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常见焊接缺陷原因分析(二)

 

    常见焊接缺陷原因分析(二)

  1 影响焊接缺陷的因素
1.1材料因素:

所谓材料因素是指被焊的母材和所使用的焊接材料,如焊丝、焊条、焊剂、以及保护气体等。所有这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学反应,其中母材本身的材质对热影双区好性能起音决定性的影响。显然所采用的焊接材料对焊缝金属的成份和性能也是关键的因素。好果焊接材料与母材匹配不当,则不仅可以引起焊接区内的至纹、气孔等各种缺陷,而且也可能可起脆化、软化或耐腐蚀等性能变化。所以,为保证获得良好的焊接接头,必须对材料因素予以充分的重视。

  1.2工艺因素

大量的实践证明,同一种母材在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下,其焊接质量会表现出很大的差别。焊接方法对焊接质量的影响主要可能在两方面:首先是焊接热源的特点,也就是功率密度、加热最高温度、功率大小等,它们可直接改变焊接热循环的各项参数,如线能量大小、高温停留时间、相变温度区间的冷却速度等。这些当然会影响接头的组织和性能;其次是对熔池和附近区域的保护方式,如熔渣保护、气体保护、气-渣联合保护或是在真空中焊接等,这些都会影响焊接冶金过程。显然,焊接热过程和冶金过程必然对接头的质量和性能会有决定性的影响。
2、常见焊接缺陷的原因分析

  2.1结晶裂纹

从金属结晶理论知道,先结晶的金属纯度比较高,后结晶的金属杂质较多,并富集在晶粒周界,而且这些杂质具有较低的熔点,例如,一般碳钢和低合金钢的焊缝含硫量较高时,能形成FeS,而FeS与Fe发生作用形成熔点只有988℃的低熔点共晶。在焊缝金属凝固过程中,低熔点共晶被排挤在晶界上,形成“液态薄膜”由于液态薄膜的存在减弱了晶间之间的结合力,晶粒间界的液态薄膜便成了薄弱地带。又因为焊缝金属在结晶的同时,体积在减小,周围金属的约束引起它的收缩而引起焊缝金属受到拉伸应力的作用下,于是相应地产生了拉伸变形。若此时产生的变形量超过了晶粒边界具有的变形塑性时,即可沿这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。
可见,产生结晶裂纹的原因就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果。因此,液态薄膜是产生结晶裂纹的根源,而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。
至于近缝区的结晶裂纹,原则上与焊缝上的结晶裂纹时一致的。在焊接条件下,近缝区金属被加热到很高的温度,在熔合区附近达到半熔化状态。当母材金属含有易熔杂质时,那么在近缝区金属的晶界上,同样也会有低熔共晶存在。这时在焊接热的作用下,将会发生熔化,相当于晶粒间的液态薄膜,与此同时,在拉伸应力的作用下就会开裂。
焊缝上的结晶裂纹和近缝区的结晶有着相互依赖和相互影响的关系。近缝区的结晶裂纹可能是焊缝结晶裂纹的起源。
结晶裂纹的影响因素:通过以上分析可知,结晶裂纹的产生取决于焊缝金属在脆性温度区间的塑性和应变,前者取决于冶金因素,后者取决于力的因素。力的主作用是产生结晶裂纹的的必要条件,只有在力的作用下产生的应变超过材料的最大变形能力时,才会开裂。首先分析冶金因素。
冶金因素对结晶裂纹的影响:按照金属学的基本原理,决定金属材料性能的根本原因是化学成分。成分的变化将改变合金各组元的溶解度、相得组成与比例、结晶形态及晶粒尺寸。这些因素都将影响焊缝金属的塑性,因而直接或间接的影响结晶裂纹的敏感性。
1、常见合金元素的影响  合金元素对结晶裂纹敏感性影响的规律很复杂,其中既有元素本身的单独作用,也有合金之间的相互作用。下面仅讨论低碳合金钢与合金钢常见合金元素的影响。
(1)硫、磷。硫和磷都是提高结晶裂纹敏感性的元素。它们的有害作用来自以下介几个方面。首先,钢中含有硫或磷,结晶温度区间明显加宽;其次硫和磷能在岗中形成多种低熔点共晶,这些共晶在焊缝金属凝固后期形成液态薄膜;最后,硫和磷都是偏析度较大的元素,容易在局部富集,更有利于形成低熔点共晶或化合物。液态薄膜或偏聚的低熔点物质,都会是金属在凝固后期的塑性急剧下降。因此,硫、磷都是明显提高结晶裂纹的元素,对焊接质量危害极大
(2)碳。碳时钢在必不可少的元素,但在焊接时也是提高结晶裂纹敏感性的主要因素。碳不仅本身造成不利影响,而且促使硫、磷的有害作用加剧
(3)锰。锰可以脱硫,脱硫产物MnS不溶于铁可进入熔渣,少量残余在焊缝金属中程弥散分布,对钢的性能物明显影响。因此,在钢焊缝中锰可以抑制硫的有害作用,有助于提高焊缝的塑性,因而可提高其抗结晶裂纹的能力。
(5)硅。硅对结晶裂纹的影响以含量不同而不同。硅是δ相形元素,含量较低时有利于防止结晶裂纹。但当Wsi≥0.42%时,由于会形成低熔点的硅酸盐反而是裂纹倾向增大。
此外,一些可形成高熔点硫化物的元素如Ti、Zr和一些稀土金属,都具有很好的脱硫效果,也提高焊缝金属的抗结晶能力。一些能细化晶粒的元素,由于晶粒细化后可以扩大晶界面积,打乱柱状晶的方向性,也能起到抗结晶裂纹的作用。但Ti、Zr和稀土金属与氧的亲和力很强,焊接时通过焊接材料过渡池中比较困难
根据各种元素对低碳钢和低合金钢焊缝结晶裂纹敏感性的影响,可以分为四种类型见表
  表3-1元素对低碳钢和低合金钢焊缝结晶裂纹敏感性的影响
增加形成结晶裂纹 <时影响不大
>时促使开裂
降低焊缝的裂纹
倾向
尚未取得一致意见
C、S、P
Cu、Ni(当S、P
同时存在时)
Wsi(0.4%)
Wmn(0.8%)
Wcr(0.8%)
Ti、Zr
稀土AL等
Wmn<0.8%
N、O、As
最后强调的是,同一合金元素在不同的合金系统中影响不一定相同。以Mn为例在大多数情况下Mn时防止结晶裂纹有效地元素;但与Cu共存时,增加Mn反而不利,这就是Mn与Cu相互作用促使晶间偏析严重发展所致。合金元素的影响是通过对焊缝凝固后期变形能力的大小而起作用的。
2、易熔相的影响。晶界存在易熔第二相是生成结晶裂纹的重要原因,但也与其分布形式有关。易熔相在凝固后期以液态薄膜形式存在时裂纹倾向明显增大;而若以球状分布时,则裂纹倾向明显减小。
此外,大量的实验证明,低熔点共晶的数量超过一定限度后对结晶裂纹反而有“愈合”作用。这是因为在低熔点共晶较多时,可以自由流动,填充开裂的部位,结晶裂纹反而减少。当Wsi较少时,低熔点共晶数量较少,不足以形成裂纹,裂纹减少;当合金元素Si增多,以致在晶界形成较多的易熔物质,削弱了晶粒间的联系塑性下降,裂纹数量增加;当合金元素Si增加到一定数量,低熔点共晶多到足以起到愈合作用时,裂纹数量反而减少。
利用较多的低熔点共晶的愈合作用,以防止结晶裂纹的形成,在焊接共晶型的铝合金时得到较多的应用。
力的因素对结晶裂纹的影响  如前所述,力的作用是产生结晶裂纹的必要条件,只有在力的作用下产生的应变超过材料的变形能力δmin时,才会开裂。
冶金因素和力的因素是影响结晶裂纹形成的两个主要因素,二者之间既有内在的联系,又有各自独立的规律。分析这些因素的作用的主要目的就是找到防止结晶裂纹的措施。
至于近缝区的结晶裂纹,原则上与焊缝上的结晶裂纹时一致的。在焊接条件下,近缝区金属被加热到很高的温度,在熔合区附近达到半熔化状态。当母材金属含有易熔杂质时,那么在近缝区金属的晶界上,同样也会有低熔共晶存在。这时在焊接热的作用下,将会发生熔化,相当于晶粒间的液态薄膜,与此同时,在拉伸应力的作用下就会开裂。

  2.2液化裂纹

液化裂纹是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属,在高温下使这些区域的奥氏体晶界上低熔共晶组成物被从新熔化,在拉伸应力的作用下,沿奥氏体晶界开裂而形成液化裂纹。另外,在不平衡的加热和冷却条件下,由于金属间化合物分解和元素的扩散,造成局部地区共晶成分偏高而发生局部晶间液化,同样也会产生液化裂纹。由此可知,液化裂纹也是由冶金因素和力学因素共同作用的结果。
    虽然形成液化裂纹的冶金因素和力学因素与结晶裂纹有共同之处,但由于近缝区和层间金属在凝固状态下经历的快速加热与冷却,因而处于更为复杂的应变状态,使之有自身的特殊规律。例如,在相同的焊接条件下,单道焊时焊缝中并未出现结晶裂纹,而在多道焊时却在层间金属出现了液化裂纹。这意味这,结晶裂纹倾向小的焊缝并不一定具有良好的抗液化裂纹能力。

  2.3 多边化裂纹

多边化裂纹经常出现在多层焊焊缝与近缝区金属中。从力学因素上看,由于反复加热与冷却,产生了复杂的应力应变状态,为导致裂纹出现提供足够高的应变速率。从冶金因素上看,在结晶过程中,在结晶前沿下的固态金属中的大量点阵缺陷(空位和位错),由于快速冷却不易扩散消失,而保留在焊缝金属内;近缝区金属中由于快速加热膨胀,快速冷却收缩,点阵缺陷的浓度也将大大超过与一定温度所对应的平衡浓度。此外,不管是焊缝金属还是近缝金属,由于收缩应变的作用,点阵中的畸变能增高,然后在一定的温度和应力的条件下,这些缺陷由高能部位向低能部位转移和聚集。使原来杂乱分布的,统计均匀的点缺陷,经过重新分布,转变成较为稳定的具有“位错壁”的“亚结构”,这就是所谓的“多变化”现象。而那些由位错排列而成的稳定,整齐的小角度晶界,即为多边化边界。
由于多变化主要发生在晶格缺陷密度大的部位,所以,在某些多变化边界可能形成超微观裂纹。特别是多边界和富集有有害杂质的部位相重合时,产生超微观裂纹的可能性就更大。在拉伸应力的作用下,这种超微观裂纹可以发生成为微观裂纹,并延伸到结晶前沿。这是在“析集毛细现象”的作用下,可以从熔池金属中渗入微裂纹中大量表面活性物质,使微裂纹进一步扩展,于是形成所谓多变化裂纹。

  2.4冷裂纹

在焊接生产中经常遇到的主要是延迟裂纹,高强钢焊接时产生延迟裂纹的主要原因是:钢种的淬硬倾向;焊接接头的含氢量及其分布;以及焊接接头的拘束应力状态。上述三条是产生延迟裂纹的三大因素。这三个因素在一定条件下是相互联系,相互制约和相互促进的。
1、钢种的淬硬倾向 焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分,其次是焊接工艺,结构板厚及冷却条件 等。
钢种的淬硬倾向越大在焊接时会产生更多的马氏体组织。特别在近缝区的加热温度很高时奥氏体晶粒严重长大,在快速冷却时,粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。如果钢种的含碳量很高时,就形成了呈片状的孪晶马氏体。孪晶马氏体的硬度很高,组织很脆,在一定的应力条件下将发生脆性断裂。由于孪晶马氏体对于裂纹和氢脆的敏感性特别强。因此,焊接的热影响区和焊缝的孪晶马氏体越多,则越容易产生裂纹。另一方面钢种的淬硬性越大,也意味着会产生越多的晶格缺陷。金属在焊接时由于受热不平衡的条件下所形成的晶格缺陷主要是空位,在相变应力的作用下可产生较多的位错。空位和位错都会在焊接应力的作用下,发生移动和聚集,当浓度达到一定程度就会产生裂纹源,在盈利的继续作用下就会不断扩展形成宏观的裂纹。
2、氢的作用  氢是引起焊接件产生延迟裂纹的主要原因并且具有延迟的特征。
焊接接头的含氢量越高,则裂纹的倾向越大,当含氢量超过某一临界值时,便开始出现裂纹。之后随着含氢量的增多,裂纹的尺寸和数量也在不断的增多。产生延迟裂纹的临界含氢量因钢种的化学成分,预热温度以及冷却速度等而异。虽着碳当量的提高,产生裂纹的临界含氢量将降低。
3、焊接接头的拘束应力状态  在焊接时主要存在以下应力:不均匀加热和冷却所产生的热应力,在焊接时  焊接区由于受热发生膨胀,因而承受压应力,冷却时由于收缩又承受拉应力,焊后将产生不同程度的残余应力。在力的做用下,会引起氢的聚集产生氢致裂纹;金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨胀;结构自身拘束条件所造成的应力 包括结构的刚度,焊缝的位置,焊接顺序,构件的自重,负载情况,以及其它受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。当焊接应力达到临界拘束应力值时,就可能开始产生裂纹。

  2.5再热裂纹产生的原因

对于形成再热裂纹的机理,至今还没有较全面和确切的解释,从晶内二次硬化、晶界杂质的析集和蠕变脆化的观点进行的解释,都只能适应再热裂纹的某些特征。总的认为再加热时,由于第一次热过程中饱和的碳化物(主要是钒、钼、铬等的碳化物)再次析出,造成晶内强化、使滑移应变集中于原先奥氏体晶界,而再加热时晶界上又会析集钢中的有害杂质(如锑、砷等),降低了晶界塑性应变能力,即造成晶界的弱化或脆化,当晶界的塑性应变能力不足以承受松弛应力过程中所产生的应变时,就产生再热裂纹。

  2.6气孔的产生原因

气孔的形成机理常温固态金属中气体的溶解度只有高温液态金属中气体溶解度的几十分之一至几百分之一,熔池金属在凝固过程中, 有大量的气体要从金属中逸出来。当凝固速度大于气体逸出速度时, 就形成气孔。
    产生气孔的主要原因母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小,熔池冷却速度大,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。
    气孔的危害气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松,从而降低 了接头的强度,降低塑性,还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因 素。氢气孔还可能促成冷裂纹。

  2.7接头组织和性能不符合要求的产生原因

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。

  2.8焊缝残余变形的产生原因

焊接过程对焊件进行了局部的,不均匀的加热是产生焊接变形的原因。焊接以后焊缝和焊缝附近的金属都发生缩短。缩短主要发生在两个方面:沿着长度方向的纵向收缩和垂直于焊缝长度方向上的横向收缩。正是由于焊缝及其附近金属有这两个方向的收缩和收缩所引起的这两个长度方向上的缩短造成了焊接结构的各种变形。

  2.9偏析的产生原因

a.显微偏析产生的原因是,焊缝金属在凝固过程中,液,固两相是在变化着的。一般来讲先结晶的固相比较纯,而后结晶的固相含溶质的浓度较高,并富集了许多杂质,由于焊接过程冷却较快,固相(晶粒)内的成分来不及扩散,在一定程度上保持着由于由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性,从而形成了偏析。
b.区域偏析产生的原因是,在焊缝结晶时,由于柱状晶粒继续长大和推移,此时会把溶质和杂质“赶”向熔池的中心。这时熔池中心的杂质浓度逐渐升高,只是在最后凝固的部位产生严重的偏析。
c.层状偏析产生的原因是,结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能输入周期性变化,致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化,正是有这种热的周期性作用而引起层状偏析。

  2.10夹渣的产生原因

a.坡口尺寸不合理;
b.坡口有污物;
c.多层焊时,层间清渣不彻底;
d.焊接线能量小;
e.焊缝散热太快,液态金属凝固过快;
f.焊条药皮,焊剂化学成分不合理,熔点过高;
g. 钨极惰性气体保护焊时,电源极性不当,电、流密度大, 钨极熔化脱落于熔池中。
h.手工焊时,焊条摆动不良,不利于熔渣上浮。

  2.11未焊透和未熔合产生原因

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。
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。
5、焊接处于下坡焊位置,母材未熔化时已被铁水复盖。
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。

  2.12咬边的产生原因

产生咬边的主要原因是电弧热量太高,即电流太大,运条速度太小所造成的。焊条与工件间角度不正确,摆动不合理,电弧过长,焊接次序不合理等都会造成咬边。直流焊时电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因。某些焊接位置(立、横、仰)会加剧咬边。咬边减小了母材的有效截面积,降低结构的承载能力,同时还会造成应力集中,发展为裂纹源。

  2.13弧坑的形成原因

弧坑是在手工电弧焊时,由于息弧速度过快,焊接薄板时使用的焊接电流偏大,在操作时突然断弧等原因而产生。在埋弧自动焊时,主要没有遵守先停机,然后切断电源的操作规程。在钨极氩弧焊断弧时,由于电弧无衰减或衰减太快,也必然会引起弧坑。

  2.14焊缝尺寸不符合要求的产生原因

焊缝坡口开得不当或装配间隙不均匀;焊接规范选择不适当,如电流过大或过小,焊接速度过快或过慢;焊接操作不熟练,如运条手法不正确,焊条与工件夹角太大或太小。

  2.15电弧擦伤的产生原因

对于手工焊时电弧擦伤的主要原因是由于操作者偶尔不注意或随意随意乱打弧而造成的。在压力容器的实际生产中遇到过由于并未将电缆线与工件相连接而是将电缆线与转胎相连接而后由转胎与工件相连接。由于转胎与工件是相对运动的在焊接时其电阻不稳定往往在转胎与工件之间产生电弧使焊件被电弧擦伤。

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