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1、焊接缺陷分析,姓 名: 专 业: 导 师:,绪 论,1.1 焊接发展研究现状,焊接，是指通过采用物理或化学的方法，使分 离的材料产生原子或分子结合，形成具有一定性能 要求的整体。作为现代制造业中最为重要的材料成 形和加工技术之一，焊接技术的应用领域遍及石油 化工、机械制造、交通运输、航空航天、建筑工程、 微电子等几乎所有的工业制造领域。大力发展焊接 制造技术及其相关产业，对促进我国由制造大国向 制造强国转变有着极为重要的意义。,2,1.2 焊接缺陷概述 焊接缺欠直接影响焊接接头的质量，而接头质量又影响到整体焊接结构件的安全运行。阐明焊接缺欠与焊接缺陷的关系对保证焊接质量和焊接结构的安全运行是很
2、重要的。 在焊接接头中的不连续性、不均匀性以及其他不健全等的缺欠，统称为焊接缺欠（weld imperfection）。不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠，称为焊接缺陷 （weld defect）。也就是说焊接缺陷是属于焊接缺欠中不可接受的那一种缺欠，该缺陷必须经过修复处理才能使用。或者说焊接缺陷超出了焊接缺欠的容限，存在焊接缺陷的产品应被判废或必须进行返修。,3,绪 论,焊接缺陷的影响因素及预防措施,钢材和焊条质量、坡口加工和装配精度、坡口表面清理状况及焊接设备、工艺参数、工艺规程、焊接技术、天气状况等等 。机械化焊接方法同精密焊接设备结合使用防止坡口发生位移、避免焊接区在集中能量作用产生
3、明显张应力。扩大射束能源利用范围，制订合理的焊后热处理规范，保证各种新型焊条的质量，以保证达到焊缝金属特定的物理性能，满足材料的可焊性 。,绪 论,5,焊接接头常见缺欠分类,焊接接头裂纹分布示意图,裂 纹,焊接裂纹,焊接裂纹定义及分类 焊接裂纹指在焊缝表面或焊缝内出现的缝隙，其产生的主要原因是焊接接头局部区域中的金属在焊接应力及致脆因素共同作用下，使金属原子结合力遭到破坏而形成一种新界面的裂缝。按照裂纹形成的温度范围和原因，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹及层状撕裂四大类,焊接裂纹,焊接裂纹,8,焊接裂纹形成原因,1 焊钢的淬硬性,如果所焊钢的淬透性强，则焊后焊缝淬硬现象严重。通过金相组织，焊缝
4、及近缝区的硬度分析可以看出：焊缝及近缝区的硬度很高，全部或局部产生马氏体组织。这样，在焊缝根部缺口的应力集中作用下，导致焊缝根部中央出现纵向裂纹。,2 氢的影响,焊接时，氢的来源很多，如钢材冶炼时残留的氢，焊条、焊丝、焊件表面的水份，焊接时空气中的相对湿度，接头部位钢材表面的碳氢化合物等。焊接时熔敷金属中的扩散氢，受焊接冶金反应和空气湿度的影响不断增加，当熔池凝固速度很快时，使氢来不及扩散到金属表面，促使根部产生微裂纹。因此，焊缝中氢含量越多，向应力集中点扩散的氢也就越多。裂纹产生后，裂纹扩展主要是氢的扩散速度，氢的压力以及接头的应力状态有关。,焊接裂纹,9,3 焊缝根部塑性的影响,如果焊缝具
5、有合理的合金成分，焊缝将具有良好的塑性而强度又不低，可以大大提高焊缝抗根部微裂纹的性能。这就要求不仅要了解合金元素对焊缝机械性能的影响，以便对填充金属进行合理的选择和调整。填充金属选择不当，将使塑性变差、抗裂性能下降。,4 应力的影响,焊接时，复杂结构的接头中往往存在着装配应力、内应力、结构刚性引起的外部约束应力和马氏体转变形成的组织应力等。在这些应力的综合作用下，加上根部塑性不好就容易形成根部裂纹。当焊接结构具有较大的约束时，会导致很高的约束应力。即使是氢含量与马氏体比例控制在下限，也会导致裂纹的产生。,焊接裂纹,10,1 热裂纹 热裂纹产生再高温中，当焊缝凝固时，在相线附近的高温区，沿奥氏
6、体晶界开裂。 热裂纹的特征： 热裂纹可发生在焊缝区或热影响区，沿焊缝长度方向分布。 热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。 焊后立即可见。,裂纹分类,热裂纹产生原因。 焊缝金属的晶界上存在低熔点共晶体（含硫、磷、铜等杂质）。 接头中存在拉应力。,防止措施 选用适宜的焊接材料，严格控制有害杂质碳、硫、磷的含量。Fe和FeS易形成低熔点共晶，其熔点为988，很容易产生热裂纹。 严格控制焊缝截面形状，避免突高，扁平圆弧过渡。 缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性减少偏析。 确定合理的焊接工艺参数，减缓焊缝的冷却速度，以减小焊接应力。如
7、采用小线能量，焊前预热，合理的焊缝布置等。,热裂纹,冷裂纹,2 冷裂纹 冷裂纹一般指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹。主要原因是在焊接热循环作用下，热影响区生成了淬硬组织，焊缝中存在过量的扩散氢，且具有浓集的条件，接头承受有较大的拘束应力。,12,合金钢板对接焊缝X射线照相底片 横向裂纹,低合金钢板对接焊缝X射线照相底片 纵向裂纹,冷裂纹的特征 多出现在焊道与母材熔合线附近的热影响区中，多为穿晶裂纹。 冷裂纹无氧化色彩。 冷裂纹发生于碳钢或合金钢，高的含碳量和合金含量。 冷裂纹具有延迟性质，主要是延迟裂纹。,冷裂纹产生原因 焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区)的淬火倾向严重，产生淬火组织，导
8、致接头性能脆化。 焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化；磷含量过高同样产生冷裂纹。 存在较大的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。,防止冷裂纹的措施 选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性。 焊条焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油、水、除锈，减少氢的来源,冷裂纹,工件焊前预热，焊后缓冷（大部分材料的温度可查表），可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力。 采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等，焊后进行清除应力的退火处理
9、。 焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250，保温26h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。,冷裂纹,再热裂纹,15,3 再热裂纹,焊接完成后，如果在一定温度范围内对焊件再次加热（例如为消除焊接应力而采取的热处理或者其他加热过程，以及返修补焊等）时有可能产生的裂纹，多发生在焊结过热区，属于沿晶裂纹，其成因与显微组织变化产生的应变有关。,4 层状撕裂,高强度钢焊接时，在焊接热影响区或远离热影响区的母材中形成的平行和垂直于钢板轧制方向形成的台阶式层状裂纹，是冷裂纹的特殊形式。,防止措施 合理的预热与焊后热处理规范。 控制材料成分，应用低强度焊缝 使焊缝强度低于母材以增高其塑性变形能力。 缓和应力
10、状态，减少拘束、应力集中，减少残余应力。,层状撕裂的特征 焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹称为层状撕裂。 层状撕裂经常发生在厚板的T形接头和角接接头中。,层状撕裂的原因 轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物。 垂直于厚度方向的焊接应力作用。,防止措施 严格控制钢材的含硫量。 预热和使用低氢焊条,采用强度级别较低的焊接材料。 在与焊缝相连接的钢板表面堆焊几层低强度焊缝金属作为过渡层，以避免夹杂物处于高温区。,层状撕裂,气 孔,17,气孔分类 焊缝气孔有三种：氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔。 氢气孔： 高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，
11、而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。 一氧化碳气孔：当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应： FeO+C = Fe+CO 此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔。 熔池氧化愈严重，含碳量愈高，越易产生CO气孔。 氮气孔：熔池保护不好时，空气中的 氮溶入熔池而产生。,定义 焊接时，熔池中的气体在金属凝固时未能逸出而形成的空穴。,气 孔,气孔类型及特征 气孔可按不同特征区分为不同的类型，如按其形态区分为球形气孔和条形气孔,按其分布区分为孤立状气孔和均布状气孔等。如与形成气孔的气体类型相联系，可区分为析出型气
12、孔和反应型气孔。 1 析出型气孔 因溶解度差而造成过饱和状态气体的析出所形成的气孔，称为析出型气孔。这类气体主要是由外部侵入熔池的氢和氮。对于大多数金属来说，易于溶解的氢最易在焊缝中形成气孔。 2 反应型气孔 熔池中除外部入侵的气体氢或氮之外，还会由于冶金反应而生成反应性气体， 这类气体主要是 CO、H2O气，均为根本不溶于金属的气体。由于这类反应性气体造成的气孔，称为反应型气孔。,氮、氢的溶解度变化,气 孔,气 孔,焊缝气孔的防治措施 从根本上来说，防止焊缝气孔缺陷的措施在于限制熔池溶入或产生气体以及排除熔池中存在的气体。 1消除气体来源 (1)表面清理 工件及焊丝表面的氧化膜或铁锈以及油污
13、等，均可在焊接过程中向熔池提供氢和氧，常是焊缝气孔的重要原因。须在焊前彻底清除焊件坡口及附近表面的铁锈。焊丝表面不得有锈或油污。 (2) 焊接材料防潮与烘干 焊条焊剂必须防潮，烘干后放在专用烘干箱或保温筒中保管，随用随取。 (3) 加强防护 空气入侵熔池是气孔原因之一，主要是氮的作用。引弧不正常时，不能获得正常保护。不能破坏正常的防护条件。如药皮不得脱落，焊剂或保护气体不能中断给送。气体保护焊时必须防风，保护气体的纯度也须控制。,气孔,2 正确选用焊接材料 焊接材料的选用非常重要，必须考虑与母材的匹配要求。从冶金性能上看，焊接材料的氧化性与还原性的平衡情况，对焊缝气孔有很显著的影响。选用的焊接
14、材料有的具有很大的气孔敏感性，而有的则对气孔不敏感。 3 控制焊接工艺条件 控制焊接工艺条件的目的是创造熔池中气体逸出的有利条件，同时也应有利于限制电弧外围气体向熔融金属中的溶入。焊接工艺条件不正常，以致电弧不稳定或失去正常保护作用，均促使增大外在气体的溶入。 横焊或仰焊条件下将比平焊时更易产生气孔，因为气体排出条件不利。立焊时的气孔倾向与向上或向下施焊有关。向上立焊的气孔较少，向下立焊的气孔则较多，因为向下立焊时熔融金属易向下坠落，不但不利于气体排出，且有卷入空气的可能。,夹杂 夹杂是由于某些原因溶渣未上浮至熔池表面而残存于结晶焊缝中形成。 冶金过程夹杂的形成冶金过程的夹杂称之自生夹杂,其尺
15、寸较小由1微米到50微米左右。1微米左右的夹杂称之超显微夹杂,大于1微米的夹杂,称之显微夹杂。 当熔池结晶时,熔渣受到犷结晶压力的作用,朝着晶粒生长的方向扩散(或者说朝着与散热相反的方向扩散)。但是在某些情况下,当系统中的自由能减少时,晶粒不仅不排斥熔渣颗粒,反而会吸收熔渣颗粒,最后形成夹杂。 工艺因素造成的夹杂工艺不恰当或操作不慎造成的夹杂,都称为偶而夹杂,这类夹杂尺寸较大:从1毫米左右到数毫米。因此大的夹杂不太可能是冶金因素造成的。这类夹杂大多数是熔渣直接残存的结果。,夹 杂,22,通过生产实践的总结,可有以下几种工艺因素造成夹杂： 1、电流过小时，熔池存在的时间很短，当熔渣来不及浮至表面
16、时，焊缝已结晶冷凝，从而形成夹杂。 2、当焊条横向摆动幅度过大，用力不匀时，会使原来已结晶的晶粒第二次熔化，破坏了金属结晶的均匀性，在熔池中可能形成“液态囊”致使熔渣颗粒陷于其中而成夹杂。 3、装配质量好坏直接影响焊接质量，坡口角度及坡口间隙不合标准，都有可能造成夹杂，而其最严重的是单面V型坡口，垫板装配不当最容易形成夹杂。 4、坡口处有氧化皮等脏物造成夹杂。 5、在焊缝接头处，如不打渣接焊第二段，则应在前段熔渣尚未冷凝时接焊，否则易造成夹杂。,夹杂,夹杂,夹杂的防止,1、采用低氢钙系碱性焊条 药皮含有50%左右的大理石及20%左右的氟化钙，故熔渣颗粒比重较小。 含有较大量的氟化钙，使熔渣稀释流动性得到改善。 熔渣颗粒表面张力较大，易于聚结。 2、保证装配质量 坡口角度和钝边尺寸符合设计要求。 坡口间隙一致。 加垫板时要平整，贴紧。 坡口处的氧化皮等脏物要清除干净。,3、严格遵守正确的焊接工艺 电流适中。如电流过小会使熔池“生命”短促，熔渣流动性不良，电流过大使药皮发红、脱落，造成大块夹杂。 焊条不作大幅度的横向摆动。 焊键接头处，应将前段
