第五节 焊接接头常见缺陷

焊接基础知识孟善斌手工电弧焊技能培训第四节焊接接头常见缺陷焊接过程中，在焊接接头上产生的不符合设计或工艺文件要求的缺陷称为焊接缺陷。焊接缺陷按其在焊缝中的不同位置，可分为内部缺陷和外部缺陷。外部缺陷暴露在焊缝外表，用肉眼或低倍放大镜就可以看到，如焊缝尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、焊穿、弧坑、严重飞溅、表面裂纹、表面气孔等；内部缺陷位于焊缝内部，可用无损探伤或力学性能试验方法来发现，如未焊透、夹渣以及内部气孔、内部裂纹等。一.裂纹裂纹是焊接结构生产中最危险的一种缺陷。它不仅会使焊件被破坏而导致产品报废，而且可能造成严重的事故。焊接裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成新的界面产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比两个显著特征。无论是在焊缝中还是在热影响区上的裂纹，基本上与焊缝平行的裂纹称为纵向裂纹，与焊缝垂直的裂纹称为横向裂纹，(如图5-26)所示为焊接接头裂纹分布情况。根据裂纹的形成温度范围和原因不同，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹及层状撕裂，这里主要分析热裂纹和冷裂纹。1.热裂纹在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附件的高温区间产生的焊接裂纹即热裂纹。根据热裂纹产生的机理、温度区间和形态不同，热裂纹可以分为结晶裂纹、高温液化裂纹和高温低塑性裂纹。(1)裂纹的特点1)产生的时间。它的发生和发展都处于高温下，从时间上说，它产生于金属凝固过程中。2)产生的部位。热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，有的是纵向的，有的是横向的。发生在弧坑中的热裂纹往往呈星状。有时热裂纹也会发展到母材中去。3）外观特征。热裂纹或者处于焊缝中心，或者处于焊缝两侧，其方向与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有明显的锯齿形状，也常有不明显的锯齿形状。凡是露出焊缝表面的热裂纹。由于氧在高温下进入裂纹内部，所以裂纹断面上都可以发现明显的氧化色彩。4）金相结构上的特征。对产生裂纹处得金相断面做宏观分析时，发生热裂纹都发生在晶界上，因此不难理解，热裂纹的外形之所以是锯齿形的，是因为晶界就是交错生长的晶粒的轮廓线，故不可能是平滑的。(2)热裂纹产生的原因裂纹既然是一种局部的破坏，要产生裂纹必然也要有力的作用。焊接中的这种力是如何产生的呢？这是因为焊接过程是一个局部加热的过程，无论是电弧焊还是电阻焊，都是将局部金属加热到熔化状态，液体金属凝固后就将金属连接起来。但是，焊缝金属从液体变成固体时，体积要缩小，同时凝固后的焊缝金属在冷却过程中体积也会收缩，而焊缝周围金属阻碍了上述这些收缩，这样焊缝就受到了一定的拉应力作用。在焊缝刚开始凝固和结晶时，这种拉应力就产生了，但是这时的拉应力不会引起裂纹，因为这时晶粒刚开始生长，(如图5-27a)所示。液体金属比较多，流动性比较好，可以在晶粒间自由流动，因而由于拉应力而造成的晶粒间的间隙都能被液体金属填满。当温度继续下降时，柱状晶体继续生长，拉应力也逐渐增大。如果此时焊缝中有低熔点供晶体存在，由于它熔点低，凝固晚，被柱状晶体推向晶界，聚集在晶界上。因此，当焊缝金属大部分已经凝固时，这些低熔点金属尚未凝固，在晶界处就形成所谓的“液体夹层”，(如图5-27b)所示，这时的拉应力已发展得较大，而液体金属本身没有什么强度，晶粒与晶粒之间的结合就大为消弱，在拉应力的作用下，就可能使柱状晶体的空隙增大，而低熔点液体金属又不足以填充增大了的空隙，这样就产生了裂纹。如果没有低熔点共晶体的存在，或者数量很少，则晶粒与晶粒之间的结合比较牢固。虽然有拉应力作用，仍不产生裂纹。由此可见，拉应力是产生热裂纹的外因，晶界上的低熔点共晶体是产生热裂纹的内因，拉应力通过晶界上的低熔点共晶体而产生裂纹。(3)防止热裂纹产生的措施有以下三个方面：1)合理地选配焊接材料。在碳素结构钢和低合金高强度结构钢中，造成热裂纹的主要有害元素是硫、磷、碳，它们不仅能形成低熔点共晶体，而且还彼此促进偏析。因此，一般焊接材料（如焊条和焊丝等）的含碳量要小于0.11%，因为通过实践证明，当焊缝金属中含碳量小于0.15%时，产生裂纹的倾向较小。严格控制焊芯和焊丝中硫、磷的含量，一般应控制在小于0.04%以下。在焊接高合金钢时，要求硫、磷的含量小于0.03%，含碳量要求更低，甚至要配合含碳量小于0.03%的超低碳焊丝。对一些重要的焊接结构，应采用碱性焊条或提高焊剂的碱度，并加入一定量的锰，锰能与FeS作用生成MnS，MnS本身的熔点比较高，也不会与其他元素形成低熔点共晶体，可以有效地控制硫、磷等有害杂质，以降低热裂纹的倾向。2)细化晶粒，采用合理的焊接工艺参数。细化晶粒可以提高焊缝金属的抗裂性，通常在焊缝金属中加入钛、铝、锆、硼和稀土金属铈等变质剂。由于晶粒变细，晶界也随之增多。这样即使存在低熔点共晶体，也会被飞散开来，使分布在晶界局部区域的杂质数量减少，这就有利于消除热裂纹。最常用的变质剂是钛。采用合理的焊接工艺参数，可调整焊接和电弧电压来改善焊缝成型。一般认为焊缝成型系数φ1.3时，其冷却和结晶条件比较好，有利于抑制裂纹的出现。3)改善结构设计，采取预热和缓冷措施。降低焊件或焊接接头的刚度，由于其刚度越高，焊接应力越大，产生裂纹的倾向也越大。可以通过合理的装焊顺序、焊接方向和焊接顺序等（对刚度高的焊件，必要时应采取预热和缓冷措施）减少焊接应力，防止焊接接头中产生热裂纹。2.冷裂纹焊接接头冷却到较低温度（对于钢来说在Ms温度即马氏体转变温度以下）时产生的焊接裂纹称为冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金高强度结构钢、中碳钢、合金钢的热影响区。根据钢材种类、含氢量、应力状态和结构形式不同，冷裂纹可以分为延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。(1)冷裂纹的特点1）产生的温度和时间。冷裂纹发生在焊接之后，一般温度在相变温度以下的冷却过程中或冷却以后产生，形成冷裂纹的温度为200～300℃，即马氏体转变范围。冷裂纹可以在焊接后立即出现，但也有些可以延迟至几小时、几天、几周甚至一两个月之后，这种冷裂纹又叫延迟裂纹。大的冷裂纹不是一下子就生成的，它的生成规律是先发生几处小的（或显微的）裂纹，然后逐步向长度或深度上发展，几个小裂纹陆续连接起来。对于某些焊接结构，当小裂纹发展到一定程度后，可能在瞬间内迅速扩大，引起结构整体的突然断裂，甚至同时产生较大的声响和机械振动。2）产生的部位。冷裂纹通常产生在母材与焊缝交界的熔合线上，但也有可能产生在焊缝上。根据冷裂纹产生的部位不同，可分为焊道下裂纹、焊趾裂纹、根部裂纹3）外观特点。显露在接头金属表面的冷裂纹断面上没有明显的氧化色彩，所以断口发亮。4）金相结构。冷裂纹一般为穿晶型裂纹，在少数情况下也可能沿晶界发展。(2)冷裂纹产生的原因1)钢的淬硬倾向。冷裂纹主要发生在易淬火钢焊接接头的热影响区中，钢的淬硬倾向主要取决于钢材的化学成分，其次是焊接工艺、结构条件等。钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。当加热温度超过相变温度时，会出现奥氏体晶粒的区域，在焊后冷却较快的条件下，就可能出现马氏体组织。马氏体的硬度高，塑性极差，其晶粒越粗大，则焊接接头的脆性就越严重。淬硬钢焊接接头的熔合线和过热区中的淬火组织都是粗大的马氏体，因此，该区域是整个焊接接头中脆化最严重、抗裂性最差的地方，在应力的作用下最容易发生开裂现象。2)焊缝中氢的作用。焊缝中氢的作用包括母材中的氢和焊缝金属吸收的氢的作用。焊接时，当焊缝冷却速度很快时，随着温度的降低，氢的溶解度也降低，较多的氢析出而聚集在热影响区熔合线附近，形成一个富氢带。如果存在着显微缺陷，如有晶格空位、空穴时，氢原子就在这些部位结合成分子状态的氢，在局部区域造成很大的压力，加上奥氏体组织在转变成马氏体组织时，由于体积膨胀而产生的巨大组织应力，就促使裂纹的形成。3)焊接接头的残余应力。焊接接头的残余应力主要来自于结构刚度，刚度越高，拘束度越大，产生的焊接残余应力也越大。另外，焊接应力还来自于焊接接头内部，即由于温度分布不均匀而造成的温度应力和由于相变（奥氏体转变为马氏体）形成的组织压力。总之，氢、淬硬组织和应力三大要素是导致冷裂纹的主要原因。它们相互影响，相互促进，在不同的情况下，三者中必有一种为主导因素。例如，一般低碳低合金高强度结构钢虽有高的淬硬性，且低碳马氏体组织对氢的敏感性并不十分大，可是当含氢量达到一定数值时，仍能产生裂纹，此时产生冷裂纹的主要原因是氢。对于中碳高强度合金钢，导致冷裂纹的因素主要是淬硬组织，因此，单纯淬硬减少氢的工艺措施是不能避免冷裂纹的，必须充分预热、缓冷、焊后热处理和采取必要的工艺措施，才能避免冷裂纹的产生。(3)防止冷裂纹产生的措施1)减少焊缝的含氢量。采用碱性低氢型焊条或碱性焊剂，焊前必须烘干，对焊件坡口处必须严格清理。2)正确选择焊接工艺参数。要正确选择热输入量，以得到合适的冷却速度，降低淬硬程度，并有利于焊缝金属中氢的逸出和改善应力状态。3)采取焊前预热和焊后热处理。具体措施是：焊前预热、控制层间温度及焊后缓冷或后热，改善接头组织，降低焊接热影响区的硬度和脆性，并加快焊缝中氢的扩散逸出。4)选择合理的装焊顺序。合理的装焊顺序可以改善焊件的应力状态，减缓焊件的冷却速度。二、气孔焊接时，熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔，如图5-28所示。气孔是一种常见的焊接缺陷。根据气孔的分布特点，可分为单个气孔、密集气孔及连续气孔等，气孔按期形状可分为球形、条虫、针状、椭圆及漩涡气孔。最常见的是根据产生原因不同，把气孔分为氢气孔和一氧化碳气孔、氮气孔两大类。气孔是焊接生产常见的一种缺陷，他不仅消弱了焊缝的有效工作截面积，同时也会带来应力集中，降低焊缝金属的强度和塑性。对于动载荷焊件，气孔焊缝的疲劳强度。1.焊缝中气孔的形成气孔的形成一般是经历四个过程：气体的吸收、气体的析出、气泡的长大、气泡的上浮过程。1)气体的吸收过程焊接过程中，熔池周围充满着复杂的气体，这些气体主要源于空气；焊条药皮和焊剂的分解及他们的燃烧产物；焊件上的铁锈、油漆、油脂受热产生的气体。这些气体的分子在电弧的作用下，很快分解成原子状态，并被金属熔滴锁吸附，不断地向液体熔池内部扩撒和溶解，气体以原子的状态溶解到熔池中，温度越高，金属中溶解的气体量越多。2)气体的析出气体的析出是指气体从液体金属内析出并形成气泡。随着焊接过程中熔池金属温度的降低，气体在液体金属中的溶解度也相应减小，因而一部分气体要析出，此时析出的气体极易被吸附在熔池底部成长的柱状晶体的表面上，产生了气泡的核心。3)气泡的长大由于熔池温度的不断降低，析出气体不断被凝固的晶粒所吸附，气泡内部压力大于阻碍气泡长大的外界压力，使气泡不断长大。4)气泡的上浮在气泡长大到一定的尺寸时，开始脱离结晶表面的吸附面而上浮。以上四个过程中，可分析得知焊缝中形成气孔的原因：(1)熔池中溶入大量的气体时形成气孔的原因。(2)当熔池底部出现气泡核逐渐长大到一定程度，如阻碍气泡长大的外界压力大于或等于气泡内压力时，气泡便不再长大，而其尺寸大小不足以是气泡脱体结晶表面的吸附，无法上浮，此时便可能形成气孔。(3)当气泡长大到一定尺寸并开始上浮时，上浮速度小于金属熔池的结晶速度，那么气泡就可能残留在凝固的焊缝金属中，称为气孔。(4)如果在熔池金属中出现过饱和气体状态的温度过低或在焊缝结晶后期才产生气泡，则容易形成气孔。2.影响焊缝中形成气孔的因素(1)不同气体的影响1)一氧化碳的影响--主要来源焊丝金属、药皮、保护气和熔池。主要途径即碳被空气中的氧直接氧化和通过冶金反应生成。一氧化碳气孔，一般沿结晶方向呈长条性，内部椭圆。2)氢的影响--主要来源时焊条药皮或焊剂中存在的水分，焊件表面的锈、油污、水分等以及钢材冶炼时残留的氢。氢气孔一般在表面呈漩涡形，内部呈球形。3)氮—主要来自空气，一般电弧区没保护好，受到空气侵入才会发生4)氧—主要来源是空气和药皮中高价氧化物的分离。适量的氧能减少氢气孔的生成，氧在高温时能与氢原子结合成稳定的化合物(OH),而OH不溶与金属，可见大量的氢原子被氧束缚，从而减少了产生氢气孔的可能。(2)焊接方法1)埋