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常见焊接缺陷的分类(一)

 

    常见焊接缺陷的分类(一)
  焊接缺陷:指产品对技术要求的偏离,造成产品不能满足使用要求。主要有焊缝及其热影响区的不均匀性,不连续性及接头的组织性能不符合要求。    
焊接生产中焊接缺陷的类型是多种多样的,按其在焊接接头中所处的位置和表现形式的不同,可以办焊接缺陷分为两类:一类是外观缺陷;另一类是内部缺陷外部缺陷指的是用肉眼或简单的方法便可以从外部检查出来的  缺陷:焊缝尺寸不符合要求、咬边、弧坑、焊穿、焊瘤、严重飞溅、电弧擦伤、塌腰、表面裂纹、表面气孔电弧擦伤等。内部缺陷只能通过破坏性检查或无损探伤地方法来发现,如内部裂纹,内部气孔,夹渣,未焊透,未熔合,偏析,白点,以及接头的组织和性能不符合要求等。

  1.1裂纹

焊接过程中或焊接以后,在焊接应力及其它致脆因素的作用下,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,叫做焊接裂纹。
根据焊接生产中采用的钢种和结构类型的不同,可能遇到各种裂纹。裂纹发生的区域:焊缝上(焊缝表面,焊缝内部)热影响区上(热影响区表面和热影响区内部)焊缝和热影响区上(贯穿焊缝和热影响区)。有微观裂纹和宏观裂纹。有的裂纹焊后立即出现 ,有的憨厚一段时间后才出现。
根据裂纹的本质和特征,常见的有:热裂纹,冷裂纹,再热裂纹,层状撕裂。

 1.1.1热裂纹

热裂纹在高温下产生且都是沿奥氏体晶界开裂。热裂纹又分为:结晶裂纹,液化裂纹,多边化裂纹。
结晶裂纹:结晶裂纹的形成时期在焊缝金属结晶过程中且温度在固相线附近的高温阶段,基础在焊缝金属的凝固末期固液共存的阶段,产生原因:由于凝固金属收缩时,残余液相不足,知识沿晶界开裂,故称结晶裂纹。
结晶裂纹的一般特征:结晶裂纹存在焊缝上。从宏观上看,最常见的情况是沿焊缝中心长度方向上开裂,即纵向裂纹。其断口有较明显的氧化色彩的特征,表面无光泽,这是结晶裂纹在高温下形成的一个证据。从微观上看,结晶裂纹具有沿枝晶间或柱状晶间发展的特征,沿着晶粒边界分布,属于沿晶裂纹的性质,裂纹的走向与低熔共晶沿沿一次结晶晶界分布,具有完全一至的特征。由于裂纹发生在高温下,裂纹端部圆钝,并不平直扩展。结晶裂纹沿一次结晶晶界分布,是判断结晶裂纹的依据。
液化裂纹  焊接过程中,在焊接热循环峰值温度作用下,在母材近焊缝区与多层焊的层间金属中,由于低熔点共晶被加热熔化,在一定收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的开裂,即为液化裂纹。液化裂纹的一般特征如下;
液化裂纹产生的部位:一般是在母材近缝区中紧靠熔合线的地方,或多层焊焊缝的层间金属中。
裂纹的走向:在母材近缝区中裂纹沿过热奥氏体晶界发展;在多次焊焊缝金属中裂纹沿原始柱状结晶发展,也可是纵向的;并且在多层焊焊缝金属中,液化裂纹可以贯穿层间;在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。
液化裂纹的敏感温度区间是在固相线以下稍低的温度,及从低熔的晶间第二相开始熔化的温度到它全部熔化的且部分晶间金属也开始熔化的温度。
从被焊接材料上看液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金等材料。
多边化裂纹  焊接时,,焊缝或进焊缝区在固相线以下的高温区域,由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷和严重的物理及化学部均匀性,在一定的温度和应力作用下,由于晶格缺陷的移动和聚集,便形成了二次边界,即所谓的多边化边界,这个边界上堆积了大量的晶格缺陷,所以它的组织疏松,高温时的强度和塑性都降低,只要在此时受到少量的拉伸变形,就会沿多变化的边界裂开即为多边化裂纹。多边化裂纹的特征如下:
1、在焊缝金属中,多边化裂纹虽然是沿晶界发生和发展,但它是沿着新生的二次晶界分布的,或沿迁移后的晶界,或沿再结晶晶界,而不是沿一次晶界分布。因此,裂纹的发展方向与一次结晶晶界毫无关系。这是多边化裂纹的重要标志。
2、裂纹多发生在受高温的金属中,其部位并不都紧靠熔合线。这说明裂纹的产生和晶界液化并无关系。
3、裂纹附近常伴有再结晶晶粒的出现。
4、产生多变裂纹的敏感温度区间是在固相线以下的再结晶温度,即多变裂纹的产生,与冷却过程中由于一定收缩应变速率的作用导致产生的“第二脆性温度”区有关。
这类裂纹多发生在纯金属,或单相奥氏体合金钢的焊缝中或热影响区。这类裂纹虽归属热裂纹,但与结晶裂纹和液化裂纹的产生和发展有着本质的区别,及多变裂纹的产生与液膜无关,并而是由于空位、位错的移动和聚集,并沿多边化边界产生的裂纹

1.1.2冷裂纹

焊接接头在较低的温度下时产生的裂纹统称为冷裂纹。在有焊接裂纹所引起的事故中,有冷裂纹所造成的事故约占90%。
冷裂纹的特征:从冷裂纹的产生条件及形成原因看,它与其它焊接裂纹有着本质的区别。这些区别构成了冷裂纹的主要的特征。这些特征可作为判别裂纹性质的主要依据。冷裂纹的特征主要表现在以下几个方面
1、冷裂纹的形成温度  大量研究结果表明,对钢材来说冷裂纹形成的温度大体在100~-100°C之间,具体温度随母材与焊接条件不同而异
2、产生冷裂纹的材料  冷裂纹多产生于有淬硬倾向的低合金高强度和中、高碳钢的焊接接头。裂纹大都在热影响区,通常发源于熔合区,有时也出现高强度钢或钛合金的焊缝中。
3、冷裂纹的断口特征  宏观上冷裂纹的断口具有脆性断裂的特征,表面有金属光泽,呈人之形态发展。从微观上看,裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的晶界交错处。与热裂纹单一的沿晶界断裂不同冷裂纹可以沿晶界扩展,也可以穿晶扩展,常常是晶间与晶内断裂的混合。
4、冷裂纹产生的时间  冷裂纹有些出现在焊接过程中,但较多的是在焊后延续一段时间的采产生。延迟的时间可能是几小时,几天或者十几天,一般把有延迟现象的裂纹称为延迟裂纹。
5、冷裂纹的分布  根据裂纹的分布特点的不同可归纳分为四种类型。焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊跟裂纹、横向裂纹。
焊趾裂纹  这种裂纹起源于焊缝和母材的交界处,并有明显的应力集中的地方,焊缝的取向经常与焊缝的纵向的相同,一般有焊趾的表面开始 ,向母材深处延伸。
焊道下裂纹  这种裂纹经常发生在淬硬性较大,含氢量较高的钢种的焊接热影响区,一般情况下裂纹的取向与熔合线平行。
焊跟裂纹  沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹,称为焊跟裂纹,主要发生在含氢量较高、预热不足的条件下。
横向裂纹  横向裂纹起源于熔合线,沿垂直于焊缝长度方向扩展到焊缝和热影响区。横向多发生在多层焊表层下金属中。在为扩散至表面是只能在焊接接头的横截面上扩展。
冷裂纹主要产生在高碳钢、中碳钢、低合金钢或中合金高强钢的焊接热影响区。但是有些金属,如某些合金成分较高的超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也也产生在焊缝金属上。

  1.1.3消除应力裂纹

焊后焊件在一定温度范围内再次加热时,由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹,称为消除应力裂纹,又叫再热裂纹。
为防止残余应力造成结构的低应力脆性破坏,一些重要结构焊后要求进行消除应力处理。对某些材料焊后并未发现裂纹,而在消除应力处理过程中出现了裂纹。随着许多因消除应力裂纹造成的事故的发生,此种裂纹逐渐引起了人们的高度重视。
消除应力裂纹具有以下明显的特征
1、产生于焊后再次加热的条件,对于消除应力裂纹敏感性的钢,都存在一个最易产生消除应力裂纹的温度区间。如沉淀强化的低合金钢为500~700°C之间,在此温度范围内裂纹率最高而且开裂所需时间最短。不同材料产生消除应力裂纹的温度范围不同
2、消除应力裂纹大都产生在近缝区的粗晶区,至细晶区即止裂,近缝区的粗晶区是再热裂纹最敏感的部位。裂纹大多是沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展,并有典型的晶间断裂性质。在通常情况下,咋消除应力裂纹起于焊趾、焊跟等应力集中处
3、消除应力裂纹时以大的残余应力为决定条件的,因此消除应力裂纹常见于拘束较大的大型产品上应力集中的部位,应力集中系数K越大,开裂所需的临界应力δcr越低。
4、与母材的化学成分有关,含有  Cr、Mo、V等能起沉淀强化作用元素的钢,对消除应力裂纹的敏感性较高,此外,如沉淀硬化型的耐热合金,抗蠕变铁素体钢、沉淀硬化奥氏体钢的报告、也都有消除应力裂纹倾向
再热裂纹多发生在低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢,以及镍基合金等有沉淀强化元素的钢种的焊接接头中。也就是说,并非所有的钢或合金都有再热裂纹的敏感性,只有那些合金元素含量较多而又能使晶内发生沉淀硬化的材料,才具有明显的再热开裂倾向。
1.2气孔
焊接时熔池的气泡在凝固时未能逸出而残留下来形成的空穴,叫做气孔。气孔是常见的焊接缺陷之一,它不仅会出现在焊缝表面还会出现在焊缝内部,有时也贯穿整个焊缝厚度。
由于气孔中气体的不同,气孔的形态特征也不同,主要有氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔。
1、氢气孔  这类气孔主要时有氢引起的,对低碳钢来说,在大多数情况下这类气孔出现在焊缝表面上,气孔的断面形状多为螺钉状,从焊缝的表面上看呈喇叭状并且在气孔的周围有光滑的内壁。有时这类气孔也可能残存在焊缝的内部,如果焊缝中的含氢量过高,此时多以小圆球状存在,对于有色金属,氢气孔也会出现焊缝内部。
2、CO气孔  这类气孔主要是在焊接碳钢进行冶金反应时产生来了大量的CO,在结晶过程中来不及逸出残留在焊缝内部形成气孔。在多数情况下这类气孔产生在焊缝内部,气孔沿结晶方向分布,有些象条虫状,表面光滑。
3、氮气孔  氮气引起的气孔一般认为与氢的相似,气孔的类型也多在焊缝表面,但多数情况下是成堆出现,与蜂窝相似。在现代焊接生产中有氮气引起气孔的机会较少,主要发生在保护条件较差,空气侵入熔池较多时,将引起氮气孔。
气孔在焊缝中的存在,它不仅削弱焊缝的有效工作截面,同时也带来应力集中,显著降低焊缝金属的强度和韧性。气孔对在动载下,特别是在交变载荷下工作的焊接结构更为不利,它显著降低焊缝的疲劳强度。焊缝中的气孔也破坏了焊缝金属的致密性
1.3接头组织和性能不符合要求
指焊接的焊缝和热影响区的组织和性能达不到使用要求。
焊缝的缺陷:焊缝的化学成分不符合要求(有用元素的烧损,有害元素的渗入)。焊缝的组织不符合要求(焊缝区的结晶具有显著的方向性,粗晶结构)。
热影响区的缺陷:组织不符合要求(过热和过烧组织,晶粒粗大,淬硬脆化组织等)。
1.4焊缝残余变形
指焊接后残余结构中的变形。
焊接结构焊接后一般都会有不同程度的残余变形,如果焊接结构的变形量超过了允许值,造成焊接缺陷影响使用性能。
焊接残余变形的常见类型
1、纵向收缩变形 焊缝焊后在焊缝方向上发生的变形。
2、横向收缩变形 指焊件焊后在垂直方向上发生的变形。
3、绕曲变形 指焊件焊后发生的绕曲。可以有焊缝的纵向收缩引起也可以由焊缝的横向收缩引起。
4、角变形 指焊后焊件的平面围绕焊缝产生的角位移。
5、螺旋变形 指焊件焊后在结构上发生的扭曲。
6、波浪变形 指焊件焊后呈波浪形。
7、错边变形 指在焊接过程中,两焊件的热膨胀不一致,可能引起长度方向的错边和厚度方向上的错边。
上述几种类型的变形,在实际生产中往往并不是单独出现的,是同时出现相互影响。
1.5偏析
焊缝金属中化学元素分布不均匀的现象,称为偏析。焊缝中的偏析将影响焊缝的各项性能,严重偏析时将与焊缝裂纹有密切关系。焊缝中偏析主要有以下三种
1、显微偏析  根据金属学的知识,合金的凝固过程是在一定温度范围内进行。而在连续冷却的过程中,先后凝固的合金成分不同。先从液相中析出的固相中溶质含量较低,后析出的固相则溶质含量较高。在焊接条件下,由于冷却速度很高而来不及扩散,这种成分的差异将在很大程度上保留在焊缝金属中。这就形成了显微偏析。
2、区域偏析  在焊缝凝固过程中柱状晶前沿推进的同时把低熔点物质排挤到焊缝中心,使焊缝中心杂质的浓度明显增大,造成整个焊缝横截面范围内形成明显的成分不均匀性,及区域偏析。由于区域偏析是在宏观的尺寸范围形成的,故又称宏观偏析
3、层状偏析  如将焊缝的横截面进行抛光浸蚀,就会看到颜色不同的风分层结构,层状线与熔合线轮廓相似,各层基本平行,但距离不等。焊缝表面经过抛光浸蚀也可看到同样的层状线,实验证明,这些分层成分作周期变化的表现。因溶质浓度不同色区域,对浸蚀剂的反应不同,浸蚀颜色就不同。溶质浓度较高的区域颜色较深,有溶质浓度的降低区域颜色逐渐变淡。这种偏析称为层状偏析。层状偏析对焊缝质量的影响目前研究的也不够充分。现已发现,层状偏析不仅可使焊缝金属的力学性能不均匀,有时还会沿层状线产生气孔或裂纹等缺陷。
1.6夹渣
夹在焊缝中的熔渣或非金属夹渣物统称为夹渣。夹渣是焊缝中常见的焊接缺陷之一,它对焊缝的危害很大,它减少了焊缝的有效工作面积,降低了焊缝强度,冲击韧性,并降低了焊缝的抗腐蚀能力。尤其呈尖状的夹渣引起的应力集中几乎和裂纹相等。焊接钢铁材料是氧化物夹杂成分主要有二氧化硅,其次是氧化锰、二氧化钛和氧化铝等,一般多以硅酸盐形式存在,这种夹杂物的危害性较大,常因在焊缝中有这类夹杂物的存在而引起热裂纹。氮化物夹杂主要是铁的氮化物,它以针状分布在晶粒上贯穿晶粒的边界,会使焊缝的塑性急剧下降。硫化物夹杂中,硫化铁的危害最大,它沿晶粒周界析出,并与Fe或FeO形成低熔点共晶,它是促进生产热裂纹的重要因素之一。
1.7未焊透和未熔合
焊接接头中,焊缝金属与母材间未被电弧熔化而留下的空隙,叫未焊透。根据未焊透产生的部位可分为边缘、层间未焊透和根部未焊透。
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;点焊时母材与母材未完全熔化结合的部分,统称为未熔合。根据其发生的部位不同可分为根部未熔合和层间未熔合。
1.8咬边
在焊缝边缘母材上被电弧烧熔的凹槽较咬边。咬边时一种比较危险的焊接缺陷,它不仅减少了焊接接头的工作截面,而且在咬边处造成严重的应力集中。过深的咬边将显著降低焊接接头的强度,有可能在咬边处导致结构破坏。所以,在重要结构后受动载荷的结构中,一般不允许有咬边缺陷存在。
1.9弧坑
弧坑是指焊缝收尾处产生的下陷现象。弧坑会使焊缝收尾处的强度严重下降,当结果受力时容易在此处破坏,对于某些材料,如中碳钢、低合金结构钢等还会在弧坑出产生弧坑裂纹,是焊缝强度薄弱部位,有个能在受力的情况下有弧坑裂纹导致整个焊缝的破坏
1.10焊缝尺寸不符合要求
焊缝尺寸不符合要求主要指焊缝宽度和焊缝增高量不合技术要求,具体表现有如下特征
1、沿焊缝长度上焊缝尺寸不均匀
2、角焊缝焊脚尺寸偏移量过大或焊脚尺寸不够
3、焊缝的增高量过低或过高
4、焊波不整齐,焊缝表面粗糙,高低不平
焊缝尺寸不符合要求是,将会影响焊接接头的使用性能。沿焊缝长度上的焊缝尺寸不均匀,以及角焊缝焊脚尺寸不够或焊脚尺寸偏移量过大,这些都会降低焊接接头强度。尺寸过大的焊缝不仅浪费焊接材料,还将引起焊接应力集中,增加焊接变形;焊缝增高量过低使接头强度下降,焊缝增高量过高,造成应力集中,减弱结构的工作性能。在承受动载荷的情况下,焊缝增高量应趋于零值;在其它工作条件下,增高量可在0~3mm范围内选取;焊缝宽度不做具体规定,但必须保证焊缝在每侧的熔合宽度不小于2~4mm,并且应与母材有均匀圆滑的过渡。保证焊缝表面的焊波光滑美观,否则,容易造成应力集中,不利于结构的正常使用。
1.11电弧擦伤
电弧擦伤也叫弧疤。虽然创面不大,但危害很大,能导致以下严重缺陷:
1、擦伤本身或其邻近区,容易形成小裂纹,这对产品使用的安全造成极大的危害,在某些条件还会引起锅炉、压力容器的爆炸。所以,对锅炉、压力容器等重要产品,电弧擦伤这类缺陷时不允许的。 
2、由于在电弧擦伤处,冷却速度较快,使弧疤本身的热影响区产生淬硬组织;弧疤不规则状态,会造成应力集中。不锈钢上的擦伤,能破坏不锈钢的耐腐蚀性能。

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