第4章 焊接缺陷及其控制

第4章焊接缺陷及其控制第4章焊接缺陷及其控制缺陷种类气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合咬边、焊瘤、、凹坑、未焊满、未焊透、未熔合、烧穿、弧坑缩孔、电弧擦伤、其他表面缺陷4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1.1偏析4.1.2夹杂的形成及控制夹杂分为非金属夹杂和金属夹杂两大类。.金属夹渣:指钨、铜等金属颗粒残留在焊缝之中,习惯上称为夹钨、夹铜。b.非金属夹渣:指未熔的焊条药皮或焊剂、硫化物、氧化物、氮化物残留于焊缝之中。1、夹杂的形成（1）夹渣形成原因夹渣是指焊后溶渣残存在焊缝中的现象。1）由操作原因引：起如多道焊层间渣未清理干净；2）坡口设计不当；3）焊接规范不当4）熔渣粘度过高、质量密度大。（2）反应生成新相氧化物、氮化物，弥散分布于焊缝中。冶金反应不完全,脱渣性不好。（3）异种金属进入熔池TIG焊电流过大，电弧过短。2、危害影响力学性能：硬度↗塑性及韧性↘。3、防止（1）合理选焊材；（2）合适的焊接工艺规范（3）多道焊层间时清理干净熔渣；（4）适当摆动焊条（5）保护好熔池，防止空气进入。4.2焊缝中的气孔气孔是指焊接时,熔池中的气体未在金属凝固前逸出,残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的,也可能是焊接冶金过程中反应生成的。气孔分类从其形状上分：球状气孔、条虫状气孔；从数量上可分为：单个气孔和群状气孔；群状气孔又有均匀分布气孔,密集状气孔和链状分布气孔之分；按气孔内气体成分分类：氢气孔、氮气孔、二氧化碳气孔、一氧化碳气孔、氧气孔等。熔焊气孔多为氢气孔和一氧化碳气孔。按气孔生成机理不同分：析出型气孔、反应型气孔。••3、裂纹焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。•A、.裂纹的分类•根据裂纹尺寸大小,分为三类1)宏观裂纹:肉眼可见的裂纹。(2)微观裂纹:在显微镜下才能发现。(3)超显微裂纹:在高倍数显微镜下才能发现,一般指晶间裂纹和晶内裂纹。•从产生温度上看,裂纹分为两类:•(1)热裂纹:产生于Ac3线附近的裂纹。一般是焊接完毕即出现,又称结晶裂纹。这种二裂纹主要发生在晶界,裂纹面上有氧化色彩,失去金属光泽。•(2)冷裂纹:指在焊毕冷至马氏体转变温度M3点以下产生的裂纹,一般是在焊后一段时间(几小时,几天甚至更长)才出现,故又称延迟裂纹。•按裂纹产生的原因分,又可把裂纹分为:(1)再热裂纹:接头冷却后再加热至500~700℃时产生的裂纹。再热裂纹产生于沉淀强化的材料(如含Cr、Mo、V、Ti、Nb的金属)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。•(3)层状撕裂主要是由于钢材在轧制过程中,将硫化物(MnS)、硅酸盐类等杂质夹在其中,形成各向异性。在焊接应力或外拘束应力的使用下,金属沿轧制方向的杂物开裂。•(4)应力腐蚀裂纹:在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹。除残余应力或拘束应力的因素外,应力腐蚀裂纹主要与焊缝组织组成及形态有关。•B、.裂纹的危害裂纹,尤其是冷裂纹,带来的危害是灾难性的。世界上的压力容器事故除极少数是由于设计不合理,选材不当的原因引起的以外,绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。•C、.热裂纹(结晶裂纹)•(1)结晶裂纹的形成机理热裂纹发生于焊缝金属凝固末期,敏感温度区大致在固相线附近的高温区,最常见的热裂纹是结晶裂纹,其生成原因是在焊缝金属凝固过程中,结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界,形成所谓\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,由于焊缝凝固收缩而受到拉应力,最终开裂形成裂纹。结晶裂纹最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,为纵向裂纹,有时也发生在焊缝内部两个柱状晶之间,为横向裂纹。弧坑裂纹是另一种形态的,常见的热裂纹。•热裂纹都是沿晶界开裂,通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料气焊缝中•(2)影响结晶裂纹的因素•a合金元素和杂质的影响碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加,会扩大敏感温度区,使结晶裂纹的产生机会增多。•b.冷却速度的影响冷却速度增大,一是使结晶偏析加重,二是使结晶温度区间增大,两者都会增加结晶裂纹的出现机会；•c.结晶应力与拘束应力的影响在脆性温度区内,金属的强度极低,焊接应力又使这飞部分金属受拉,当拉应力达到一定程度时,就会出现结晶裂纹。•(3)防止结晶裂纹的措施a.减小硫、磷等有害元素的含量,用含碳量较低的材料焊接。b.加入一定的合金元素,减小柱状晶和偏析。如铝、锐、铁、镜等可以细化晶粒。,c.采用熔深较浅的焊缝,改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不存在于焊缝中。d.合理选用焊接规范,并采用预热和后热,减小冷却速度。e.采用合理的装配次序,减小焊接应力。•D、.再热裂纹•(1)再热裂纹的特征•a.再热裂纹产生于焊接热影响区的过热粗晶区。产生于焊后热处理等再次加热的过程中。•b.再热裂纹的产生温度:碳钢与合金钢550~650℃奥氏体不锈钢约300℃•c.再热裂纹为晶界开裂(沿晶开裂)。•d.最易产生于沉淀强化的钢种中。•e.与焊接残余应力有关。•(2)再热裂纹的产生机理•a.再热裂纹的产生机理有多种解释,其中模形开裂理论的解释如下:近缝区金属在高温热循环作用下,强化相碳化物(如碳化铁、碳化饥、碳化镜、碳化错等)沉积在晶内的位错区上,使晶内强化强度大大高于晶界强化,尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时,阻碍晶粒内部的局部调整,又会阻碍晶粒的整体变形,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,晶界应力集中,就会产生裂纹,即所谓的模形开裂。•(3)再热裂纹的防止a.注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响。b.合理预热或采用后热,控制冷却速度。c.降低残余应力避免应力集中。d.回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区或缩短在此温度区内的停留时间。•E、.冷裂纹.•(1)冷裂纹的特征a.产生于较低温度,且产生于焊后一段时间以后,故又称延迟裂纹。b.主要产生于热影响区,也有发生在焊缝区的。c.冷裂纹可能是沿晶开裂,穿晶开裂或两者混合出现。d.冷裂纹引起的构件破坏是典型的脆断。•(2)冷裂纹产生机理a.瘁硬组织(马氏体)减小了金属的塑性储备。b.接头的残余应力使焊缝受拉。c.接头内有一定的含氢量。•含氢量和拉应力是冷裂纹(这里指氢致裂纹)产生的两个重要因素。一般来说,金属内部原子的排列并非完全有序的,而是有许多微观缺陷。在拉应力的作用下,氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,金属内就出现一些微观裂纹。应力不断作用,氢不断地聚集,微观裂纹不断地扩展,直致发展为宏观裂纹,最后断裂。决定冷裂纹的产生与否,有一个临界的含氢量和一个临界的应力值o当接头内氢的浓度小于临界含氢量,或所受应力小于临界应力时,将不会产生冷裂纹(即延迟时间无限长)。在所有的裂纹中,冷裂纹的危害性最大。•(3)防止冷裂纹的措施a.采用低氢型碱性焊条,严格烘干,在100~150℃下保存,随取随用。b.提高预热温度,采用后热措施,并保证层间温度不小于预热温度,选择合理的焊接规范,避免焊缝中出现洋硬组织c.选用合理的焊接顺序,减少焊接变形和焊接应力d.焊后及时进行消氢热处理。•(2)再热裂纹的产生机理•a.再热裂纹的产生机理有多种解释,其中模形开裂理论的解释如下:近缝区金属在高温热循环作用下,强化相碳化物(如碳化铁、碳化饥、碳化镜、碳化错等)沉积在晶内的位错区上,使晶内强化强度大大高于晶界强化,尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时,阻碍晶粒内部的局部调整,又会阻碍晶粒的整体变形,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,晶界应力集中,就会产生裂纹,即所谓的模形开裂。•(3)再热裂纹的防止a.注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响。b.合理预热或采用后热,控制冷却速度。c.降低残余应力避免应力集中。d.回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区或缩短在此温度区内的停留时间。•E、.冷裂纹.•(1)冷裂纹的特征a.产生于较低温度,且产生于焊后一段时间以后,故又称延迟裂纹。b.主要产生于热影响区,也有发生在焊缝区的。c.冷裂纹可能是沿晶开裂,穿晶开裂或两者混合出现。d.冷裂纹引起的构件破坏是典型的脆断。•(2)冷裂纹产生机理a.瘁硬组织(马氏体)减小了金属的塑性储备。b.接头的残余应力使焊缝受拉。c.接头内有一定的含氢量。•含氢量和拉应力是冷裂纹(这里指氢致裂纹)产生的两个重要因素。一般来说,金属内部原子的排列并非完全有序的,而是有许多微观缺陷。在拉应力的作用下,氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,金属内就出现一些微观裂纹。应力不断作用,氢不断地聚集,微观裂纹不断地扩展,直致发展为宏观裂纹,最后断裂。决定冷裂纹的产生与否,有一个临界的含氢量和一个临界的应力值o当接头内氢的浓度小于临界含氢量,或所受应力小于临界应力时,将不会产生冷裂纹(即延迟时间无限长)。在所有的裂纹中,冷裂纹的危害性最大。•(3)防止冷裂纹的措施a.采用低氢型碱性焊条,严格烘干,在100~150℃下保存,随取随用。b.提高预热温度,采用后热措施,并保证层间温度不小于预热温度,选择合理的焊接规范,避免焊缝中出现洋硬组织c.选用合理的焊接顺序,减少焊接变形和焊接应力d.焊后及时进行消氢热处理。•4、未焊透未焊透指母材金属未熔化,焊缝金属没有进人,接头根部的现象。•A、产生未焊透的原因(1)焊接电流小,熔深浅。(2)坡口和间隙尺寸不合理,钝边太大。(3)磁偏吹影响。(4)焊条偏芯度太大(5)层间及焊根清理不良。•B、.未焊透的危害未焊透的危害之一是减少了焊缝的有效截面积,使接头强度下降。其次,未焊透焊透引起的应力集中所造成的危害,比强度下降的危害大得多。未焊透严重降低焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源,是造成焊缝破坏的重要原因。未焊透引起的应力集中所造成的危害,比强度下降的危害大得多。未焊透严重降低焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源,是造成焊缝破坏的重要原因。•C、未焊透的防止使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。另外,焊角焊缝时,1用交流代替直流以防止磁偏吹,合理设计坡口并加强清理,用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。•5、未熔合未熔合是指焊缝金属与母材金属,或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。按其所在部位,未熔合可分为坡口未熔合,层间未熔合根部未熔合三种。•A、.产生未熔合缺陷的原因(1)焊接电流过小;(2)焊接速度过快;(3)焊条角度不对;(4)产生了弧偏吹现象;旺,(5)焊接处于下坡焊位置,母材未熔化时已被铁水覆盖;(6)母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材间的熔化结合等。•B、未熔合的危害未熔合是一种面积型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显,应力集中也比较严重,其危害性仅次于裂纹。•C、.未熔合的防止采用较大的焊接电流,正确地进行施焊操作,注意坡口部位的清洁。•6、其他缺陷•(1)焊缝化学成分或组织成分不符合要求:焊材与母材匹配不当,或焊接过程中元素烧损等原因,容易使焊缝金属的化学成份发生变化,或造成焊缝组织不符合要求。这可能带来焊缝的力学性能的下降,还会影响接头的耐蚀性能。•(2)过热和过烧:若焊接规范使用不当,热影响区长时间在高温下停留,会使晶粒变得粗大,即出现过热组织。若温度进一步升高,停留时间加长,可能使晶界发生氧化或局部熔化,出现过烧组织。过热可通过热处理来消除,而过烧是不可逆转的缺陷。•(3)白点:在焊缝金属的拉断面上出现的象鱼目状的白色斑,即为自点F白点是由于氢聚集而造成的,危害极大。[1]••单道焊接的热循环特性•(2)焊接时温度很快地升高到峰值温度([max]。而高温停留时间很短,例如在[c3]（见铁碳平衡图）以上只有几秒到十几秒钟。冷却速度相当大，往往会引起淬火决定了焊缝凝固时冷却速度极高，在4～100℃/s范围内，比一般的铸锭的冷速高出约104倍，所以极易产生淬硬组织，甚至冷裂纹。•(3)熔池过热温度梯度大熔池中部处于热源中心呈过热状态，一般可达2300℃；