金屬結構制安焊接缺陷及防止措施

胡 慶

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072)

1 焊接缺陷

金屬結構制安的焊接質量是質量控制的核心,焊接質量與焊工的技能、選用的技術參數及焊接工藝有關,而受作業環境、氣候等影響,在焊接過程中經常會產生一些缺陷。

由于受人、機、料、法、環等因素的影響,焊縫內外會產生不符合標準要求的缺陷。外觀缺陷(表面缺陷)是指不借助于儀器或借助焊縫檢驗尺、放大鏡等,從工件表面可以發現的缺陷。常見的外觀缺陷有咬邊、焊瘤、凹陷及焊接變形、表面氣孔、表面裂紋和單面焊的根部未焊透等。內部缺陷是指:使用儀器進行無損檢測(不損壞被檢查材料或成品的性能和完整性而檢測其缺陷的方法)所檢測到的缺陷。無損檢測主要有:X射線探傷(RT)、超聲波探傷 (UT)、磁粉探傷(MT)、滲透探傷 (PT)等。

缺陷種類:

(1)氣孔:是在焊接過程中,熔池金屬中的氣體在金屬冷卻以前未能來得及逸出,而在焊縫金屬中(內部或表面)所形成的孔穴。焊縫金屬產生的氣孔可分為內部氣孔、表面氣孔和接頭氣孔。

(2)裂紋:在焊接應力及其他致脆因素共同作用下,在焊縫金屬及熱影響區(內部或表面)所形成的縫隙被稱為裂紋。裂紋焊縫中的原子結合遭到破壞,形成新的界面而產生縫隙。裂紋有二種:一是熱裂紋,即焊后高溫時立即產生的裂紋。二是冷裂紋,即焊后在金屬冷卻至室溫時產生的裂紋;而在焊后幾小時或幾天后產生的裂紋被稱為延遲裂紋。

(3)咬邊:由于焊接參數選擇不正確(如焊接電流偏大)或者操作方法不正確,沿著焊趾(熔合線上)的母材部位產生的溝槽或凹陷,是電弧將焊縫邊緣的母材熔化后沒有得到熔敷金屬的充分補充所留下的缺口。咬邊會造成局部應力集中。

(4)未焊透:焊接時,接頭根部未完全熔透的現象。

(5)未熔:熔焊時,焊道與母材之間或焊道與焊道之間,未能完全熔化結合的部分。

(6)飛濺:熔焊過程中,熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現象。

(7)焊瘤:在焊接過程中,熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材上所形成的金屬瘤。

(8)夾渣:焊渣殘留焊縫中,會形成條渣或點渣。

(9)弧坑:焊接收弧時,焊道尾部形成低于焊縫高度的凹陷坑。弧坑內一般存在低熔點共晶物、夾雜物、火口裂紋等缺陷。采用收弧電流(小于焊接電流的 60%)停留在弧坑一定時間,用焊絲或焊條填滿弧坑,能夠防止產生弧坑缺陷。

(10)未焊滿:是指焊縫表面上連續的或斷續低于母材的溝槽。

(11)燒穿:是指焊接過程中,熔深超過工件厚度,熔化金屬自焊縫背面流出形成的穿孔性缺陷。

(12)其他表面缺陷:

①焊縫的幾何尺寸不符合要求。有焊縫超高、表面不光滑、焊縫過寬、焊縫向母材過渡不圓滑等。

②錯邊指兩個工件在厚度方向上錯開一定位置,既可視作焊縫表面缺陷,又可視作裝配成形缺陷。

③塌陷指單面焊時由于輸入熱量過大、熔化金屬過多而使液態金屬向焊縫背面塌落,成形后焊縫背面凸起、正面下塌。

④表面氣孔及弧坑縮孔。

⑤各種焊接變形如角變形、扭曲、波浪變形等都屬于焊接缺陷,0角變形也屬于裝配成形缺陷。

2 焊接缺陷剖析及防止措施

對焊接全過程進行控制,如對焊接工藝評定、焊接人員、焊接機具、焊接材料、焊前準備、施焊過程、焊接檢驗等加強管理,可以提高合格率,減少或避免焊接缺陷。

2.1 氣 孔

焊縫內氣體可能是熔池從外界吸收的,也可能是焊接冶金過程中反應生成的。

(1)氣孔的分類:從形狀上分,有球狀氣孔、條蟲狀氣孔;從數量上可分為單個氣孔和群狀氣孔,群狀氣孔又有均勻分布氣孔、密集狀氣孔和鏈狀分布氣孔。按氣孔內氣體成分分類,有氫氣孔、氮氣孔、二氧化碳氣孔、一氧化碳氣孔、氧氣孔等。熔焊氣孔多為氫氣孔和一氧化碳氣孔。

(2)氣孔的形成機理:常溫固態金屬中氣體的溶解度只有高溫液態金屬中氣體溶解度的幾十分之一至幾百分之一。熔池金屬在凝固過程中有大量的氣體從金屬中逸出來,當凝固速度大于氣體逸出速度時,就形成氣孔。

(3)產生氣孔的主要原因:母材或填充金屬表面有銹、油污等,焊條及焊劑未烘干會增加氣孔量,因為銹、油污及焊條藥皮、焊劑中的水分在高溫下分解為氣體,增加了高溫金屬中氣體的含量。焊接線能量過小、熔池冷卻速度大,不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會增加氧氣孔。母材含 C、S、Si量高,焊接電流過大使焊條后半部藥皮變紅,都容易產生氣孔。

(4)氣孔的危害:氣孔減少了焊縫的有效截面積使焊縫疏松,從而降低了接頭的強度并降低塑性,還會引起泄漏。氣孔也是引起應力集中的因素,氫氣孔還可能促成冷裂紋。

(5)防止氣孔的措施:①清除焊絲、工作坡口及其附近表面的油污、鐵銹、水分和雜物;②采用堿性焊條、焊劑,并徹底烘干;③采用直流反接并用短電弧施焊;④焊前預熱、減緩冷卻速度;⑤按偏強的規范施焊。

2.2 裂 紋

2.2.1 裂紋的分類

2.2.1.1 根據裂紋尺寸大小分

(1)宏觀裂紋:肉眼可見的裂紋;

(2)微觀裂紋:在顯微鏡下才能發現的裂紋;

(3)超顯微裂紋:在高倍顯微鏡下才能發現,一般指晶間裂紋和晶內裂紋。

2.2.1.2 從產生溫度上分

(1)熱裂紋:產生于 Ac3線附近的裂紋。一般是焊接完畢即出現,又稱結晶裂紋。這種裂紋主要發生在晶界,裂紋面上有氧化色彩,失去金屬光澤。

(2)冷裂紋:在焊畢冷至馬氏體轉變溫度 M 3點以下產生的裂紋。一般是在焊后一段時間(幾小時、幾天甚至更長)才出現,故又稱延遲裂紋。

2.2.1.3 按裂紋產生的原因分

(1)再熱裂紋:接頭冷卻后再加熱至 500～700℃時產生的裂紋。再熱裂紋產生于沉淀強化的材料 (如含 Cr、Mo、V、Ti、Nb的金屬)的焊接熱影響區內的粗晶區,一般從熔合線向熱影響區的粗晶區發展,呈晶間開裂特征。

(2)層狀撕裂:主要是由于鋼材在軋制過程中,將硫化物(MnS)、硅酸鹽類等雜質夾在其中,形成各向異性。在焊接應力或外拘束應力的作用下,金屬沿軋制方向的雜物開裂。

(3)應力腐蝕裂紋:在應力和腐蝕介質共同作用下產生的裂紋。除受殘余應力或拘束應力的作用外,應力腐蝕裂紋主要與焊縫組織組成及形態有關。

2.2.2 裂紋的危害

尤其是冷裂紋,帶來的危害是災難性的。世界上的壓力容器及水電站的壓力鋼管事故除極少數是由于設計不合理、選材不當引起的以外,絕大部分是由于裂紋引起的脆性破壞。

2.2.3 熱裂紋(結晶裂紋)

(1)結晶裂紋的形成機理:熱裂紋發生于焊縫金屬凝固的末期,敏感溫度區大致在固相線附近的高溫區。最常見的熱裂紋是結晶裂紋,其生成原因是在焊縫金屬凝固過程中,結晶偏析使雜質生成的低熔點共晶物富集于晶界,形成所謂"液態薄膜",在特定的敏感溫度區(又稱脆性溫度區)間,其強度極小,由于焊縫凝固收縮而受到拉應力,最終開裂形成裂紋。結晶裂紋最常見的情況是沿焊縫中心長度方向開裂,為縱向裂紋;有時也發生在焊縫內部兩個柱狀晶之間,為橫向裂紋。而弧坑裂紋是另一種形態的常見的熱裂紋。

熱裂紋都沿晶界開裂,常發生在雜質較多的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等材料氣焊縫中。

(2)影響結晶裂紋的因素:

①合金元素和雜質的影響碳元素以及硫、磷等雜質元素的增加,會擴大敏感溫度區,使結晶裂紋的產生機會增多;

②冷卻速度增大,一是使結晶偏析加重,二是使結晶溫度區間增大,兩者都會增加結晶裂紋的出現機會;

③結晶應力與拘束應力的影響在脆性溫度區內,金屬的強度極低,焊接應力又使這部分金屬受拉,當拉應力達到一定程度時,就會出現結晶裂紋。

(3)防止結晶裂紋的措施:

①減小硫、磷等有害元素的含量,用含碳量較低的材料焊接;

②加入一定的合金元素,減小柱狀晶和偏析,如鋁、鐵等可以細化晶粒;

③采用熔深較淺的焊縫,改善散熱條件使低熔點物質上浮在焊縫表面而不在焊縫中;

④合理選用焊接規范,并采用預熱和后熱,減小冷卻速度;

⑤采用合理的裝配次序,減小焊接應力。

2.2.4 再熱裂紋

(1)再熱裂紋的特征:

①再熱裂紋產生于焊接熱影響區的過熱粗晶區以及焊后熱處理等再次加熱的過程中;

②再熱裂紋的產生溫度:碳鋼與合金鋼 550～650℃,奧氏體不銹鋼約 300℃;

③再熱裂紋為晶界開裂(沿晶開裂);

④最易產生于沉淀強化的鋼種中;

⑤與焊接殘余應力有關。

(2)再熱裂紋的產生機理:

再熱裂紋的產生機理有多種解釋,其中的兩種解釋如下:

①模型開裂理論:近縫區金屬在高溫熱循環作用下,強化相碳化物(如碳化鐵、碳化鉻、碳化鉬等)沉積在晶內的位錯區上,使晶內強化強度大大高于晶界強化,尤其是當強化相彌散分布在晶粒內時,阻礙晶粒內部的局部調整,又會阻礙晶粒的整體變形,由于應力松弛而帶來的塑性變形主要由晶界金屬來承擔,于是晶界應力集中就會產生裂紋,即所謂的模形開裂。

②通過插銷、沖擊韌度等試驗研究 HQ-80鋼的再熱裂紋傾向,掃描電鏡發現過熱區晶界存在合金元素碳化物,電子能譜檢測碳化物富含 Cr、Mo。

再熱裂紋的機理:高溫過熱——合金元素碳化物固溶,再熱弱化——晶界析出大顆粒狀合金元素碳化物導致晶粒表面的貧 Cr、Mo合金元素層、晶界高溫強度不足。影響再熱裂紋三要素是:生成品界碳化物的 Cr、Mo、C等合金元素,高溫過熱與再熱弱化的熱循環過程,一定的拘束應力。再熱裂紋與再熱脆化的機理相同,兩者同時發生,若通過降低應力防止再熱裂紋但不能防止再熱脆化。采用無缺口插銷進行插銷試驗,弧形斷口證明,再熱裂紋的主要影響因素是過熱區敏化組織。

(3)再熱裂紋的防止:

①注意冶金元素的強化作用及其對再熱裂紋的影響;

②合理預熱或采用后熱,控制冷卻速度;

③降低殘余應力避免應力集中;

④回火處理時盡量避開再熱裂紋的敏感溫度區或縮短在此溫度區內的停留時間。

2.2.5 冷裂紋

(1)冷裂紋的特征:

①產生于較低溫度,且產生于焊后一段時間以后,故又稱延遲裂紋;

②主要產生于熱影響區,也有發生在焊縫區的;

③冷裂紋可能是沿晶開裂,穿晶開裂或兩者混合出現;

④冷裂紋引起的構件破壞是典型的脆斷。

(2)冷裂紋產生機理:

①粹硬組織(馬氏體)減小了金屬的塑性儲備;

②接頭的殘余應力使焊縫受拉;

③接頭內有一定的含氫量。

含氫量和拉應力是冷裂紋(這里指氫致裂紋)產生的兩個重要因素。一般來說,金屬內部原子的排列并非完全有序,而是有許多微觀缺陷。在拉應力的作用下,氫向高應力區(缺陷部位)擴散聚集。當氫聚集到一定濃度時,就會破壞金屬中原子的結合鍵,金屬內就出現一些微觀裂紋。應力不斷作用,氫不斷地聚集,微觀裂紋不斷地擴展,直至發展為宏觀裂紋,最后斷裂。決定冷裂紋的產生與否,有一個臨界的含氫量和一個臨界的應力值,當接頭內氫的濃度小于臨界含氫量,或所受應力小于臨界應力時,不會產生冷裂紋(即延遲時間無限長)。在所有的裂紋中,冷裂紋的危害性最大。

(3)防止冷裂紋的措施:

①采用低氫型堿性焊條、嚴格烘干、在 100～150℃下保存、隨取隨用;

②提高預熱溫度、采用后熱措施,保證層間溫度不小于預熱溫度,選擇合理的焊接規范,避免焊縫中出現洋硬組織;

③選用合理的焊接順序,減少焊接變形和焊接應力;

④焊后及時進行消氫熱處理。

2.3 咬 邊

產生咬邊的主要原因是電弧熱量太高,即電流太大、運條速度太小所造成的。焊條與工件間角度不正確、擺動不合理、電弧過長、焊接次序不合理等都會造成咬邊。直流焊時,電弧的磁偏吹也是產生咬邊的一個原因,在某些焊接位置(立、橫、仰)會加劇咬邊。

咬邊的危害:減小了母材的有效截面積、降低結構的承載能力,還會造成應力集中,發展為裂紋源。

咬邊的防止措施:矯正操作姿勢、選用合理的規范、采用良好的運條方式都有利于消除咬邊。焊角焊縫時,用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬邊。

2.4 未焊透

(1)產生未焊透的原因:

①焊接電流小、熔深淺;

②坡口和間隙尺寸不合理、鈍邊太大;

③磁偏吹影響;

④焊條偏芯度太大;

⑤層間及焊根清理不良。

(2)未焊透的危害:未焊透的危害之一,減少了焊縫的有效截面積,使接頭強度下降;其次,未焊透引起的應力集中所造成的危害,比強度下降的危害大得多。未焊透嚴重降低了焊縫的疲勞強度。未焊透可能成為裂紋源,是造成焊縫破壞的重要原因。

(3)未焊透的防止:使用較大電流來焊接是防止未焊透的基本方法。另外,焊角焊縫時,用交流代替直流以防止磁偏吹;合理設計坡口并加強清理,用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的產生。

2.5 未熔合

按所在部位,未熔合可分為坡口未熔合、層間未熔合和根部未熔合三種。

(1)產生未熔合缺陷的原因:

①焊接電流過小;

②焊接速度過快;

③焊條角度不對;

④產生了弧偏吹現象;

⑤焊接處于下坡焊位置,母材未熔化時已被鐵水覆蓋;

⑥母材表面有污物或氧化物,影響熔敷金屬與母材間的熔化結合等。

(2)未熔合的危害:未熔合是一種面積型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合對承載截面積的減小都非常明顯,應力集中也較嚴重,其危害性僅次于裂紋。

(3)未熔合的防止:采用較大的焊接電流,正確進行施焊操作,注意坡口部位的清潔。

2.6 飛 濺

飛濺和焊接技術參數有關。焊條電流偏大,飛濺較多,飛濺影響焊接的外觀質量,但不影響其內部質量和強度。選擇合適的焊接電流,并且焊后用角向磨光機及電動鋼絲輪刷清除即可,但清除過程中不能傷及母材和焊縫。

2.7 焊 瘤

(1)所用規范過強、焊條熔化過快、焊條質量欠佳(如偏芯)、焊接電源特性不穩定及操作姿勢不當等都易帶來焊瘤。在橫、立、仰位置更易形成焊瘤。

焊瘤常伴有未熔合、夾渣缺陷,易導致裂紋。焊瘤改變了焊縫的實際尺寸,會帶來應力集中。管子內部的焊瘤使管內徑減小,可能造成流動物堵塞。

(2)防止焊瘤的措施:使焊縫處于平焊位置,正確選用規范,選用無偏芯焊條,合理操作。

2.8 夾 渣

(1)夾渣的分類:

①金屬夾渣:指鎢、銅等金屬顆粒殘留在焊縫中,習慣上稱為夾鎢、夾銅;

②非金屬夾渣:指未熔的焊條藥皮或焊劑、硫化物、氧化物、氮化物殘留于焊縫之中。冶金反應不完全,脫渣性不好。

(2)夾渣的分布與形狀:有單個點狀夾渣、條狀夾渣、鏈狀夾渣和密集夾渣。

(3)夾渣產生的原因:

①坡口尺寸不合理;

②坡口有污物;

③多層焊時,層間清渣不徹底;

④焊接線能量小;

⑤焊縫散熱太快,液態金屬凝固過快;

⑥焊條藥皮、焊劑化學成分不合理,熔點過高;

⑦進行鎢極惰性氣體保護焊時,電源極性不當,電流密度大,鎢極熔化脫落于熔池中;

⑧手工焊時,焊條擺動不良,不利于熔渣上浮。可根據以上原因分別采取對應措施防止夾渣的產生。

(4)夾渣的危害:點狀夾渣的危害與氣孔相似,帶有尖角的夾渣會產生尖端應力集中,尖端還會發展為裂紋源,危害較大。

2.9 弧坑(凹坑)

凹坑多是由于收弧時焊條(焊絲)未作短時間停留造成的(此時的凹坑稱為弧坑)。仰、立、橫焊時,常在焊縫背面根部產生內凹。凹坑減小了焊縫的有效截面積,弧坑常帶有弧坑裂紋和弧坑縮孔。

防止凹坑的措施:選用有電流衰減系統的焊機,盡量選用平焊位置,選用合適的焊接規范,收弧時讓焊條在熔池內短時間停留或環形擺動,填滿弧坑。

2.10 未焊滿

填充金屬不足是產生未焊滿的根本原因。所用規范太弱、焊條過細、運條不當等也會導致未焊滿。未焊滿同樣削弱了焊縫,容易產生應力集中;同時,因所選規范太弱使冷卻速度增大,容易帶來氣孔、裂紋等。

防止措施:加大焊接電流,加焊蓋面焊縫。

2.11 燒 穿

焊接電流過大、速度太慢、電弧在焊縫處停留過久,都會產生燒穿缺陷;工件間隙太大、鈍邊太小也容易出現燒穿現象。

燒穿是鍋爐壓力容器、壓力鋼管不允許存在的缺陷,它完全破壞了焊縫,使接頭喪失其聯接及承載能力。

防止措施:選用較小電流并配合合適的焊接速度、減小裝配間隙、在焊縫背面加設墊板或藥墊、使用脈沖焊,能有效地防止燒穿。

2.12 有害氣體

在焊接過程中氫、氧、氮三種有害氣體會對焊接接頭產生很大危害;尤其是“氫”,會產生氫氣孔、氫白點、氫脆、氫致裂紋(延遲裂紋)等危害。

減少焊縫金屬中含氫量的常用措施:

(1)消除焊件和焊材表面的鐵銹、雜質和油污;

(2)對焊絲、焊劑和焊條進行烘焙,保持干燥;

(3)在焊條藥皮和焊劑中加入適量的氟石(CaF2)、硅砂(SiO2),具有較好的去氫效果;

(4)采用低氫型、超低氫型焊條和堿性焊條;

(5)在焊接低合金鋼對接焊縫時,為防止焊接時吸入空氣及潮濕,可在背面先用手工焊封底,正面用碳刨刨槽焊接,再翻身將原先的封底刨去,正式封底焊,這樣可防止底部吸入空氣。

3 結束語

焊接質量是金屬結構制作安裝工作的重中之重,防止焊接缺陷的產生和有效控制焊接質量,除應保證施焊焊工的技能、資質,確定恰當的技術參數及焊接工藝、選擇適宜作業環境、氣候以外,更關鍵的是確保施工管理者的施工經驗及責任心,當然也包括監理工程師的工程經驗、業務水平及責任感。

焊接缺陷可謂多種多樣,上面通過對各類缺陷成因的分析及防止措施的論述,以期對施工單位焊工的技能保障、技術參數的選用、焊接工藝的控制及作業環境、氣候因素等影響的充分考慮,起到一定的指導作用及監督作用。

[1]中國力學工程學會焊接學會.焊接手冊第一卷,焊接方法及設備[M].北京:北京力學工業出版社,1995.

[2]中國力學工程學會焊接學會.焊接手冊第二卷,材料的焊接[M].北京:北京力學工業出版社,1995.

[3]管道焊接技術[M].北京:化學工業出版社,2005.