埋弧焊常见焊接缺陷的成因分析及对策

影响焊接缺陷的因素（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。（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。常见焊接缺陷的原因分析（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°C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。首先需要分析冶金因素。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。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)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。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。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。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。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、格等的碳化物)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。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，焊丝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，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等因素也会增加氧气孔。此外，埋弧自动焊电压过高等，接头未清理干净，焊剂中混有垃圾，焊剂覆盖层厚度不当或焊剂斗阻塞，焊丝表面清理不够，电压过高都易在焊接过程中产生气孔。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的出现。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。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。偏析的产生原因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。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。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。夹渣的产生原因坡口尺寸不合理；坡口有污物；多层焊时，层间清渣不彻底；焊接线能量小；焊缝散热太快，液态金属凝固过快；焊条药皮,焊剂化学成分不合理，熔点过高；多层分道焊时，焊丝位置不当。未焊透和未熔合产生原因产生未焊透的原因：焊接电流小，熔深浅；；坡口和间隙尺寸不合理，钝边太大；磁偏吹影响；焊条偏芯度太大；层间及焊根清理不良；焊丝未对准。产生未熔合缺陷的原因：焊接电流过小；焊接速度过快；焊条角度不对；产生了弧偏吹现象；焊接处于下坡焊位置，母材未熔化时已被铁水复盖;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；焊缝局部弯曲过甚。（10）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，焊丝速度太小所造成的。焊丝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，焊丝位置或角度不正确，焊接参数不当等都会造成咬边。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也是产生咬边的常见原因。3.常见焊接缺陷的防止措施（1）防止结晶裂纹的措施防止结晶裂纹主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金措施更为重要。控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。硫、磷、碳等元素主要来源于木材和焊接材料，因此首先要杜绝其来源，具体措施：第一，对焊接结构用钢的化学成分在国家或行业标准中都做了严格规定，如锅炉及压力容器用钢一般规定Ws、Wp均＜0.035%，强度级别较高的调质钢要求更严；第二，为了保证焊缝中有害元素低于母材，对焊丝用钢、焊条药皮、焊剂原料中的碳、硫、磷含量也做了更严格的规定，如焊丝中碳、硫、磷含量均低于同牌号的母材。对熔池进行变质处理。通过变质处理细化晶粒，不仅可以提高焊缝金属的力学性能，还可以提高抗结晶裂纹能力。调质熔渣的碱度。实验证明，焊接熔渣的碱度也高，熔池中脱硫、脱氧越完全，其中杂质越少，从而不易形成低熔点化合物，可以显著降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。因此，在焊接较重要的产品时，应选用碱性焊条和焊剂。防止结晶裂纹的工艺措施在产品一定的条件下，工艺措施不仅可调节冷却速度而影响变形率，而且通过熔合比及焊缝成形系数的变化也能影响焊缝的化学成分和偏析情况。防止结晶裂纹的工艺措施如下：调整焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。为了调整成形系数，必须合理选择焊接参数。一般情况下，成形系数随电弧电压的升高而增加，对焊接电流的增加而减小。当线能量不变时，则焊速越大，裂纹倾向越大。调整冷却速度冷却速度越高，变形增长率越大，结晶裂纹倾向越大。降低冷却速度可通过调整焊接焊接参数或预热来实现。用增加线能量来降低冷却速度的效果是有限的，采用预热的效果则较明显。但要注意，结晶裂纹形成于固相线附近的高温，需要较高的预热温度才能降低高温的冷却速度。高温预热成本高，劳动条件恶劣，有时还会影响焊接金属的性能。在生产中，只在焊接一些结晶裂纹非常敏感的材料时，才用预热来防止结晶裂纹。调整焊接顺序，降低拘束应力。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。在产品尺寸一定时，合理安排焊接顺序，对降低焊接接头的刚度、减小内变形有明显的效果，从而可以有效地防止结晶裂纹。上面结合影响结晶裂纹的因素介绍了一些主要的告知措施。生产中的实际情况比较复杂，必须根据具体条件（材料、产品结构、技术要求、工艺条件）抓住主要未能，才能做到针对性的采取措施。（2） 冷裂纹的防止措施在冶金方面采取如下措施：选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接工艺方法是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。此外采用低匹配的焊条对于防止裂纹也是有效的。严格控制氢的来源也是降低氢的可靠途径，因为采用低氢焊材和低氢焊接方法还不能保证获得低氢的焊缝。还要仔细烘干焊丝焊剂，注意环境的湿度。对焊丝钢板坡口附近的铁锈，油污应仔细清理。适当加入某些合金元素。提高焊缝金属的韧性，也可防止冷裂纹的产生。在工艺方面：包括正确制定施工程序，选择焊接线能量，预热温度，焊后后热以及焊后热处理等。为改善结构的应力状态，应合理地分布焊缝的位置和施焊的顺序。（3） 再热裂纹的控制措施选用再热裂纹敏感性小的母材，这是最根本的措施。选用的材料最好在敏感温度区里不出现有损晶界塑性的相变。实践证明，铭钼钢中铭大于1.5%的要比小于1%好。避免采用应力集中的结构，同时也应力求避免造成应力集中的缺陷（夹渣、未焊透等）。在满足设计要求的前提下，应选择高温强度低于母材的焊缝，可多承担相应力的松弛，以避免在热影响区产生裂纹。提高预热温度，焊后采用缓冷方法，均可减少再热裂纹的发生。实践证明，用低强度高速型的焊缝盖面，或焊完后用钨极氩弧焊将表面焊缝重熔一次，也可以减缓残余应力，有利于减少再热裂纹。总述，对于埋弧焊中裂纹的防治方法有：合理选配焊接材料；选用合格焊丝；适当降低焊速、焊前预热和焊后缓冷；焊前适当预热或减小电流，降低焊速（双面焊适用）；调整焊接参数和改进坡口；调整焊接参数和改变极性（直流）合理安排焊接顺序；焊前预热及焊后缓冷。（4） 防止产生气孔的措施清除焊丝，工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。焊剂按规定烘干。焊前预热，减缓冷却速度。用偏强的规范施焊。焊剂必须过筛、吹灰、烘干.调节焊剂覆盖层高度，疏通焊剂斗。（5） 防止接头组织和性能不符合要求的措施调整焊接工艺：当功率P不变时，增大焊接速度v可使焊缝晶粒细化；当线能量E不变时提高P和v，也可使焊缝晶粒细化。此外为了减少熔池金属过热，在埋弧焊时可以向焊缝金属中送进附加的冷焊丝，或在坡口预置碎焊丝。焊后热处理：焊后热处理可分别起到改善组织，性能，消除残余应力或排除扩散氢的作用。焊后进行正火和淬火+回火，可以改善焊缝的组织与性能。对于由于化学成分引起的焊缝性能不符合要求应采用在焊剂中添加易烧损的有用元素以补偿在熔池中烧损的元素。（6）防止焊缝残余变形的措施设计措施：合理地设计焊缝的尺寸和形状焊缝的尺寸和形状直接关系到焊缝变形的大小。焊缝尺寸大焊接变形大。因此，在保证结构的承载能力的情况下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。尽可能的减少不必要的焊缝在焊接结构中