。总之，无论是酸性熔渣还是碱性熔渣，当熔渣的氧化性增加时，氢气孔的倾向减小，而CO气孔的倾向增加。相反，当熔渣的氧化性减小，还原性增加时，则氢气孔的倾向增加，而CO气孔的倾向减小。(2)铁锈、水分及其他杂质影响焊件或焊接材料中的水分、氧化铁皮、铁锈、油污等杂质也是焊缝出现气孔的重要因素，其中尤其铁锈的影响最大。铁锈是钢铁腐蚀后的产物，是氧化铁的水化物(通式为mFe2O3·nH2O)，也包含(Fe3O4·H2O)的水化物,即铁锈含有较多铁的高级氧化物Fe2O3和结晶水，在电弧焊接的条件下，这些以结晶水形式存在的水分，便产生大量的水蒸气，从而使铁氧化产生H2.当液态金属具有足够高的温度时，这些氢便以原子或正离子的形式溶入，扩散至熔池金属中，这就是焊接有铁锈金属时产生氢气孔的主要原因。铁锈的存在一方面增加了熔池的氧化作用，在结晶时促使生成CO气孔，另一方面也增加了生成氢气孔的可能性，所以，铁锈是一种极其有害的杂质。钢板上氧化铁皮的主要成分是Fe3O4和少量的Fe2O3，虽然没有结晶水，但对产生CO气孔仍有较大的影响，因此，在焊接生产中要尽量清除焊件上的铁锈、氧化铁皮等杂质。焊剂和焊条药皮受潮或烘干不足、空气中或母材金属表面的水分，受电弧高温的影响，生成氢进入焊接熔池中，同样易增加产生气孔的倾向。(3)焊接参数的影响焊接参数，如焊接电流、焊接速度、电弧电压等，主要是影响焊接熔池的存在时间，如果熔池存在的时间越短，气体逸出越困难，形成气孔的倾向也越大。增大焊接电流可增加熔池存在的时间，有利于气体的逸出，但熔滴变细，增加了熔池对气体的吸收量，同时熔深也增加，反而不利于气体的逸出，增大了生成气孔的倾向。使用不锈钢焊条时，焊接电流增大，焊芯的电阻热增大，会使焊条末端药皮发红，药皮中的某些组成物(如碳酸盐)提前分解，影响了造气保护效果，因而也增加了气孔的倾向。电弧电压升高，弧长增加，空气中的氮气易侵入熔池形成氮气孔，其中焊条电弧焊和自保护药芯焊丝电弧焊最为敏感。当电弧的功率不变(即焊接电流和电弧电压的乘积不变)时，焊接速度增大，熔池存在的时间变短，加快了结晶速度，从而增大了产生气孔的倾向。(4)电流种类和极性的影响生产经验证明，电流的种类和极性不仅影响电弧的稳定性，还对氢气孔的产生有较大的影响。使用交流电源焊接时，使用未烘干的焊条，焊缝易产生气孔。用直流正接法时，生成气孔的倾向较小，而用直流反接法时，生成气孔的倾向最小。这是因为氢气实际上是以正离子形式溶入熔池，当熔池处于阴极时(反接)，弧柱空间的氢正离子在熔池表面遇到电子，与之复合为氢原子，从而阻碍了氢的溶解。在使用交流电源时，氢离子在电流改变方向通过零点的瞬间，顺利进入熔池，因此产生气孔的倾向最大。(5)工艺操作方面的影响在生产中由于工艺操作不当也易产生气孔。例如：1)焊前未严格按规定要求烘干焊条、焊剂或烘干后放置时间过长。2)焊前未对焊件、焊丝上的铁锈、水分、油质等污物按要求进行清除。3)焊接时的规范不稳定，特别是使用碱性焊条时未采用短弧焊接等。防止气孔产生的措施防止气孔产生的根本措施是限制气体的来源和排除熔池中存在的气体。1.消除产生气孔的气体来源1)对焊件及焊丝(焊芯)表面上的油污、铁锈、氧化膜等进行仔细清除，特别是焊缝两侧20～30mm范围内进行除锈、去污。2)焊接材料的防潮和烘干。各种焊接材料应防潮包装与存放。按规定烘干焊条或焊剂，控制烘干的焊条或焊剂在大气中的暴露时间，防止吸潮。2.加强对熔池的保护1)不使用偏心焊条和药皮脱落的焊条，焊剂或保护气体送给不能中断。2)掌握正确的引弧方法，电弧不得随意拉长，采用短弧焊接，并要配以适当的动作，以利于气体的逸出。3)装配间隙要符合要求，不要太大，防止空气从根部熔池侵入。3.正确选择焊接材料和保护气体通过控制焊接材料的氧化性和还原性，降低气孔的敏感性。4.控制焊接工艺条件控制焊接工艺条件的目的是创造熔池中气体逸出的有利条件，同时限制焊接电弧外围的气体熔入熔池。1)正确选择焊接参数，运条速度不能太快。2)对导热快、散热面积大的焊件，若周围环境温度较低，应进行预热，以降低冷却速度。焊缝中的夹杂物焊缝中的夹杂物是焊接冶金反应产生的，是焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质(如氧化物、硫化物等)。焊缝中的夹杂物是固体夹杂的一种，但它有别于夹渣和金属夹杂。夹渣是指焊后残留在焊缝中的焊渣，是由于焊接参数选择不当或操作技术的原因所引起的；金属夹杂是残留在焊缝金属中的来自外部的金属颗粒(如夹钨)；而夹杂物是由于焊接化学冶金反应产生的。1.夹杂物的危害夹杂物的存在不仅降低焊缝金属的塑性，增大低温脆性，降低韧性和疲劳强度，在外力作用下,夹杂物周围会产生应力集中,使夹杂物通常成为裂纹源而增加产生热裂纹的2.夹杂物产生的原因氧化物夹杂产生的原因主要是熔池脱氧不完全，其中的FeO与其他元素作用而生成，一般多以复合硅酸盐形式存在。这类夹杂物基本上都属于低熔点的物质，在焊缝结晶时最后凝固，少量液体夹杂物存在于固体晶粒之间。这些夹杂物是由于焊工操作不当而混入焊缝中的，导致焊缝的韧性降低。氮化物的产生原因主要是在保护不良的情况下，焊接碳钢和低合金钢时，液态金属与空气中的氮反应后，主要以氮化物Fe4N夹杂的形式存在，残留在焊缝金属中。氮化物在时效过程中以针状夹杂形式存在于焊缝金属中，对焊缝的力学性能有较大的影响，使抗拉强度提高，塑性和韧性下降，焊缝变脆。但在良好保护条件下焊接时，生成氮化物的几率是很小的。当母材、焊丝、药皮等材料的含硫量较高时，就会在焊缝中形成硫化物夹杂。硫在焊缝中主要以FeS和MnS两种硫化物的形态存在。其中以FeS对焊缝的危害最大，因为FeS沿晶界析出与Fe或FeO形成低熔点共晶，增加了生成热裂纹的倾向。3.防止和减少焊缝中形成夹杂物的措施在焊缝中分布细小、均匀的夹杂物，对焊缝的塑性和韧性不会有明显的影响，反而还可改善焊缝金属的韧性与塑性,但对于粗大的夹杂物则必须采取措施防止或消除。防止和减少焊缝中形成夹杂物的主要措施从以下两个方面着手：(1)控制夹杂物的来源正确选择焊条、药芯焊丝、焊剂的渣系，以便在焊接过程中能充分脱氧、脱硫。另外还要严格控制原材料中的杂质含量，以杜绝夹杂物的来源。(2)采取相应的工艺措施选用较大的热输入，使熔池有足够的存在时间；焊条电弧焊时，焊条要作适当的摆动，使熔池搅动，以促使夹杂物的浮出；多层焊时，