焊接缺陷与焊接检验

第十一章焊接缺陷与焊接检验（李国才编著）第一节焊接缺陷的分类与危害一、焊接缺欠与焊接缺陷的概念没有哪一种结构材料或工程结构是完美无缺的，焊接接头也不例外。在焊接接头中会存在金属不连续性、不致密或连接不良以及其他不健全的缺损，这种缺损称为焊接缺欠(Weldimperfection)。在焊接缺欠中，根据产品相应的制造技术条件的规定，凡不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠即超过规定限值的缺欠称为焊接缺陷(Welddefect)。焊接缺欠是绝对的，它表明焊接接头中客观存在某种间断或非完整性。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，必须返修合格；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。因此说，判别焊接缺欠是不是焊接缺陷的准则是产品相应的法规、标准和制造技术条件，即按有关标准对焊接缺欠进行评定。二、焊接缺陷的分类与危害1．按成因分类，焊接缺陷可以分为三大类；（1)结构缺陷：焊接缺陷的产生与设计结构有关，包括焊缝布置不良、结构不连续、错边。（2)工艺缺陷：焊接缺陷的产生与工艺因素有关，包括咬边、未熔合、未焊透、未焊满、焊瘤、夹渣、焊缝外观（电弧擦伤、尺寸偏差、飞溅）尺寸不良。（3)冶金缺陷：焊接缺陷的产生与冶金因素有关，包括裂纹、气孔。2.按可见性分类，焊接缺陷可分为二大类；（1)表面缺陷：用目测和低倍放大镜可以看到的缺陷。常见的有：焊缝成形及尺寸不符合要求、咬边、满溢、焊瘤、根部内凹、焊穿、弧坑、表面裂纹、表面气孔。（2)内部缺陷：位于焊缝内部，以破坏性试验或无损检测的方法发现的。一般有：裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等。3.从断裂机理的观点，可分为二大类；焊接缺陷可以分为平面型和非平面型(体积的)。平面型缺陷，是二维缺陷，例如裂纹。非平面缺陷是三维缺陷，如气孔。4．GB/T6417-1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》把熔焊的缺陷按其性质分成六类；即裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷以及其他缺陷。每一大类中又按缺陷存在的位置及状态分为若干小类。该标准把每种缺陷用阿拉伯数字标记，同时采用国际焊接学会(IIW)《参考射线底片汇编》中，目前通用的缺陷字母代号来对缺陷进行简化标记。焊接缺陷由于减少了焊缝截面积，降低了设备的承载能力，同时产生应力集中，降低疲劳强度，易引起工件破裂导致脆断。为了保证焊接工件的可靠性，需要针对不同性质的焊接缺陷采取不同的焊接检验方法。三、常见焊接缺陷常见的焊接缺陷有裂纹、气孔、咬边、夹渣、夹钨、未熔合、未焊透、未焊满、焊瘤、焊缝外观和形状与尺寸不良等。裂纹按形成机理可分为热裂纹、层状撕裂、冷裂纹。其中，热裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹和再热裂纹等。裂纹按其方向和所在位置可分为纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、喉部裂纹、焊趾裂纹、根部裂纹、焊道下和热影响区裂纹等。气孔可分为球形气孔、均布气孔、局部密集气孔、链状气孔、条形气孔、表面气孔等。焊缝外观和尺寸不符合要求的缺陷包括：焊缝尺寸偏差、电弧擦伤、飞溅、磨痕等。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。第二节焊接缺陷产生的原因和防止措施一、裂纹在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙称为裂纹。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，易引起较高的应力集中，而且有延伸和扩展的趋势，所以是最危险的缺陷。裂纹常常引起设备和构件上的灾难性事故。因此，根据制造法规要求，对重要焊件中的裂纹无论其尺寸大小不管其位置如何，都是不允许的，都必须清除掉。1．按形成机理分，可分为冷裂纹、层状撕裂和热裂纹三种；（1）冷裂纹1）定义：焊接接头冷却到较低温度(Ms线以下、马氏体开始转变温度)时产生的裂纹，焊接接头冷却到室温后，可能是焊后立即产生，也可能在焊后几小时、几天或更长时间出现，故也称为延迟裂纹。冷裂纹经常伴随氢脆产生，所以又称氢致裂纹。2）发生区域：焊接接头的各个区域。冷裂纹主要产生在热影响区，也有发生在焊缝区的。它可能沿晶开裂、穿晶开裂或两者混合出现。3）产生原因：是在拉应力作用下，原子氢向高应力区(缺陷部位)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，使金属内出现一些微观裂纹。在应力持续作用下，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。一般来说，有一个临界的氢含量和一个临界的应力值决定冷裂纹的产生与否。产生冷裂纹的三大要素①焊接热影响区和焊缝金属中存在塑性差、相变应力大的马氏体等淬硬组织。②焊接热影响区和焊缝金属中氢的吸收和扩散。③焊接接头拘束度大，残余应力大。一般认为Rm≥450MPa以上的材料都有可能发生冷裂纹。如耐热钢、马氏体不锈钢、含Ni的低合金钢、异种钢的焊接接头、特殊结构钢和堆焊层等。冷裂纹如图11-1所示。图11-1冷裂纹4）预防措施在焊接中，可以采取如下措施防止产生冷裂纹：①使用低氢焊接材料，焊接材料按要求烘干，保温随取随用。②应清理待焊区域的水分、油污及铁锈和其他有可能产生氢原子的污物。③因CO2气体保护焊可以获得低氢焊缝，故可考虑用C02气体保护焊焊接淬硬倾向较大、对氢敏感性较强的钢种。④采取焊前预热、控制层间温度、焊后缓冷或焊后消氢处理等措施，来降低冷却速度，改善组织，保证较低的应力水平。⑤焊接时避免产生弧坑、咬边、未焊透等缺陷，以减少应力集中；合理设计接头和坡口，减小拘束度和残余应力。（2）层状撕裂1）定义：指在具有丁字接头或角接接头的厚大工件中，沿钢板的轧制方向分层出现的阶梯状裂纹。层状撕裂产生在200℃以下的低温区，层状撕裂实质上也是冷裂纹。2）发生区域：焊接热影响区或靠近热影响区的母材处。层状撕裂是在邻近热影响区或母材中略呈梯状的分离，层状撕裂是短距离横向(厚度方向)的高应力引起断裂的一种形式，它可以扩展很长的距离。层状撕裂大致平行于轧制钢板的表面。断裂可能从一个层状平面扩展至另一个层状平面。3）产生原因：在轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物，其中尤以硫化物的作用为主，在轧制过程中被延展成片状，分布在与表面平行的各层中，在垂直于厚度方向的焊接应力的作用下，夹杂物首先开裂并扩展，以后这种开裂在各层之间相继发生，连成一体，造成层状撕裂的阶梯性。如图11-2所示。产生层状撕裂的三大要素①母材中，沿钢板轧制方向分布了非金属夹杂物。②焊接热影响区的应变时效和氢的吸收和扩散。③焊接接头拘束度大，残余应力大。4）预防措施①提高钢材的抗层状撕裂能力(低硫和低氢可改善钢材的抗层状撕裂性能)。严格控制钢材的硫含量。②合理设计接头和坡口形式，减小材料厚度方向的拘束度和内部残余应力。③从降低内应力的角度选择焊接参数。例如，采用焊缝收缩量最小的焊接顺序，选用具有良好变形能力（强度级别较低）的焊接材料等。④在与焊缝相连接的钢板表面堆焊几层低强度焊缝金属作为过渡层，以避免夹杂物处于高温区。⑤预热和使用低氢型焊条，以降低钢材对冷裂纹的敏感性。图11-2裂纹及层状撕裂1．近焊区根部裂纹(延迟裂纹)2．焊趾处纵向裂纹(延迟裂纹)4．层状撕裂（3）热裂纹1）定义：焊接过程中，焊缝或热影响区金属冷却到固相(AC3)线附近的液态金属第一次结晶时产生的裂纹。热裂纹通常沿晶界开裂，裂纹表面有氧化色彩，失去金属光泽。2）发生区域：常发生在焊缝金属及热影响区中。热裂纹按形成机理又分为凝固裂纹、液化裂纹和再热裂纹，其中：液化裂纹常发生在靠近熔合线的热影响区中；凝固裂纹常发生在焊缝金属中；再热裂纹产生于沉淀强化材料(如含Cr、Mo、V、Ti、Nb元素的金属材料)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。热裂纹是沿晶(晶界或晶粒之间)扩展，而冷裂纹既沿晶扩展又穿晶(横晶)扩展。3）产生原因：是低熔点共晶物富集在晶粒边界或焊缝中心，在焊缝冷却凝固时受到拉应力作用下形成开裂。通常发生在含杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料焊缝中。①凝固裂纹(结晶裂纹)凝固裂纹是在焊缝凝固过程后期所形成的焊接裂纹，凝固裂纹又称结晶裂纹。产生凝固裂纹的三大要素：a)在焊接熔池中存在一定数量的低熔点共晶物(取决于焊缝金属中C、P、S等元素的含量)。b)焊缝金属结晶的方式使低熔点共晶物封闭在柱状晶体之间(取决于焊缝成形系数)。c)结晶过程产生足够大的应变(由于拘束度大、焊接热输入大等)。②液化裂纹液化裂纹是在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹。液化裂纹常发生在靠近熔合线的热影响区中。产生液化裂纹的三大要素：a)母材晶粒的晶界上存在低熔点共晶物。b)焊接过程中，低熔点共晶物完全或局部熔化。c)近缝区产生足够大的应变③再热裂纹再热裂纹是近缝区金属在高温热循环作用下，强化相碳化物(如碳化钛、碳化钒、碳化铌、碳化铬等)沉淀在晶内的位错区上，使晶内的强化程度远远大于晶间，当强化相弥散分布在晶粒内时，会阻碍晶粒内部的局部调整，又会阻碍晶粒的整体变形。当应力松弛而发生塑性变形时，主要由晶界来承担，于是晶界区金属发生滑移，且在三晶粒交界处产生应力集中，就会产生裂纹。因其是在焊接后接头再次加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹故称为再热裂纹。有再热裂纹倾向的材料包括Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR和日本的CF-62系列钢。产生再热裂纹的三大要素：a)母材(例如Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-B、Mn-Ni-Mo-V合金系列等低合金钢)中存在较多的具有沉淀倾向的碳化物形成元素，同时，焊接过程中，热影响区受较高温度作用，奥氏体化的晶粒急剧长大，碳化物熔于固溶体中。b)焊接接头又经受500-700℃热过程，固溶体中的碳化物沉淀，晶粒内部强化，晶界薄弱。c)焊接接头存在较大的应力。4）热裂纹的形成机理：综上所述，产生热裂纹的因素有冶金因素和力学因素。焊缝金属在凝固过程中会形成几种低熔点化合物(如硫化物)，它们以液相状态存在于晶粒边界处，这是导致热裂纹的冶金原因。硫是最有害的元素，因为它可反应生成多种低熔点的化合物如硫化铁。所以应使母材和填充金属的硫含量保持低水平。碳是另一种有害元素，因为它影响焊缝金属的液相温度并有降低焊缝金属高温延性的倾向。不可能将母材碳含量进行大范围的改变，但可以用锰对硫的高比值来抵消碳的作用。硅和磷不直接影响焊缝金属的液相，但会促进硫的偏析，因而助长硫的反应作用。不论焊缝金属中低熔点化合物含量如何，只要不向焊缝上施加拉应力是不会形成热裂纹的。但是由于应力是不可能避免的，所以，在凝固或再热过程中施加的应力越大，开裂就越严重。母材的大小和厚度、接头构造、焊道尺寸和形状都会影响焊缝中的残余应力大小，而且，不同的焊接方法采用的热输入不同，从而会造成不同的显微组织变化和不同的残余应力水平。接头构件应便于进行良好的装配。还应采用可使焊缝的拘束度最小的焊接工艺。5）预防措施①防止产生热裂纹的措施：a)减小钢中或焊缝中C、S、P等元素的含量，适当提高焊缝成形系数，即增加焊缝宽度，降低焊缝计算厚度，可采用多层多道焊法，改善散热条件，使低熔点物质上浮至焊缝表面而不存在于焊缝中，以降低偏析程度。b)合理选用焊接参数，采取预热和后热等措施，并保证层间温度不低于预热温度，减小焊接冷却速度，避免焊缝中出现淬硬组织。c)合理设计接头和坡口，采用合理的装配次序，减小拘束度和焊接应力。d)收弧时采用引出板或延时断弧，使焊缝金属填满弧坑，以减少弧坑裂纹的产生。②防止产生再热裂纹的措施：除选用有沉淀倾向碳化物形成元素含量小的母材外，在工艺上可采取下列措施：a)采用焊接热输入小的焊接工艺，减小热影响区过热段的尺寸。b)选用强度比母材低、没有沉淀倾向碳化物形成元素的焊件材料。使焊缝强度低于母材以增高其塑性变形能力。c)正确选用消除应力热处理规范，避免焊件在敏感的温度区间停留。d)采用高温预热、后热，降低接头内应力。图11-3热裂纹2.根据与焊缝轴线方向的相对位置分：裂纹可分