焊接裂紋,按照產生的機理可分為:冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂裂紋幾大類。
冷裂紋是在焊接過程中或焊后,在較低的溫度下,大約在鋼的馬氏體轉變溫度(即Ms點)附近,或300~200℃以下(或T<0.5Tm,Tm為以絕對溫度表示的熔點溫度)的溫度區間產生的,故稱冷裂紋。
冷裂紋又可分為:延遲裂紋、淬火裂紋和低塑性脆化裂紋。延遲裂紋,也稱氫致裂紋,可以延至焊后幾小時、幾天、幾周甚至更長的時間再發生,會造成預料不到的重大事故,所以具有重大的危險性。
產生的條件:
①焊接接頭形成淬硬組織。由于鋼的淬硬傾向較大,冷卻過程中產生大量的脆、硬,而且體積很大的馬氏體,形成很大的內應力。接頭的硬化傾向:碳的影響是關鍵,含碳和鉻量越多、板越厚、截面積越大、熱輸入量越小,硬化越嚴重。
②鋼材及焊縫中含擴散氫較多,氫原子在缺陷處(空穴、錯位)聚積(濃集)形成氫分子,氫分子體積較氫原子大,不能繼續擴散,不斷聚積,產生巨大的氫分子壓力,甚至會達到幾萬個大氣壓,使焊接接頭開裂。許多情況下,氫是誘發冷裂紋最活躍的因素。
③焊接拉應力及拘束應力較大(或應力集中)超過接頭的強度極限時產生開裂。
產生的原因:
可分為選材和焊接工藝兩個方面。
①選材方面:
a、母材與焊材選擇匹配不當,造成懸殊的強度差異;
b、材料中含碳、鉻、鉬、釩、硼等元素過高,鋼的淬硬敏感性增加。
②焊接工藝方面:
a、焊條沒有充分烘干,藥皮中存在著水分(游離水和結晶水);焊材及母材坡口上有油、銹、水、漆等;環境濕度過大(>90%);有雨、雪污染坡口。以上的水分及有機物,在焊接電弧的作用下分解產生H,使焊縫中溶入過飽和的氫。
b、環境溫度太低;焊接速度太快;焊接線能量太少。會使接頭區域冷卻過快,造成很大的內應力。
c、焊接結構不當,產生很大的拘束應力。
d、點焊處已產生裂紋,焊接時沒有鏟除掉;咬邊等應力集中處引起焊趾裂紋;未焊透等應力集中處引起焊根裂紋;夾渣等應力集中處引起焊縫中裂紋。
預防方法:
可以從選材和焊接工藝兩個方面著手。
①正確地選材。
選用堿性低氫型焊條和焊劑,減少焊縫金屬中擴散氫的含量;搞好母材和焊材的選擇匹配;在技術條件許可的前提下,可選用韌性好的材料(如低一個強度等級的焊材),或施行“軟”蓋面,以減小表面殘余應力;必要時,在制造前對母材和焊材進行化學分析、機械性能及可焊性、裂紋敏感性試驗。
②焊接工藝方面。
a、嚴格地按照試驗得出的正確工藝規范進行焊接操作。主要包括:嚴格地按規范進行焊條烘干;選擇合適的焊接規范及線能量,合理的電流、電壓、焊接速度、層間溫度及正確的焊接順序;對點焊進行檢查處理;搞好雙面焊的清根等;仔細清理坡口和焊絲,除去油、銹和水分。
b、選擇合理的焊接結構,避免拘束應力過大;正確的坡口形式和焊接順序;降低焊接殘余應力的峰值。
c、焊前預熱、焊后緩冷、控制層間溫度和焊后熱處理,是可焊性較差的高強度鋼和不可避免的高拘束結構形式,防止冷裂紋行之有效的方法。預熱和緩冷可減緩冷卻速度(延長△t 800~500℃停留時間),改善接頭的組織狀態,降低淬硬傾向,減少組織應力;焊后熱處理可消除焊接殘余應力,減少焊縫中擴散氫的含量。在多數情況下,消除應力熱處理應在焊后立即進行。
d、焊后立即錘擊,使殘余應力分散,避免造成高應力區,是局部補焊時防止冷裂紋行之有效的方法之一。
e、在焊縫根部和應力比較集中的焊縫表面,(熱影響區受到的拘束應力較低),采用強度級別較低的焊條,往往在高拘束度下取得良好的效果。
f、采用惰性氣體保護焊,能最大地控制焊縫含氫量,降低冷裂紋敏感性,所以,應大力推廣TIG、MIG焊接。
(二)層狀撕裂
層狀撕裂是冷裂紋的一種特殊形式。主要是由于鋼板內存在著分層(沿軋制方向)的夾雜物(特別是硫化物),在焊接時產生的垂直于軋制方向(板厚方向)的拉伸應力作用下,在鋼板中熱影響區或稍遠的地方,產生“臺階”式,與母材軋制表面平行的層狀開裂。產生在T字型、K字型厚板的角焊接接頭中。
提高鋼板質量,減少鋼材中層狀夾雜物,從結構設計和焊接工藝方面采取措施,減少板厚方向的焊接拉伸應力,可防止層狀撕裂。厚板焊接前,進行板材的超聲波和坡口滲透探傷,檢查分層夾雜物情況,如有層狀夾雜物存在,可設法避開或事先修、磨處理。
(三)熱裂紋
熱裂紋是在高溫下產生的,從凝固溫度范圍至A3以上溫度,所以稱熱裂紋,又稱高溫裂紋。
如果材料中存在著較多的低熔點共晶雜質元素(P、S、C等)和較多的晶格缺陷,在焊接熔池結晶過程中,就容易出現晶界偏析,偏析出現的物質多為低熔點共晶(如:FeS—Fe、Fe3P—Fe、NiS—Ni、Ni3P—Ni)和雜質,它們在結晶過程中,以液態間層存在,形成抗變形能力很低的液態薄膜,相應的液態相存在的時間增長,最后結晶凝固,而凝固后的強度也極低,當焊接拉應力足夠大時,會將液態間層拉開,或在其凝固后不久被拉斷形成裂紋。
此外,如果母材的晶界上也存在著低熔點共晶和雜質時,則在加熱溫度超過其熔點的熱影響區內,這些低熔點共晶物將熔化成液態間層,當焊接拉應力足夠大時,也會被拉開而形成熱影響區液化裂紋。
熱裂紋都是沿奧氏體晶界開裂,呈鋸齒狀,所以,又稱晶間裂紋。多出現在焊縫中間,特別是弧坑處,多數在焊縫柱狀晶的會合處,即焊縫凝固的最終位置,也是最容易引起低熔點共晶偏析的位置;少數出現在熱影響區。焊縫中的縱向裂紋一般發生在焊道中心,與焊縫長度方向平行;橫向裂紋一般沿柱狀晶界發生,并與母材的晶界相連,與焊縫長度方向垂直。當裂紋貫穿表面與空氣相通時,斷口表面呈氧化色彩(如藍灰色等),有的焊縫表面的宏觀裂紋中充滿熔渣。
產生的原因
①選材方面:材料中含硫過多產生“熱脆”;含銅過高產生“銅脆”;含磷過高產生“冷脆”。
②焊接工藝方面:鎳基不銹鋼,焊接順序不當或層間溫度過高、熱輸入量過大、冷卻速度太慢;坡口形式不當(焊縫形狀系數ψ=b/h≤1的窄深焊縫),單層單道焊時易產生焊縫中心偏析裂紋;弧坑保護不好,由于偏析作用,易產生弧坑熱裂紋;多次返修會產生晶格缺陷聚集,形成多邊化熱裂紋。
預防方法
由于熱裂紋的產生與應力的因素有關,所以,防止方法也要從選材和焊接工藝兩個方面著手。
①選材方面:
a、限制鋼材和焊材中,易產生偏析的元素和有害雜質的含量,特別是S、P、C的含量,因為它們不僅形成低熔點共晶,而且還促進偏析。C≤0.10%熱裂紋敏感性可大大降低。必要時對材料進行化學分析、低倍檢驗(如硫印等)。
b、調節焊縫金屬的化學成分,改善組織、細化晶粒,提高塑性,改變有害雜質形態和分布,減少偏析,如采用奧氏體加小于6%的鐵素體的雙相組織。
c、提高焊條和焊劑的堿度,以減低焊縫中雜質的含量,改善偏析程度。
②焊縫工藝方面:
a、選擇合理的坡口形式,焊縫成型系數ψ=b/h>1,避免窄而深的“梨形”焊縫,(焊接電流過大也會形成“梨形”焊縫),防止柱狀晶在焊道中心會合,產生中心偏析形成脆斷面;采用多層多道焊,打亂偏析聚集。
b、控制焊接規范:
<i>采用較小(適當)的焊接線能量,對于奧氏體(鎳基)不銹鋼應盡量采用小的焊接線能量(不預熱、不擺動或少擺動、快速焊、小電流)、嚴格掌握層間溫度,以縮短焊縫金屬在高溫區的停留時間;
<ii>注意收弧時的保護,收弧要慢并填滿弧坑,防止弧坑偏析產生熱裂紋;
<iii>盡量避免多次返修,防止晶格缺陷聚集產生多邊化熱裂紋;
<iv>采取措施盡量降低接頭應力,避免應力集中,并減少焊縫附近的剛度,妥善安排焊接次序,盡量使大多數焊縫在較小的剛度下焊接,使其有收縮的余地。
(四)再熱裂紋
再熱裂紋是指一些含有釩、鉻、鉬、硼等合金元素的低合金高強度鋼、耐熱鋼的焊接接頭,再加熱過程中(如消除應力退火、多層多道焊及高溫工作等),發生在熱影響區的粗晶區,沿原奧氏體晶界開裂的裂紋,也有稱其為消除應力退火裂紋(SR裂紋)。
600℃附近有一敏感區,超過650℃敏感性減弱。
再熱裂紋起源于焊縫熱影響區的粗晶區,具有晶界斷裂特征。裂紋大多數發生在應力集中的部位。
預防措施:
①選材時應注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素,尤其是V的含量。必須采用高V鋼材時,焊接及熱處理時要特別加以注意。
②熱處理時避開再熱敏感區,可減少再熱裂紋產生的可能性,必要時熱處理前做熱處理工藝試驗。
③盡量減少殘余應力和應力集中,減少余高、消除咬邊、未焊透等缺陷,必要時將余高和焊趾打磨圓滑;提高預熱溫度,焊后緩冷,降低殘余應力。
④適當的線能量,防止熱影響區過熱,晶粒粗大。
⑤在滿足設計要求的前提下,選用低一個強度等級的焊條,讓其釋放一部分由熱處理過程消除的應力,(讓應力在焊縫中松弛),對減少再熱裂紋有好處。
二、未熔合
未熔合是指熔焊時,焊道與母材之間、焊道與焊道之間、點焊時焊點與母材之間,未完全熔化結合的部分。
產生的原因:
產生未熔合的根本原因是焊接熱量不夠,被焊件沒有充分熔化造成的。主要原因有:
①電流太小;②焊速太快;③電弧偏吹;④操作歪斜;⑤起焊時溫度太低;⑥焊絲太細;⑦極性接反,焊條熔化太快,母材沒有充分熔化;⑧坡口及先焊的焊縫表面上有銹、熔渣及污物。
這些原因都造成焊材早熔化,而被焊母材溫度低,沒有熔化,熔化的焊材金屬沾附到焊件上。
預防措施:
①選擇適當的電流(稍大)、焊速(稍慢),正確的極性,注意母材熔化情況;
②清除干凈坡口及前道焊縫上的熔渣及贓物;
③起焊時要使接頭充分預熱,建立好第一個熔池;
④克服電弧偏吹。注意焊條角度,照顧坡口兩側的熔化情況;
三、未焊透
未焊透是指焊接時接頭根部未完全熔透的現象。
另,焊縫金屬與母材之間,未被電弧熔化而留下的空隙。常發生在單面焊根部和雙面焊的中間。
(ISO—母材金屬之間沒有熔化,熔敷金屬沒有進入接頭根部的缺陷。)
產生的原因:
①坡口及裝配方面:間隙過小;鈍邊太厚;坡口角度太小;坡口歪斜;有內倒角的坡口角度太大;錯口嚴重;
②工藝規范方面:電流過小;焊速過大;電弧偏吹;起焊處溫度低;極性接反;
③操作方面:焊條太粗;操作歪斜;雙面焊時清根不徹底;坡口根部有銹、油、污垢,阻礙基本金屬很好地熔化。
預防措施:
①控制好坡口尺寸:間隙、鈍邊、角度及錯口等;
②控制電流、極性和焊速;使接頭充分預熱,建立好第一個熔池;
③控制焊條直徑和焊接角度;克服電弧偏吹;
④雙面焊清根一定要徹底;
⑤坡口及鈍邊上的油、銹、渣、垢一定要清理干凈。
四、氣孔
氣孔是指焊接時,熔池中的氣泡在凝固時未能逸出,而殘留下來形成的空穴。
根據氣孔產生的部位不同,可分為內部氣孔和外部氣孔;根據分布的情況可分為單個氣孔、漣狀氣孔和密集氣孔;根據氣孔產生的原因和條件不同,其形狀有球形、橢圓形、旋渦狀和毛蟲狀等。
產生的原因:
形成氣孔的氣體主要來源于:
a、大氣:空氣濕度太大,超過90%,水分分解,氫氣、氧氣侵入;收弧太快,保護不好,空氣中的N2氣侵入;電弧太長,空氣中的N2氣侵入;
b、溶解于母材、焊絲和焊條鋼芯中的氣體,藥皮和焊劑中的水和氣體:<i>焊條烘干溫度太低、保溫時間太短;<ii>焊條過期失效; <iii>氬氣純度不夠,保護不良;<iv>焊條烘干溫度過高,使藥皮成分變質,失去保護作用;電流過大,藥皮發紅失效,失去保護作用,空氣中的N2氣侵入;<v>焊芯銹蝕、焊絲清理不凈、焊劑混入污物。
c、焊材、母材上的油、銹、水、漆等污物,分解產生氣體;
d、操作原因引起的氣孔:<i>運條速度太快,氣泡來不及逸出;<ii>焊絲填加不均勻,空氣侵入;<iii>埋弧焊時,電弧電壓過高,網路電壓波動過大,空氣侵入。
預防措施:
①嚴格控制焊條的烘干溫度和保溫時間;
②不使用過期失效的焊材;使用符合標準要求的保護氣體(氬氣等);
③徹底清理坡口及焊絲上的油、銹、水、漆等污物;
④電弧長度要適當,防止N2氣侵入,堿性焊條尤其要采用短弧;
⑤搞好接頭和收弧。<i>充分預熱接頭,建立好第一個熔池,使上一個收弧處的氣體消除掉;<ii>收弧要慢,填滿弧坑,采用“回焊法”等,使氣、渣充分保護好熔池,防止N2氣侵入;<iii>多層多道焊的各層各道的接頭要錯開,防止氣孔密集(上下重合);
⑥適當增加熱輸入量,降低焊接速度,以利氣泡逸出。
五、夾渣
夾渣是指焊后殘留在焊縫中的非金屬夾雜物。主要是由于操作原因,熔池中的熔渣來不及浮出,而存在于焊縫之中。
產生原因:
①坡口角度太小,運條、清渣困難;
②運條太快,熔渣來不及浮出;
③焊接電流太小,熔深太小;
④運條時坡口兩側停留時間短,而在焊縫中心過度太慢,使得焊縫中心堆高,坡口兩側形成死角,夾渣清理不出來;焊縫成型粗劣;
⑤前一層的熔渣清理不干凈;接頭處理不徹底;坡口處有銹、垢、泥沙等;
⑥焊條涂料中含碳成分過高。
預防措施:
①徹底清理坡口的油污、泥沙、銹斑;徹底清理前焊道熔渣;
②適當調節(加大)焊接電流;控制焊接速度,造成熔渣浮出條件;
③正確掌握操作方法,使焊縫表面光滑,焊縫中心不堆高;
④選擇優質焊條。
六、夾鎢
手工鎢極氬弧焊過程中,由于某些原因,使鎢極強烈的發熱,端部熔化、蒸發,使鎢過渡到焊縫中,并殘留在焊縫內形成夾鎢。
產生原因:
①當焊縫電流過大,超過極限電流值,或鎢極直徑太小時,使鎢極強烈地發熱、端部熔化;
②氬氣保護不良,引起鎢極燒損;
③熾熱的鎢極觸及熔池或焊絲,而產生的飛濺等,均會引起焊縫夾鎢。
預防措施:
①根據工件的厚度,選擇相應的鎢極直徑和焊接電流;
②使用符合標準要求純度的氬氣;
③施焊時采用高頻振蕩器引弧,在不防礙操作情況下,盡量采用短弧,以增強氬氣保護效果;
④操作要仔細,不使鎢極觸及熔池和焊絲;
⑤經常修磨鎢極端部。
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