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1、第三单元焊接缺陷的产生及防止,【学习目标】通过本单元的学习，使学生明确焊接缺陷的种类、特征及危害；掌握常见焊接缺陷气孔、结晶裂纹和冷裂纹的产生原因、影响因素及防止措施；对其他焊接缺陷的产生原因及防止措施有一定的了解。,焊接缺陷的种类及特征,焊接缺陷的类型,1.焊接缺欠与焊接缺陷在焊接接头中存在的不连续性、不均匀性以及其他不健全的缺损，称为焊接缺欠。在焊接缺欠中，根据产品设计或工艺文件的要求，凡是不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠称为焊接缺陷，即焊接过程中所形成的焊缝不足、不完善的地方也可以说是焊缝本身的缺损或损伤。焊接缺陷是焊接缺欠中不可接受的、不合格的缺欠，必须经过返修合格后才能使用，否则
2、此焊接产品就是废品。,焊接缺欠是绝对的，是焊接接头中客观存在的某种间断或不完整，而焊接缺陷是相对的。同一类型、同一尺寸的焊接缺欠，出现在制造要求高的产品中，可能被认为是焊接缺陷，必须返修，但出现在制造要求低的产品中，可能认为是可接受的、合格的焊接缺欠，不需要返修。因此，判别焊接缺欠是否是焊接缺陷要根据产品相应的法规、标准和制造技术要求进行评定。在这些法规、标准和制造技术条件中，依据焊接产品使用性能，从焊接质量、可靠性和经济性之间的平衡综合考虑，规定什么焊接缺欠相对制造技术条件的产品是可能接受的，什么焊接缺欠是对产品运行构成危险的、不可接受的焊接缺欠是对产品运行构成危险的、不可接受的焊接缺陷。,
3、例如：0.4mm深度的咬边，如果出现在“不允许有任何咬边存在”的高压容器焊接接头中，可判断为焊接缺陷；如果出现在技术条件规定“咬边深度不得超过0.5mm”的普通容器焊接接头中，则被认为是可以接受的焊接缺欠，而不是焊接缺陷。,2.焊接缺陷的分类1)按照焊接缺陷的性质，金属熔焊接头常见的焊接缺陷共分为裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合与未焊透、形状缺陷和其他缺陷等。2)按焊接缺陷的可见性分为表面缺陷和内部缺陷。焊接缺陷位于焊缝外表面的称为表面缺陷；位于焊缝内部的称为内部缺陷，见表3-1。,常见焊接缺陷的特征及危害,焊接缺陷的存在，不仅会降低焊接接头的使用性能，影响结构的安全使用，严重时还将导致脆性破坏，
4、引起重大事故。有害程度较大的焊接缺陷有五种，按有害程度递减的顺序排列为：裂纹、未熔合和未焊透、咬边、夹渣、气孔。常见焊接缺陷的特征及危害见表3-3。,合知识模块二焊缝中的气孔与夹杂物,气孔的分类与特征,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，称为气孔。焊缝中的气孔是常见的焊接冶金缺陷之一。气孔的危害性比裂纹小，但气孔的尺寸和数量超过一定范围时，就是不允许存在的焊接缺陷。根据气孔的性质、数量、形状、位置等，可分为以下几种：1.根据产生气孔的气体种类分类。气孔分为氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔和水蒸气气孔等。,(1)均布气孔大量气孔比较均匀地分布在整个焊缝金属中(图3-1a)。均
5、布气孔的产生是由于不合适的焊接操作技术或不恰当的气体保护、焊件表面污染或材料缺陷所致。(2)密集气孔形状不规则的成群气孔呈区域化分布(图3-1b)。它是由于不正确的引弧或收弧引起的。电弧偏吹也可促使产生密集气体。(3)链状气孔平行于焊缝轴线的成串气孔(图3-1c)。它主要是在污染的缺欠处由于气体的逸出引起的。这种气孔可沿焊缝根部或焊道边界之间呈直线分布。(4)条状气孔长度大于宽度且长度方向与焊缝轴线近似平行的非球形的长气孔(图3-1d)。,3.根据气孔的形成位置分类根据气孔的形成位置可分为内部气孔(存在于焊缝内部的气孔)和表面气孔(暴露在焊缝表面的气孔)。对一条焊缝而言，按生成气孔的位置，又可
6、分为引弧处气孔，焊道中气孔和弧坑气孔等。,气孔产生的原因及影响因素1.气孔的产生过程及原因(1)形成气孔的气体来源焊缝中形成气孔的气体来源于两个方面：一种是来自外部的溶解度有限的气体(如氢、氮)；另一种是熔池中的冶金反应产物(如一氧化碳、水蒸气等)。在高温金属熔池的冷却过程中，熔池中的气体，由于溶解度降低而处于饱和状态，就会急剧向外逸出，来不及逸出的气体，被凝固的焊缝金属包围，就形成气孔。所以在焊接过程中促使焊缝形成气孔的气体有氢气、氮气和一氧化碳气体。氢气孔、氮气孔大多出现在焊缝表面；一氧化碳气孔多产生于焊缝内部并沿结晶方向分布。(2)焊缝中气孔的形成过程气孔的形成，一般经历了四个过程：气体
7、的吸收过程；气体的析出过程；气泡的长大过程；气泡的上浮过程，最后形成气孔，如图3-2所示。,1)气体的吸收：在焊接过程中，熔池的周围存在着各种成分复杂的气体，这些气体的分子在电弧高温作用下，很快被分解成原子状态，并被金属熔滴所吸附，不断地向液体熔池内部扩散和溶解。温度越高，金属中溶解气体的量越多。2)气体的析出：气体的析出是指气体从液体金属内析出并形成气泡。随着在焊接过程中熔池金属温度的降低，气体在液体金属中的溶解度也相应减小，因而一部分气体要析出，此时析出的气体极易被吸附在熔池底部成长的柱状晶粒的表面上，产生了气泡的核心。3)气泡的长大：由于熔池温度的不断降低，析出气体不断被凝固的晶粒所吸附
8、，气泡内部压力大于阻碍气泡长大的外界压力，便使气泡不断长大。4)气泡的上浮：在气泡核形成之后，又经过一个短暂的长大过程，当气泡长大到一定的尺寸时，开始脱离结晶表面的吸附而上浮。当气泡的上浮速度小于金属熔池的结晶速度，那么气泡就可能残留在凝固的焊缝金属中，成为气孔。,(3)氢气孔和氮气孔产生的主要原因及其特征在焊接低碳钢和低合金钢时，大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，断面为螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，气孔的内壁光滑，这是由于氢气是在液态金属和枝晶界面上凝聚析出，随枝晶生长而逐渐形成气孔的。在个别情况下，氢气孔也会出现在焊缝的内部，是小圆球状，如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的
9、含氢量过高，或在焊接有色金属时，由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低，析出气体，在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部。氮气孔的形成机理与氢气孔相似，氮气孔也多出现在焊缝表面，但多数情况下是成堆处现的，呈蜂窝状。氮主要来自焊接区周围的空气，但一般产生氮气孔的机会较少，只有在熔池保护不好，有较多的空气侵入焊接区的情况下才会产生。,(4)一氧化碳气孔产生的原因及其特征在焊接碳钢时易产生C气孔。C气孔在多数情况下存在于焊缝内部，且沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑，内壁有氧化颜色。CO气孔的产生原因是焊接时钢中的碳由于冶金反应而产生大量的CO气体，即,这些反应可以发生在熔滴过渡过程中，也可以发生在
10、熔池中。由于CO不溶于金属，所以在高温时生成的CO就会以气泡的形式从液态金属中高速逸出，形成飞溅，而不会形成气孔。但是，当热源离开后，熔池开始凝固时，熔池金属的粘度不断增大，所有反应的CO不易逸出，且该反应为吸热反应，会促使结晶速度加快，使CO形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。由于CO形成的气泡是在结晶界面上产生的，所以CO气孔常呈条虫状。,2.影响焊缝形成气孔的因素能增加焊接区气体来源的各种因素，如铁锈、水分、油污等杂质，都会增加焊缝形成气孔的倾向。此外，母材的成分、熔渣的组成与性能、焊接的工艺条件等对气孔的形成也具有重要的影响。,(1)焊接熔渣氧化性的影响熔渣氧化性的强弱对焊缝的气孔敏感
11、性具有很大的影响。当焊接熔渣中含有氟化物时(如萤石)，能起良好的去氢作用。因为氟与氢化合生成稳定的HF，而HF不溶于液态金属，从而减少氢气孔的产生。另外，当熔渣中含有一定量的氧化性物质时，如MnO、FeO、MgO、SiO2等，也能起到清除氢气孔的作用。因为这些氧化物中的氧在高温时能与氢化合，生成稳定的、不溶于液体金属的OH，从而减少焊缝金属的含氢量，但氧化性过强时，则有可能产生CO气孔。总之，无论是酸性熔渣还是碱性熔渣，当熔渣的氧化性增加时，氢气孔的倾向减小，而CO气孔的倾向增加。相反，当熔渣的氧化性减小，还原性增加时，则氢气孔的倾向增加，而CO气孔的倾向减小。,(2)铁锈、水分及其他杂质影响
12、焊件或焊接材料中的水分、氧化铁皮、铁锈、油污等杂质也是焊缝出现气孔的重要因素，其中尤其铁锈的影响最大。铁锈是钢铁腐蚀后的产物，是氧化铁的水化物(通式为mFe2O3nH2O)，也包含(Fe3O4H2O)的水化物,即铁锈含有较多铁的高级氧化物Fe2O3和结晶水，在电弧焊接的条件下，这些以结晶水形式存在的水分，便产生大量的水蒸气，从而使铁氧化产生H2.,当液态金属具有足够高的温度时，这些氢便以原子或正离子的形式溶入，扩散至熔池金属中，这就是焊接有铁锈金属时产生氢气孔的主要原因。铁锈的存在一方面增加了熔池的氧化作用，在结晶时促使生成CO气孔，另一方面也增加了生成氢气孔的可能性，所以，铁锈是一种极其有害
13、的杂质。钢板上氧化铁皮的主要成分是Fe3O4和少量的Fe2O3，虽然没有结晶水，但对产生CO气孔仍有较大的影响，因此，在焊接生产中要尽量清除焊件上的铁锈、氧化铁皮等杂质。焊剂和焊条药皮受潮或烘干不足、空气中或母材金属表面的水分，受电弧高温的影响，生成氢进入焊接熔池中，同样易增加产生气孔的倾向。,(3)焊接参数的影响焊接参数，如焊接电流、焊接速度、电弧电压等，主要是影响焊接熔池的存在时间，如果熔池存在的时间越短，气体逸出越困难，形成气孔的倾向也越大。增大焊接电流可增加熔池存在的时间，有利于气体的逸出，但熔滴变细，增加了熔池对气体的吸收量，同时熔深也增加，反而不利于气体的逸出，增大了生成气孔的倾向
14、。使用不锈钢焊条时，焊接电流增大，焊芯的电阻热增大，会使焊条末端药皮发红，药皮中的某些组成物(如碳酸盐)提前分解，影响了造气保护效果，因而也增加了气孔的倾向。,电弧电压升高，弧长增加，空气中的氮气易侵入熔池形成氮气孔，其中焊条电弧焊和自保护药芯焊丝电弧焊最为敏感。当电弧的功率不变(即焊接电流和电弧电压的乘积不变)时，焊接速度增大，熔池存在的时间变短，加快了结晶速度，从而增大了产生气孔的倾向。,(4)电流种类和极性的影响生产经验证明，电流的种类和极性不仅影响电弧的稳定性，还对氢气孔的产生有较大的影响。使用交流电源焊接时，使用未烘干的焊条，焊缝易产生气孔。用直流正接法时，生成气孔的倾向较小，而用直
15、流反接法时，生成气孔的倾向最小。这是因为氢气实际上是以正离子形式溶入熔池，当熔池处于阴极时(反接)，弧柱空间的氢正离子在熔池表面遇到电子，与之复合为氢原子，从而阻碍了氢的溶解。在使用交流电源时，氢离子在电流改变方向通过零点的瞬间，顺利进入熔池，因此产生气孔的倾向最大。,(5)工艺操作方面的影响在生产中由于工艺操作不当也易产生气孔。例如：1)焊前未严格按规定要求烘干焊条、焊剂或烘干后放置时间过长。2)焊前未对焊件、焊丝上的铁锈、水分、油质等污物按要求进行清除。3)焊接时的规范不稳定，特别是使用碱性焊条时未采用短弧焊接等。,防止气孔产生的措施,防止气孔产生的根本措施是限制气体的来源和排除熔池中存在
16、的气体。1.消除产生气孔的气体来源1)对焊件及焊丝(焊芯)表面上的油污、铁锈、氧化膜等进行仔细清除，特别是焊缝两侧2030mm范围内进行除锈、去污。2)焊接材料的防潮和烘干。各种焊接材料应防潮包装与存放。按规定烘干焊条或焊剂，控制烘干的焊条或焊剂在大气中的暴露时间，防止吸潮。,2.加强对熔池的保护1)不使用偏心焊条和药皮脱落的焊条，焊剂或保护气体送给不能中断。2)掌握正确的引弧方法，电弧不得随意拉长，采用短弧焊接，并要配以适当的动作，以利于气体的逸出。3)装配间隙要符合要求，不要太大，防止空气从根部熔池侵入。3.正确选择焊接材料和保护气体通过控制焊接材料的氧化性和还原性，降低气孔的敏感性。,4
17、.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，同时限制焊接电弧外围的气体熔入熔池。1)正确选择焊接参数，运条速度不能太快。2)对导热快、散热面积大的焊件，若周围环境温度较低，应进行预热，以降低冷却速度。,焊缝中的夹杂物,焊缝中的夹杂物是焊接冶金反应产生的，是焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质(如氧化物、硫化物等)。焊缝中的夹杂物是固体夹杂的一种，但它有别于夹渣和金属夹杂。夹渣是指焊后残留在焊缝中的焊渣，是由于焊接参数选择不当或操作技术的原因所引起的；金属夹杂是残留在焊缝金属中的来自外部的金属颗粒(如夹钨)；而夹杂物是由于焊接化学冶金反应产生的。,1.夹杂物的危害夹杂
18、物的存在不仅降低焊缝金属的塑性，增大低温脆性，降低韧性和疲劳强度，在外力作用下,夹杂物周围会产生应力集中,使夹杂物通常成为裂纹源而增加产生热裂纹的,2.夹杂物产生的原因氧化物夹杂产生的原因主要是熔池脱氧不完全，其中的FeO与其他元素作用而生成，一般多以复合硅酸盐形式存在。这类夹杂物基本上都属于低熔点的物质，在焊缝结晶时最后凝固，少量液体夹杂物存在于固体晶粒之间。这些夹杂物是由于焊工操作不当而混入焊缝中的，导致焊缝的韧性降低。,氮化物的产生原因主要是在保护不良的情况下，焊接碳钢和低合金钢时，液态金属与空气中的氮反应后，主要以氮化物Fe4N夹杂的形式存在，残留在焊缝金属中。氮化物在时效过程中以针状
19、夹杂形式存在于焊缝金属中，对焊缝的力学性能有较大的影响，使抗拉强度提高，塑性和韧性下降，焊缝变脆。但在良好保护条件下焊接时，生成氮化物的几率是很小的。当母材、焊丝、药皮等材料的含硫量较高时，就会在焊缝中形成硫化物夹杂。硫在焊缝中主要以FeS和MnS两种硫化物的形态存在。其中以FeS对焊缝的危害最大，因为FeS沿晶界析出与Fe或FeO形成低熔点共晶，增加了生成热裂纹的倾向。,3.防止和减少焊缝中形成夹杂物的措施在焊缝中分布细小、均匀的夹杂物，对焊缝的塑性和韧性不会有明显的影响，反而还可改善焊缝金属的韧性与塑性,但对于粗大的夹杂物则必须采取措施防止或消除。防止和减少焊缝中形成夹杂物的主要措施从以下
20、两个方面着手：(1)控制夹杂物的来源正确选择焊条、药芯焊丝、焊剂的渣系，以便在焊接过程中能充分脱氧、脱硫。另外还要严格控制原材料中的杂质含量，以杜绝夹杂物的来源。,(2)采取相应的工艺措施选用较大的热输入，使熔池有足够的存在时间；焊条电弧焊时，焊条要作适当的摆动，使熔池搅动，以促使夹杂物的浮出；多层焊时，层间的清渣要彻底，防止残留的焊渣在焊接下一层时，进入熔池而形成夹杂物；采用短弧焊接，以保护焊接熔池免受空气中氮的侵入。,结晶裂纹的特征,焊接裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有缺口尖锐和长宽比大的特征。裂纹是焊
21、接结构中危险性较大的缺陷之一，由于裂纹在承载时可能会不断地延伸和扩大，这样，轻者会使产品报废，重者会引起严重的灾害事故。焊接裂纹按产生的本质来分，可分为五大类：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂，其中，热裂纹和冷裂纹最为常见。,结晶裂纹是最常见的热裂纹。结晶裂纹主要产生在含杂质(含S、P、C、Si偏高)较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢、镍基合金和某些铝合金焊缝中。结晶裂纹大多数产生在焊缝中部，呈纵向分布在焊缝中心，也有些呈弧形分布在焊缝中心线的两侧，与焊波呈垂直分布。,结晶裂纹产生的原因主要是两个方面：一是冶金因素；二是力的因素。因为焊缝结晶时，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属含
22、杂质及合金成分较多，随着柱状晶的不断长大，杂质及合金元素不断被排挤到焊缝中心或平行生长的柱状晶交界处。这种成分偏析的结果使这些地方富集了较多的杂质或合金，与基体金属形成低熔点共晶。当焊缝中的含硫量偏高时，能形成FeS，与铁形成低熔点共晶(FeS-Fe的熔点988)。在结晶后期，当相对较纯的焊缝金属已凝固为晶粒时，这些残存在晶界的低熔点共晶尚未凝固，并且呈液态薄膜状覆盖在晶粒边界上，割断了晶粒之间的联系。由于先凝固的焊缝金属收缩，使后冷却的焊缝中心区域受到了一定的拉伸内应力，这时在焊缝中的液态薄膜就会被拉开形成结晶裂纹。当金属承受的拉伸变形超过它自身所具有的塑性时，就会在结晶过程中出现裂纹，这就
23、是结晶裂纹。所以，液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因，而拉应力是产生结晶裂纹的必要条件。,能力知识点3影响结晶裂纹产生的因素,1.冶金因素(1)合金元素和杂质的影响各种元素尤其是形成低熔点薄膜的杂质是影响结晶裂纹产生的最重要的因素。)硫和磷是钢中最有害的元素，在钢中能形成多种低熔点共晶，因此，在结晶过程中很容易形成液态共晶薄膜，使脆性温度区间的塑性大大降低，硫和磷又极易偏析，从而增加了脆性温度区间范围。)碳是钢中必不可少的元素，也是影响结晶裂纹的主要元素，并且还能加剧其他元素的有害作用(如硫、磷等)，所以，对含碳量较高的钢，要严格控制其硫、磷的含量。3)锰是防止结晶裂纹的有益元素，它具有脱硫的作
24、用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。(2)凝固结晶组织形态的影响焊缝一次结晶组织的晶粒度越粗大，柱状晶的方向越明显，越容易促使杂质偏析，在固液阶段形成连续的液态共晶薄膜，产生结晶裂纹的倾向增大。,2.工艺因素工艺因素主要影响有害杂质偏析的情况及应变增长率的大小。1)焊接热输入过大，使近缝区的晶粒长大后，引起焊缝晶粒过大。2)熔合比增大，含杂质和碳较多的母材将向焊缝转移较多杂质和碳元素，增大裂纹倾向。3)焊缝成形系数()对结晶裂纹的影响如图3-4所示。图3-4a中，值过小，杂质聚集在焊缝中心柱状晶对生面间，与焊缝收缩拉应力
25、垂直，结晶裂纹倾向大。图3-4b中，值适中，杂质偏析于焊缝上部，与焊缝收缩拉应力成一定角度，结晶裂纹倾向小。图3-4c中，值过大，低熔点共晶虽然在焊缝表面，但晶粒的取向垂直于应力的方向，结晶裂纹倾向大。4)焊接速度对结晶裂纹的产生也有较大的影响。增大焊接速度，不仅会增大冷却速度，提高应变增长率，而且还使熔池呈泪滴形，柱状晶近乎垂直地向焊缝轴线方向生长，在会合面处形成偏析薄面，从而增大成结晶裂纹的倾向。,防止结晶裂纹的措施,防止结晶裂纹的措施主要从控制焊缝金属成分和调整焊接工艺两方面着手。1.控制焊缝金属成分1)控制母材和焊接材料的化学成分，严把材料关。严格限制焊缝中的碳、硫、磷含量，是防止产生
26、结晶裂纹的根本措施。同时适当提高锰含量，也可抵消部分碳、硫、磷等杂质的不利影响。各类焊接结构用钢的硫、磷的质量分数应小于0.05%，碳的质量分数应小于0.20%。不同钢材的碳、硫、磷含量按技术标准严格控制。优质焊条中硫的质量分数一般应不大于0.035%，磷的质量分数不大于0.04%。因低氢型焊条及碱性焊剂具有较强的脱硫、脱磷能力，所以焊接结晶裂纹倾向大的钢时，应尽量选用碱性焊条和焊剂。,2)加变质剂。在焊缝或母材中加入一些细化晶粒的元素，如钛、铝、锆、硼或稀土金属铈和镧等变质剂，能起到细化晶粒，增加晶界面积的作用，同时又打乱了柱状晶的结晶方向，减少了杂质的偏析，破坏了液态薄膜的连续性，增加了抗
27、裂性。最常用的变质剂是钛。3)形成双相组织。在焊接18-8不锈钢时，通过调整母材和焊接材料成分，使焊缝中存在约5%的相，形成+双相组织，也可细化晶粒和打乱柱状晶的生长方向，使焊缝组织变细，从面提高了焊缝的抗裂性。,2.调整焊接工艺1)减少热输入(如采用小的焊接电流)，避免焊缝中产生粗大的柱状组织，得到晶粒细小的组织，打乱柱状晶的结晶方向。防止杂质聚集在焊缝中心柱状晶对生处，在垂直应力作用下，形成结晶裂纹。2)调整合理的焊接参数来控制焊缝成形系数。焊缝成形系数随电流的增大而减小，随电压的增大而增大。提高焊缝成形系数可以降低结晶裂纹倾向。但值过大，由于焊缝太浅，抗裂能力反而下降。值过小，焊缝窄而深
28、，同样会增大结晶裂纹的倾向。所以尽量使焊缝成形适中，如图3-4b所示，即选择合理的焊接参数，如小电流、低焊速、避免熔池过大，或采用多层多道焊等，来防止结晶裂纹的产生。,3)选择合理的焊接顺序。焊接顺序直接影响焊缝金属在冷却中能否自由收缩，如果焊接顺序选择不当，也会具有较大的裂纹倾向。选择合理焊接顺序的原则是：尽量使大多数焊缝能在较小刚性的条件下焊接，使各条焊缝都有收缩的可能，以减小焊接应力。4)调整冷却速度。接头的冷却速度越大，变形速度也越大，产生结晶裂纹的倾向越大，因此，含碳量较高和厚壁结构的焊接，需要采取适当的预热措施来减小焊缝的变形率，从而降低结晶裂纹的倾向。但不能用增大热输入的办法来降
29、低冷却速度，因为热输入增大时，促使晶粒粗大，增加偏析倾向，产生结晶裂纹的倾向加大。5)采用碱性焊条和焊剂。因为碱性焊条和焊剂的熔渣脱硫、脱氧能力强，杂质少，形成低熔点化合物的可能性小，所以有较高的抗裂能力。,综合知识模块四焊接冷裂纹,能力知识点1焊接冷裂纹的类型,冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说,在200300以下)时产生的焊接裂纹。1.冷裂纹的特征(1)产生的温度和时间冷裂纹是在焊后较低温度下产生的。温度区间都在材料的马氏体转变点MS以下。冷裂纹不是在焊接过程中产生的，它可能在焊后立即出现，也有可能是在焊后延续一定时间后才产生，如果钢的焊接接头冷却到室温后，并在一定时间(几小时、
30、几天、甚至十几天)才出现的焊接冷裂纹就称为延迟裂纹，它是冷裂纹中比较普遍的一种形态，也是最危险的焊接缺陷。,(2)产生的部位和方向冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影响区，焊接超高强钢或某些钛合金时冷裂纹也出现在焊缝上。从焊缝的表面看，热影响区的冷裂纹主要沿熔合线呈纵向分布，焊缝上的冷裂纹则呈横向分布。(3)断口特征冷裂纹产生的温度较低，断口没有氧化色彩而呈闪亮的金属光泽。冷裂纹的断口沿晶界开裂或是穿晶扩展，呈冰糖状或岩石状，棱角分明。,2.冷裂纹的类型根据冷裂纹产生的部位，可分为以下几种类型，如图3-5所示。(1)焊趾裂纹沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷裂纹称为焊趾裂纹。裂纹起源
31、于焊趾部位的应力集中处，从表面出发，往厚度的纵深方向扩展，止于焊接接头近缝区粗晶部分的边缘。裂纹的走向与焊道平行。,(2)焊根裂纹沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹称为焊根裂纹。裂纹起源于坡口根部间隙处，视应力集中源的位置及母材和焊缝金属的强度水平的不同，裂纹可以起源于母材的近缝区金属，在近缝区基本上平行于熔合线扩展，或进入焊缝金属中；也可以起源于焊缝金属的根部，在焊缝金属中扩展。(3)焊道下裂纹在靠近堆焊焊道的热影响区内所形成的焊接冷裂纹称为焊道下裂纹。这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。裂纹的走向基本上与焊缝平行，且不显露在表面。,(4)焊缝横向裂纹横向裂纹常起源
32、于淬硬倾向较大的合金钢焊缝边界，延伸至焊缝和热影响区，裂纹走向均垂直于焊缝边界，尺寸不大，但常显现于表面。在多层焊时，裂纹发生在距焊缝表面有一小段距离的焊缝内部。,焊接冷裂纹产生的原因,产生焊接冷裂纹的主要原因是：钢的淬硬倾向、焊缝中扩散氢的作用和焊接接头金属所承受的拉应力造成的金属塑性下降三个因素交互作用的结果。1.钢的淬硬倾向钢的淬硬倾向主要取决于钢的化学成分、结构的板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大的钢，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高(达13501400)，使奥氏体晶粒严重长大，快冷时，转变为粗大马氏体，而马氏体是一种脆硬的组织，由
33、于变形能力低，易发生脆性断裂而形成裂纹。,2.扩散氢的作用氢是引起高强钢焊接时产生冷裂纹的重要因素之一，且具有延迟的特征。焊缝和热影响区的含氢量较高时，焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散，当焊缝的冷却速度快，这些氢不能逸出时，就聚集在离熔合线不远的热影响区中。当热影响区存在显微缺陷时，氢便会在这些缺陷处聚集，并由原子状态转变为分子状态，造成很大的局部应力，再加上焊接应力和组织应力的共同作用，促使显微缺陷扩大，从而形成裂纹。氢的扩撒、聚集、产生应力和裂纹需要一定的时间，所以裂纹具有延迟的特征。,3.焊接接头的拉应力在焊接过程中主要存在以下三种应力：1)焊接时焊缝和热影响区的不均匀加热和冷却而产
34、生的温度应力。这种应力的大小与母材和填充金属的热物理性质及结构刚度有关。在应力的作用下，会引起氢的聚集、诱发氢致裂纹。2)焊缝和热影响区金属在相变时，体积变化而引起的组织应力。3)焊件在焊接过程中，由于结构的刚度和自重、焊接顺序和焊缝位置等引起的,防止焊接冷裂纹的措施,防止产生冷裂纹的主要措施，就是在焊接时尽量减少三大因素的不利影响。()焊前预热和焊后缓冷焊前预热可对焊件整体加热，也可以对焊缝附近区域局部加热，或边焊接边不断补充加热。焊后缓冷可采用包扎绝热材料(石棉布、玻璃纤维等)的方法。通过预热和缓冷措施，能加速氢的扩散逸出，减少扩散氢含量，改善焊接接头的组织，降低热影响区的硬度和脆性，提高
35、塑性，还能起到减小焊接应力的作用。小知识去氢处理是指焊件焊后立即在200350的温度下保温26h，然后缓冷的措施。去氢处理的目的是使焊缝金属中的扩散氢加速逸出。()减少氢的来源焊前严格按要求将焊条、焊剂烘干，并且随用随取。仔细清理坡口周围的油污、水分和铁锈等。,咬边 由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷称为咬边，如图3-6所示。咬边一般位于焊缝和母材连接处、角焊缝的焊趾处或坡口焊缝的熔合线处，也可出现在单面焊接的坡口焊缝根部。平焊时一般较少出现咬边，咬边容易出现在立位置、横位置、仰位置焊接时。,2.咬边的一般特征有些咬边呈弧形缺口，而有些咬边呈尖锐缺口。咬边产
36、生的缺口越深越尖锐，则缺陷越严重。仔细检查，所有的焊缝都有不同程度的咬边。只有当咬边的深度超过了允许的数值时，才被视为不可接受的焊接缺陷。3.咬边产生原因1)焊接参数的选择不当，如焊接电流过大，电弧过长。2)焊接操作不恰当，如焊条的角度和摆动不正确。3)焊条端部药皮的电弧偏吹以及焊件的位置安放不当等。,4.防止产生咬边的方法正确选择焊接电流及焊接速度，适当掌握电弧的长度，正确应用运条方法和焊条角度，在平、立、仰焊位置焊接时，焊条沿焊缝中心线保持均匀对称的摆动。横焊时，焊条角度应保证熔滴平稳地向熔池过渡而无下淌现象。,能力知识点2焊瘤 焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属
37、瘤就是焊瘤，如图3-7所示。焊瘤是由于焊缝金属铺展或流溢而超出未熔化的焊趾或焊缝，从而在未熔化的母材上形成的金属瘤。2.焊瘤产生的原因焊缝间隙太大，操作不当，焊条位置和运条方法不正确，焊接电流过大或焊接速度太低、电弧过长或焊条熔化太快都可能产生焊瘤。3.防止产生焊瘤的方法正确选择焊接参数，装配间隙不能过大。提高操作者的技术水平，灵活调整焊条角度和运用正确的运条方法。严格控制立、仰焊时的熔池温度，不使其过高。,能力知识点3凹坑与弧坑焊后在焊缝表面或焊缝背面形成的低于母材表面的局部低洼部分称为凹坑，如图3-8a所示。弧坑是凹坑的一种，是在焊缝收弧处产生的凹陷现象，如图3-8b所示。凹坑减小了焊缝的
38、有效截面，降低焊缝的承载能力。而弧坑，由于杂质的集中，还会导致弧坑裂纹的产生。2.凹坑与弧坑产生的原因操作技术不熟练，不能很好地控制熔池形状；焊接电流过大，电弧拉得过长，焊条又未做适当的摆动，或过早进行表面焊缝的焊接，收尾熄弧时，未填满弧坑等均会产生凹坑或弧坑。3.防止凹坑与弧坑产生的方法采用短弧焊接，熟练掌握操作技能，焊后填满弧坑。对于重要的焊接结构要设置引出板，在收弧时将电弧过渡到引出板上，避免在焊件上出现弧坑。,能力知识点4未焊透与未熔合1.未焊透 未焊透是焊接时接头根部未完全熔透的现象，如图3-9所示。对于对接焊缝也指焊缝深度未达到设计要求的现象。(1)未焊透产生的原因焊接坡口钝边过大
39、，坡口角度太小，间隙太小，操作时，无法将焊条伸入根部；焊接电流太小，速度过快；运条角度不当或电弧发生偏吹；氧化物和熔渣等阻碍了金属间充分的熔合等。凡是造成焊条金属和基体金属不能充分熔合的因素都会引起未焊透。(2)防止产生未焊透的方法正确选择坡口形式和装配间隙；选用适当的焊接电流和焊接速度；正确掌握焊条角度和运条方法，认真操作，防止焊偏。,2.未熔合 未熔合是指熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分，如图3-10所示。(1)未熔合产生的原因焊条偏心或运条方法不当，电弧发生偏吹；焊接电流太小；焊接速度太高；坡口侧壁有锈垢和污物；焊层间清渣不彻底等。(2)防止未熔合产生的方法正
40、确选择焊接电流、焊接速度；加强坡口清理和层间清渣；焊条偏心时应调整角度，使电弧处于正确方向。焊接时注意运条角度和边缘停留时间，使坡口边缘充分熔化以保证熔合。,能力知识点5下塌与烧穿图3-11下塌1.下塌下塌是在单面熔化焊时，由于焊接工艺不当，造成焊缝金属大量透过背面，而使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象，如图3-11所示。下塌产生的原因主要是装配间隙或焊接电流过大。图3-12烧穿2.烧穿烧穿是在焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，如图3-12所示。(1)烧穿的危害烧穿缺陷不仅影响焊缝外观，还使该处的焊缝强度减弱，甚至还会使焊接接头失去承载能力，所以烧穿是一种不允许存在的焊接缺陷。,
41、(2)产生烧穿的原因焊件的装配间隙太大或钝边太薄；焊接电流过大，焊接速度太低以及电弧在焊缝某处停留的时间太长使焊件加热过度。(3)防止产生烧穿的方法严格控制焊件的装配间隙，选用适当的焊接参数，减少熔池在某一处停留的时间,夹渣,1.夹渣产生的原因焊接速度过快，使熔渣来不及上浮到熔池表面。焊接电流太小，使熔渣和铁液分不清；多层焊时，层间清渣不干净；焊缝成形系数过小；焊接材料质量不好，熔渣太稠；焊接时焊条角度不正确等。2.防止夹渣产生的方法正确选择焊接参数；做好焊前及焊层间的清理工作；根据熔化情况，随时调整焊条角度和运条方法；正确选择焊接材料，调整焊条药皮和焊剂的化学成分，降低熔渣的熔点和粘度。,焊
42、缝尺寸与形状不符合要求,焊缝尺寸与形状不符合要求主要表现为焊缝表面形状高低不平、宽窄不一、尺寸过大或过小、角焊缝单边尺寸以及焊脚尺寸不符合要求等现象，如图3-14所示。1.产生原因焊接电流过大或过小；焊件坡口角度不对，装配间隙不均匀；焊条质量差或焊接过程中电弧产生偏吹；焊条角度不对或焊接速度选择不当和运条手法不正确等。2.防止方法正确选择焊接参数，特别是焊接电流的选择，采用适当的焊条角度和运条手法，从而保证焊缝成形的均匀一致；选择适当的坡口角度和装配间隙。,第四单元金属的焊接性及其评定,【学习目标】通过本单元的学习，了解金属焊接性的概念，影响焊接性的因素，焊接性的分析方法，焊接性的试验内容、方
43、法分类及选择原则和常用的一些焊接性试验方法及应用。,综合知识模块一金属的焊接性,金属焊接性的概念,金属材料的焊接性是焊接金属材料的一项非常重要的性能指标，用来评定在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。金属的焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力(即是指金属材料对焊接加工的适应性)。它包括两个方面的内容：一是工艺焊接性；二是使用焊接性。,1.工艺焊接性工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。焊接性是一个相对的概念，对于某些金属来说，在简单的焊接工艺条件下，就能获得较好的接头，满足相应的使用要求，就可认为其焊接性优良
44、。而对于一些必须要采用很特殊的、很复杂的焊接工艺才能获得优质接头的金属材料，则认为其焊接性较差。,焊接过程与分析研究金属材料的工艺焊接性有关。对于一般熔焊来说，焊接过程都要经历加热、熔化、冶金反应和冷却四个过程，所以，工艺焊接性又分为热焊接性和冶金焊接性。,(1)热焊接性热焊接性是指在焊接过程中，对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。热焊接性是用来评定被焊金属对热作用的敏感性(晶粒长大及组织性能变化等)，它主要受被焊材质及焊接工艺条件的影响。(2)冶金焊接性冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发，氢、氧、氮的溶解，以及对气孔、夹杂、裂纹等缺
45、陷的敏感,2.使用焊接性使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度。使用焊接性主要是通过焊接工艺评定实现。包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性、耐磨性能等。由于结构的使用条件不同，所要求的焊接接头性能也有所不同。因此，焊接技术必须满足不同使用条件下各种性能的要求。,能力知识点2影响焊接性的因素,影响焊接性的因素很多，对于钢铁材料来说，可归纳为材料、设计、工艺及服役条件四类因素。1.材料因素钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理条件、组织状态和力学性能等因素都对焊接性有较大的影响，其中影响最大的是化学成分(包括杂质的分布)。对焊接性影响较大的元素有
46、碳、硫、磷、氢、氧和氮等。还有一些为了满足钢的某种性能而加入的元素,如锰、硅、铬、镍、钼、钛、钒、铌、铜和硼等合金元素，但它们却又不同程度地增加了钢的淬硬倾向和焊接裂纹的敏感性。,2.设计因素设计因素主要是指结构的形式，它对焊接接头的应力状态有影响，从而对焊接性产生影响。如：结构的刚度过大、接口断面的突变、焊接接头的缺口效应、过大的焊缝体积等，对造成脆性破坏都有不同程度的影响。在某些部位，焊缝过度集中和多向应力状态对结构的安全性也会产生不良影响。,3.工艺因素工艺因素包括施工时所采用的焊接方法、焊接工艺规程和焊后热处理等。对于相同的焊件，采用不同的焊接方法和工艺措施时，所表现出来的焊接性也是不
47、一样的。如对于有过热敏感的高强度钢，从防止过热出发，应选用窄间隙焊接、等离子弧焊接等方法，改善其焊接性。而对于灰铸铁的焊接，从防止白口组织角度出发，应选用气焊和电渣焊等方法。,4.服役条件因素服役条件指焊接结构的工作温度、受载类别和工作环境，如在高温条件下工作时，可能产生蠕变；在低温或冲击载荷下工作时，易发生脆性破坏；在腐蚀介质下工作时，接头会发生腐蚀等。总之，焊接结构的服役条件越不利，焊接性就越难保证。,评定焊接性的程序,对于一些新的材料、新的结构或新的工艺方法，在正式施工制造之前，都要经过焊接性分析和试验，预测在焊接过程中可能存在的问题，以评定其工艺焊接性及使用焊接性是否能达到要求。评价焊
48、接性的准则一般包括两方面的内容：一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定出合理的焊接工艺提供依据；二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。评定焊接接头工艺缺陷的敏感性，通常是进行抗裂性试验及气孔敏感性试验。评定焊接接头或结构的使用性能，要根据结构的工作条件和设计提出的技术要求来确定试验内容。,综合知识模块二分析金属焊接性的方法,利用化学成分分,分析和研究焊接性的目的，在于查明给定的钢种或材料在指定的焊接工艺条件下可能产生的问题及原因，以确定焊接工艺的合理性和钢种或材料材质的改进方向。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材料对焊接的适应能力。工艺焊接性是要解决该材料能不能焊
49、的问题，使用焊接性是要解决焊后能不能使用的问题。其中按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的化学成分分析方法。如碳当量法和冷裂纹敏感性指数法。,分析和研究焊接性的目的，在于查明给定的钢种或材料在指定的焊接工艺条件下可能产生的问题及原因，以确定焊接工艺的合理性和钢种或材料材质的改进方向。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材料对焊接的适应能力。工艺焊接性是要解决该材料能不能焊的问题，使用焊接性是要解决焊后能不能使用的问题。其中按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的化学成分分析方法。如碳当量法和冷裂纹敏感性指数法。,1.碳当量法的概念碳
50、当量鉴定法是间接判断焊接性最简便的方法。所谓碳当量法是把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当含量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。在钢的各种化学元素中，对焊接性影响最大的元素是碳，碳是引起淬硬的主要元素，所以把钢中含碳量的多少作为判断焊接性的主要指标。钢中含碳量越高，其焊接性就越差。钢中除碳元素外的其他合金元素如锰、铬、钼、铜、镍等对淬硬都有一定的影响，将这些元素根据它们对焊接性的影响大小，折合成相当的碳元素的含量，即碳当量，来间接判别焊接性,2.碳当量的估算公式碳当量的估算公式在世界各国根据本国的具体情况相继建立了很多公式。其中以国际焊接学会推荐的估算碳钢及低合金钢的公式应
