14焊接工艺-焊接缺陷与检验

焊接缺陷与检验常见的焊接缺陷及质量检验一、常见的焊接缺陷（一）裂纹（二）气孔（三）夹渣（四）未熔合未焊透（五）形状缺陷咬边焊瘤烧穿和下塌错边和角变形焊缝尺寸不合要求（六）其它缺陷电弧擦伤、严重飞溅、母材表面撕裂、磨凿痕、打磨过量等。第4章焊接缺陷及其控制4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1.1偏析的形成及控制1.偏析的种类及形成原因(1)显微偏析(2)区域偏析(3)层状偏析2.偏析的控制措施(1)细化焊缝晶粒(2)适当降低焊接速度4.1.2夹杂的形成及控制1.夹杂的形成及控制(1)夹渣；(2)反应形成新相氧化物；氮化物；硫化物；(3)异种金属。2.夹杂的危害1)影响接头力学性能大于临界尺寸的夹杂物使接头力学性能下降;2)以硅酸盐形式存在的氧化物数量的增加,总含氧量增加,使焊缝的强度、塑性、韧性明显下降；3)氮化物使焊缝的硬度增高，塑性、韧性急剧下降；4)FeS是形成热裂纹及层状撕裂的重要原因之一。3.夹杂的防止措施1)合理选用焊接材料,充分脱氧、脱硫;2)选用合适的焊接参数，以利熔渣浮出；3)多层焊时，注意清除前一层焊渣；4)焊条适当摆动，以利于熔渣的浮出；5)保护熔池，防止空气侵入。4.2焊缝中的气孔4.2.1气孔的分类及形成机理1.析出型气孔如N2、H2气孔；2.反应型气孔如CO、H2O气孔。[FeO]+[C]=CO↑+[Fe]3.2.2气孔形成的影响因素1.气体的来源(1)空气侵入；(2)焊接材料吸潮；(3)工件、焊丝表面的物质；(4)药皮中高价氧化物或碳氢化合物的分解。2.母材对气孔的敏感性(1)气泡的生核现成表面(2)气泡的长大必须满足phpoPh-气泡内部压力:Ph=PH2+PN2+PCO+PH2O+……Po-阻碍气泡长大的外界压力:PO=Pa+PM+PS+PCPhPa+Pc=1+现成表面存在的气泡呈椭圆形，增大了曲率半径，降低了外界的附加压力PC，气泡容易长大。rσ20(3)气泡的上浮必须满足VC(气泡上浮速度)≥R（熔池结晶速度）COSθ=上浮速度VC=glslsgσσσglslsgσσσηρρ9)(22grGL3.焊接材料对气孔的影响（1）熔渣氧化性的影响氧化性强,易出现CO气孔；还原性增大，易出现H2气孔；（2）焊条药皮和焊剂的影响碱性焊条含有CaF2,焊剂中有一定量的氟石和多量SiO2共存时，有利于消除氢气孔；（3）保护气体的影响混合气体的活性气体有利于降低氢气孔；（4）焊丝成分的影响希望形成充分脱氧的条件，以抑制反应性气体的生成。4.焊接工艺对气孔的影响(1)焊接工艺工艺正常，则电弧稳定，保护效果好；(2)电源的种类直流反接，降低电压；(3)熔池存在时间时间增加，则对反应性气体排出有利；对析出性气体，既要考虑溶入，又要考虑逸出。4.2.3气孔的防止措施1.消除气体来源加强焊接区保护；焊材防潮烘干；适当的表面清理。2.正确选用焊接材料适当调整熔渣的氧化性；焊接有色金属时，在Ar中加入CO2或O2要适当；CO2焊时，必须用合金钢焊丝充分脱氧；有色金属焊接时，要充分脱氧，如焊纯镍时，用含铝和钛的焊丝或焊条；焊纯铜时，用硅青铜或磷青铜焊丝。3.控制焊接工艺条件焊接时规范要保持稳定；尽量采用直流短弧焊，反接；铝合金TIG焊时，线能量的选择要考虑氢的溶入和排除；铝合金MIG焊时，常采取增大熔池存在时间，以利气泡逸出。4.3焊接裂纹4.3.1焊接裂纹的种类和特征1.焊接热裂纹(1)结晶裂纹(2)高温液化裂纹(3)多边化裂纹2.焊接冷裂纹(1)延迟裂纹(2)淬硬脆化裂纹(3)低塑性脆化裂纹3.其他裂纹(1)再热裂纹(2)层状裂纹(3)应力腐蚀裂纹4.3.2结晶裂纹的形成与控制1.结晶裂纹的形成机理熔池结晶三阶段：液固阶段；固液阶段；完全凝固阶段。固液阶段（脆性温度区）有可能产生裂纹。Прохоров认为：较小时，曲线1e0＜pmin,es＞0,不会产生裂纹；较大时，曲线3e0＞pmin，es＜0，产生结晶裂纹；按曲线2变化时，e0＝pmin，es＝0，处于临界状态。为防止结晶裂纹的产生，应满足如下条件：＜CST(临界应变增长率）TeTe/Te/2.结晶裂纹的影响因素(1)冶金因素1)结晶温度区间(剖面线区间为脆性温度区间）结晶温度区间越大，脆性温度区也大，裂纹倾向也大。2)低熔共晶的形态当液态第二相β在固态基体相α的晶粒交界处存在时，其分布受表面张力σαα（σGB）和界面张力σαβ（σLS）的平衡关系所支配。σαα=2σαβCOS；COS＝σαα／2σαβ若2σαβ=σαα,θ=0o,易形成液态薄膜；2σαβ≠σαα,θ≠0o,不易形成液态薄膜；增大低熔共晶物的表面张力，有利于避免结晶裂纹。3)一次结晶的组织晶粒粗大，柱状晶的方向越明显，越易形成液态薄膜，导致结晶裂纹。4)合金元素的种类促进结晶裂纹的有：硫、磷、碳和镍等；抑制结晶裂纹的有：锰、硅、钛、锆和稀土等。(2)应力因素.液态薄膜和应力是引起结晶裂纹的根本条件!2223.结晶裂纹的防止措施(1)冶金措施1)严格控制焊材中的硫、磷和碳的含量；2)改善焊缝的一次结晶组织,细化晶粒(加入Mo、V、Ti、Nb、Zr和稀土等元素；焊接奥氏体不锈钢时加入Cr、Mo、V等铁素体形成元素）；3)限制熔合比(尤其是一些易向焊缝转移某些有害杂质的母材)；4)利用“愈合作用”（如铝合金焊接）。(2)应力控制1)选择合理的接头形式（使熔深减小）；2)确定合理的焊接顺序(尽量使焊缝处于较小的刚度下焊接)；3)确定合理的焊接参数（适当增加焊接电流，使冷速下降；预热等）。4.3.3延迟裂纹的形成与控制延迟裂纹又称“氢致裂纹”，常出现在中、高碳钢及合金结构钢的焊接接头中。1.延迟裂纹的形成机理延迟裂纹主要决定三大因素：(1)氢的行为及作用扩散氢在延迟裂纹的产生过程中起到至关重要的作用。1)氢致延迟开裂机理2)氢的扩散行为对致裂部位的影响氢在奥氏体中的溶解度大，扩散速度小；氢在铁素体中的溶解度小，扩散速度大。(2)材料淬硬倾向的影响1)淬火形成淬硬的马氏体组织2)淬硬形成更多的晶格缺陷(3)接头应力状态的影响1)应力的种类热应力；组织应力；结构应力。将上述三种应力的综合作用统称为拘束应力。2)拘束度与拘束应力拘束度R定义为：单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。σ=EεLEhLhLhLlhFlFRbb1从上式可以看出：改变拘束距离L和板厚h，可以调节拘束度R的大小。L↓，h↑时，则R↑。R增大到一定程度就产生裂纹。此值称为临界拘束度Rcr。Rcr越大，接头的抗裂性越强。Rcr可作为冷裂纹敏感性的判据，即产生了裂纹的条件是：RRcrR反映了不同焊接条件下焊接接头所承受的拘束应力σ。开始出现裂纹时的应力称为临界拘束应力σcr。σcr可作为冷裂纹敏感性的判据，即产生了裂纹的条件是：σσcr2.延迟裂纹的防止措施(1)冶金措施1)改进母材的化学成分，采用低碳多种微量元素的强化方式;精炼降低杂质；2)严格控制氢的来源，工件表面清理；焊条、焊剂烘干；3)适当提高焊缝韧性，在焊缝金属中适当加入钛、铌、钼、钒、硼、碲及稀土等微量元素,提高焊缝的韧性；用奥氏体不锈钢焊条焊接易淬硬钢；4)选用低氢的焊接材料；(2)工艺措施1)适当预热；2)严格控制焊接热输入，除预热外可适当增大热输入；3)焊后低温热处理，使氢逸出，降低残余应力，改善组织；4)采用多层焊，使前层的氢逸出，并使前层热影响区淬硬层软化；5)合理安排焊缝及焊接次序。4.3.4其他裂纹的形成与控制1.再热裂纹(1)再热裂纹的形成机理再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂(形核)而发生和扩展的。在焊后热处理时，残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生再热裂纹。即e＞ecr晶内沉淀强化理论再热使晶内析出碳、氮化物，使晶内强化。晶界杂质析集弱化理论再热使P、S、Sb、Sn、As等杂质向晶界析集。蠕变断裂理论（楔形开裂模型）点阵空位在应力和温度作用下，能发生运动，聚集到一定数量，在应力作用下，晶界的接合面会遭到破坏，直至扩大而形成裂纹。(2)再热裂纹的防止措施优先选用含沉淀强化元素少的钢种；严格限制母材和焊缝中的杂质含量；避免过大的热输入使晶粒粗化；预热和后热；增大焊缝的塑性和韧性；尽量降低残余应力。2.层状撕裂(1)层状撕裂的形成机理平行于轧制方向夹杂物的存在；母材的性能（塑性、韧性）；Z向拘束应力。(2)层状撕裂的防止措施选用抗层状撕裂的钢材；减小Z向应力和应力集中（右上图）。3.应力腐蚀裂纹(1)应力腐蚀裂纹的形成机理活化通路应力腐蚀理论腐蚀电池是一个大阴极和小阳极时，阳极的溶解表现为集中性腐蚀损伤。只要在腐蚀过程中，阳极始终保持处于裂纹的最前沿，裂尖处于活化状态而不钝化，其他部位（裂纹端口两侧）发生钝化，使裂纹一直向前发展至断裂。应变产生活性通道应力腐蚀理论钝化膜在应力作用下发生破裂，裂隙处暴露出的金属成为活化阳极，发生溶解。在腐蚀过程中，钝化膜破裂的同时又发生破裂钝化膜的修复，在连续发生应变的条件下修复的钝化膜又遭破坏，以致继续腐蚀。氢脆型应力腐蚀理论腐蚀电池是一个由小阴极和大阳极组成，大阳极发生溶解，表现为均匀性腐蚀。小阴极区如果发生析氢，将发生阴极区金属的集中性渗氢，在持续载荷作用下导致脆断，应力腐蚀就会顺利发展。随着裂纹的出现，裂纹尖端应力、应变集中促进金属中氢向裂纹尖端聚集，最终导致应力腐蚀断裂。(2)应力腐蚀裂纹的防止措施应力腐蚀的形成必须同时具有三个因素的综合作用,即材质、介质和拉应力。因此，应从三方面的影响因素着手，从产品结构设计、安装施工到生产管理各个环节采取相应措施。材质：采用双相不锈钢材料；选择与母材的化学成分和组织基本一致的焊材（等成分原则）；介质：必须具体考虑介质对母材腐蚀的可能性，为了减轻或消除特定环境中的应力腐蚀，可在介质中加缓蚀剂。也可采用表面处理技术，在构件表面制备牺牲阳极涂层或物理隔离涂层。应力：焊接过程中选择合理的接头形式，减小残余应力；正确的焊接顺序；合适的热输入；焊后可以进行进行消除应力处理。二、焊接质量检验（一）焊前检查母材与焊材；设备与工装；坡口制备；焊工水平；技术文件等；（二）施焊过程中的检查焊接及相关工艺执行情况；设备运行情况；结构与焊缝尺寸等；（三）焊后检验是保证合格产品出厂的重要措施外观检查；内部探伤：ｘ射线探伤、γ射线探伤、超声波探伤等；近表面缺陷探伤：磁粉探伤、渗透探伤等；渗漏检测：水压试验、气压试验等；力学性能测试；金相组织分析；化学成分分析。三、无损探伤1.射线探伤探伤原理x射线和γ射线都是电磁波，它们的波长很短（x射线为0.001-0.1nm，γ射线为0.0003-0.1nm)，能透过不透明的物体（包括金属），并能使胶片感光。将感光后的胶片显影后，能看到材料内部结构和缺陷相对应黑度不同的图像，从而观察材料内部缺陷的方法称作射线照相探伤法。射线穿过某一物质时，由于物质对射线吸收与散射的作用，其能量便被物质所衰减，被衰减能量的大小与射线的波长和被穿透物质的化学成分有关。由感光底片不同的黑度，来观察物体内部缺陷存在的部位性质和程度，以判断缺陷。射线照相质量标准根据缺陷的性质和数量，焊缝质量分为四级：Ⅰ级焊缝内应无裂纹、未熔合、未焊透和条状夹渣；Ⅱ级焊缝内应无裂纹、未熔合和未焊透；Ⅲ级焊缝内应无裂纹、未熔合以及双面焊和加垫板的单面焊中的未焊透；Ⅳ级为焊缝缺陷超过Ⅲ级者。各种射线照相的性能比较x射线γ射线