第七章缺陷的种类及产生的原因

第7章缺陷的种类及产生的原因目录7.1钢焊缝中常见缺陷及产生原因7.2铸件中常见缺陷及产生原因7.3锻件中常见缺陷及产生原因7.4轧件中常见缺陷及产生原因7.5使用中常见缺陷及产生原因承压类特种设备无损检测相关知识薛振林陆志春7.1钢焊缝中常见缺陷及产生原因缺欠与缺陷按GB6417.1-2005，焊接接头中因焊接产生的金属不连续、不致密或连接不良现象称为缺欠，而超过规定的缺欠称为缺陷。7.1.1外观缺陷（形状缺陷）外观缺陷（表面缺陷）是指不用借助于仪器，从工件表面肉眼可以发现的缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等，有时还有表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透也位于焊缝表面。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷1、咬边1）定义：沿焊趾的母材被电弧熔化时所形成的沟槽或凹陷。它是由于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。常见咬边形式示意图接管咬边实例焊缝咬边X片影像薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2）产生原因：（1）电弧热量太高，即电流太大（2）运条速度太小而造成的（3）焊条与工件间角度不正确，摆动不合理（4）电弧过长，焊接次序不合理等（5）直流焊时电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因（6）某些焊接位置（立、横、仰）会加剧咬边。3）危害性：（1）咬边减小了母材的有效截面积，降低结构的承载能力（2）同时还会造成应力集中，发展为裂纹源。4）预防措施：（1）选用合理的规范，（2）采用正确的运条方式都有利于消除咬边。（3）焊角焊缝时，用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬边。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2、焊瘤1）定义：焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出，冷却后形成未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。焊瘤示意图焊缝焊瘤焊瘤X片影像薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2）产生原因：（1）焊接规范过强、焊条熔化过快、焊条质量欠佳（如偏芯）。（2）焊接电源特性不稳定及操作姿势不当等都容易带来焊瘤。在横、立、仰位置更易形成焊瘤。3）危害性：（1）焊瘤常伴有未熔合、夹渣缺陷。（2）此外焊瘤改变了焊缝的实际尺寸，会带来应力集中。（3）管子内部的焊瘤减小了内径，可能造成堵塞。4）预防措施：（1）使焊缝处于平焊位置，正确选用规范。（2）选用无偏芯焊条，合理操作。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷3、凹坑1）定义：凹坑指焊缝表面或背面局部的低于母材的部分。凹坑示意图焊缝凹坑实例凹坑X片影像薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2）产生原因：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。3）危害性：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。4）预防措施：（1）施焊时尽量选用平焊位置，选用合适的焊接规范，（2）收弧时让焊条在熔池内短时间停留或环形摆动，填满弧坑。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷4、未焊满1）定义：未焊满是指焊缝表面上连续的或断续的沟槽未焊满示意图焊缝未焊满实例未焊满X片影像薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2）产生原因：填充金属不足是产生未焊满的根本原因。规范太弱，焊条过细，运条不当等均会导致未焊满。3）危害性：未焊满同样减小了焊缝的有效截面积，削弱了焊缝，也会产生应力集中。同时，由于规范太弱使冷却速度增大，容易产生气孔、裂纹等缺陷。4）预防措施：加大焊接电流，加焊盖面焊缝。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷5、烧穿1）定义：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，形成穿孔性缺陷。烧穿示意图焊缝烧穿实例接管烧穿X影像薛振林陆志春7.1.1外观缺陷2）产生原因：（1）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。（2）工件间隙太大，钝边太小也容易出现烧穿现象。3）危害性：烧穿是锅炉压力容器压力管道产品上不允许存在的缺陷，它破坏了焊缝，使接头丧失联接及承载能力。4）预防措施：（1）选用较小电流和合适的焊接速度。（2）减小装配间隙，在焊缝背面加设垫板或药垫。（3）使用脉冲焊，能有效地防止烧穿。薛振林陆志春7.1.1外观缺陷6、其他表面缺陷焊缝超高表面粗糙错边塌陷表面气孔弧坑缩孔薛振林陆志春7.1.2气孔1、定义：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。2、气孔的分类：从形态分有球状、针孔、柱孔、条虫状；从分布状态有均匀分布状、密集群状和链状之分；按孔内成分有氮气孔、氢气孔、二氧化碳和一氧化碳气孔。球状气孔群状均匀分布气孔条虫状气孔密集气孔链状气孔薛振林陆志春典型气孔金相照片薛振林陆志春气孔的X影像链状气孔球状气孔条虫状气孔均匀群状气孔密集状气孔群状气孔薛振林陆志春7.1.2气孔3、形成机理：熔池金属在凝固过程中，有大量的气体要从金属中逸出来，当金属凝固速度大于气体逸出速度，就会形成气孔。4、产生气孔的主要原因：1）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。2）焊接线能量过小，熔池冷却速度大，不利于气体逸出。3）焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。薛振林陆志春7.1.2气孔5、气孔的危害性：气孔减少了焊缝的有效截面积，使焊缝疏松，从面降低了接头的强度，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。6、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、焊剂时，要彻底烘干。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用偏强的规范施焊。薛振林陆志春7.1.3夹渣1、定义：指焊后残留在焊缝中的熔渣。2、分类：按渣的成分可分为金属夹渣（如钨夹渣、铜夹渣）和非金属夹渣（如药皮焊剂形成的熔渣、金属非金属夹杂偏析引起的夹杂等）；按形状可分为点块状和条状；按分布可分为单个点或条状、密集点块状和链状。点状夹渣条状夹渣密集点状夹渣链状夹渣薛振林陆志春典型夹渣金相照片薛振林陆志春夹渣的X影像条状夹渣链状夹渣密集点状夹渣薛振林陆志春7.1.3夹渣3、形成机理：熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度，当熔化金属凝固时，熔渣未能及时浮出熔池而形成。4、产生原因：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，冶金反应不完全，脱渣性不好；⑦钨极性气体保护焊时，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，焊条摆动不正确，不利于熔渣上浮。可根据以上原因分别采取对应措施以防止夹渣的产生。5、危害性：点状与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生应力集中，其尖端还会发展为裂纹源，其危害远比气孔严重。薛振林陆志春7.1.4裂纹1、定义：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部部位的金属原子结合力遭到破坏而形成新的界面所产生的缝隙称之裂纹。2、裂纹的分类①按尺寸大小可分为宏观裂纹、微观裂纹和超显微裂纹（指晶间或晶内裂纹）。宏观裂纹微观裂纹超显微裂纹薛振林陆志春7.1.4裂纹②根据裂纹延伸方向，可分为：纵向裂纹（与焊缝平行）；横向裂纹（与焊缝垂直）；辐射状裂纹等。辐射状裂纹纵向裂纹横向裂纹薛振林陆志春7.1.4裂纹③根据裂纹发生部位，可分为：焊缝裂纹；热影响区裂纹；熔合区裂纹；焊趾裂纹；焊道下裂纹；弧坑裂纹等。弧坑裂纹熔合区裂纹热影响区裂纹薛振林陆志春7.1.4裂纹④按产生的条件和时机不同可分为:热裂纹（产生于Ac3线附近的裂纹）结晶裂纹冷裂纹（产生于马氏体转变温度M3点200-300℃以下的裂纹）延迟裂纹再热裂纹（接头冷却后再加热至550～650℃时产生的裂纹）层状撕裂（金属中杂质偏析在施焊过程中在焊接应力或外拘束应力作用下沿金属轧制方向开裂应力腐蚀裂纹（在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹）薛振林陆志春7.1.4裂纹3、裂纹形成的原因：一是冶金因素，冶金因素是指由于焊缝产生不同程度的物理与化学状态的不均匀。此外，在热影响区金属中，快速加热和冷却使金属中的空位浓度增加，同时由于材料的淬硬倾向降低了材料的抗裂性能。二是力学因素是指由于快热快冷产生了不均匀的组织区域，造成焊接接头金属处于复杂的应力—应变状态。内在的热应力、组织应力、外加的拘束应力以及应力集中相叠加构成了导致接头金属开裂的力学条件。4、危害性：（1）裂纹是焊接缺陷中危害性最大的一种。裂纹是一种面积型缺陷，它的出现将显著减少承载面积。（2）更严重的是裂纹端部形成尖锐缺口，应力高度集中，很容易扩展导致破坏。（3）冷裂纹因为其延迟特性和快速脆断特性，带来的危害往往是灾难性的。世界上的锅炉压力容器压力管道事故绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。薛振林陆志春7.1.4裂纹5、典型裂纹特征分析①热裂纹（结晶裂纹）A.形成机理：焊缝金属在凝固过程中（即在固相线附近的高温区内），结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界，形成“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，在焊缝金属凝固收缩而受到的拉应力作用下，最终开裂形成裂纹。如纵向裂纹、枝晶状横向裂纹和弧坑裂纹。B.影响因素：一是碳元素及有害杂质S、P的含量，随其增加而产生机率增大；二是随着冷却速度加快而增大；三是随着外加拘束应力增大而增大。C.防止措施：1、减小S、P等有害元素的含量，用含碳量较低的、并加入一定的合金元素（Mo、V、Ti、Nb等以减小柱状晶和偏析）的焊材焊接；2、采用合理的焊接工艺和焊接规范，如采用稍大的线能量（熔深较小、多层多道），并改善散热条件，确保低熔点物质全部浮出焊缝金属；采用预热后热处理，减小冷却速度，以减小焊接应力。热裂纹纵向裂纹晶枝状裂纹弧坑裂纹典型热裂纹X影像薛振林陆志春7.1.4裂纹②冷裂纹A.特征：产生于较低温度，且大多数在焊后一段时间之后出现在焊热影响区或焊缝上，并沿晶或穿晶、或是两者共存的开裂，又称延迟裂纹。B.产生机理：这是因热影响区或焊缝局部存在淬硬组织（马氏体）减小了金属的塑性储备，或是接头内有一定的含氢量，且接头有较大焊接残余应力使接头处于较大的拉应力状态之下，淬硬组织会开裂，氢会发生氢致效应而产生裂纹。C.防止措施：采用低氢碱性焊条，及时后热消氢处理，以减小含氢量；选择合理的焊接规范，提高预热温度，减慢冷却速度，防止出现淬硬组织；选择科学的焊接工艺，采用合理的装配，焊接顺序，以减小焊接变形和焊接应力。薛振林陆志春冷裂纹X影像薛振林陆志春7.1.4裂纹③再热裂纹A.特征：再热裂纹是在焊后的热处理等再次加热（其加热温度：碳钢与合金钢是550～650℃，奥氏体不锈钢约是300℃）的过程中，主要发生在热影响区的过热粗晶区，在焊接残余应力作用下沿晶界开裂，沉淀强化的钢种最易产生再热裂纹。B.产生机理：楔形开裂理论，近缝区金属在高温热循环作用下，强化相碳化物（如碳化铬等）沉积于晶内的位错区上，使晶内强化强度大大高于晶界强化强度，尤其是强化相弥散分布在晶粒内时，会阻碍晶粒内部调整，又会阻碍晶粒内部的整体变形。这样，由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担，于是晶界区金属会产生滑移，且在三晶粒交界处产生应力集中而导致沿晶开裂。C.防止措施：热处理工艺应尽量避开再热裂纹的敏感温度或缩短在此温度区停留时间，改善合金元素的强化作用和对再热裂纹的影响；采用适当的焊前预热和焊后的后热处理，控制冷却速度，以降低焊接残余应力；避免应力集中。薛振林陆志春7.1.5未焊透1、定义：焊接时，接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头根部所形成的缺陷称之。未焊透示意图薛振林陆志春7.1.5未焊透2、产生原因：焊接电流小、熔深浅；坡口和间隙尺寸不合理，间隙小或坡口尺寸大；焊