常见焊接缺陷的成因分析及对策.doc

河南机电高等专科学校毕业论文1绪论1.1焊接技术的应用随着焊接技术的不断成熟在当今工业生产中几乎应用于各个部门的生产中。焊接技术已成为发展工程结构的强有力的技术手段，已得到广泛的承认和信赖。1.2焊接技术的优越性焊接技术之所以能够广泛应用于焊接结构中，主要由焊接技术的以下优越性造成的。首先，焊接结构生产容易实现“高效益、低成本”的要求。1、结构设计可具有很大的灵活性，可以充分运用现代的经济设计原理，导致新型结构的广泛使用2、可以有效的节省材料，费用低，在经济方面有明显的优越性。3、制造安装速度快，能适应迅速变化的市场需要。其次，焊接结构安全可靠性得到信赖1、焊接连接技术与焊接科学的形成，时多学科交融和相互渗透的结果。新材料的发展带来连接技术的新概念，促进新型焊接设备的发展了，推动高新科技技术的应用，有促进新材料的发展。焊接技术水平的不断发展提高，为高效优质生产焊接结构提供了重要基础。2、焊接冶金理论日益完善，为改进工程材料和完善配套的焊接材料，取得了显著的进展已可保证焊接质量能完全满足产品的设计要求。3、焊接结构理论的发展，使得设计更具合理性，而焊接结构的紧密性和较大的刚度，可使焊接结构能更准确地符合设计规定，更适于承受疲劳载荷以及冲击和剧烈振动等工作条件可以适应各种类型结构要求。4、对结构的设计、制造、安装和检验均已制定了可靠的质量控制标准。这些标准都是各国多年研究和实践的总结，使得对焊接质量的控制有了统一的认识，方便了用户的验收工作从而促进了焊接结构的广泛应用。我国已在等效采用了这些标准，必将进一步推动我国焊接结构的发展。1.3焊接缺陷对焊接工程质量的影响在实际的焊接生产中焊接工程质量始终与焊接缺陷有联系。这些缺 缺陷没有经过适当的处理而直接应用于生产中往往会造成严重的后果如上图为我在厂实习期间企业的行车（本厂自行改造的）由于焊缝（改造件与原行车的焊缝）的质量问题造成行车的严重损坏。如上右图图左侧的断裂发生在焊缝金属上，主要原因是由于未焊透造成的。右侧的断裂面发生在焊缝的热影响区上，主要原因是由于热影响区的组织不符合要求，焊缝并未完全焊透造成的。考虑到焊接的实际工作环境：改造时为高空作业和焊接母材的厚度母材事先并未开坡口（保证完全焊透）。在设计方面将焊缝设计在主要受力部位并未对其相应部位进行适当的加强。由此可见焊接缺陷的危害是巨大的必须认真研究焊接缺陷的分类形成原因，从而根据实际情况采取相应的对应措施，来防止缺陷的形成。如产生焊接缺陷必须对焊缝进行返修合格后才能应用于生产工作中。2常见焊接缺陷的分类焊接缺陷：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。2.1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。2.1.1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2.1.2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100-100C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 图2-1冷裂纹上看，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。2.1.3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500700C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cr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。2.2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2.3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）。2.4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。2.5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。2.6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。2.7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。2.8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。2.9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2.10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03mm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24mm，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。2.11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。3常见焊接缺陷原因分析3.1 影响焊接缺陷的因素3.1.1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。3.1.2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。3.2常见焊接缺陷的原因分析3.2.1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。硅是相形元素，含量较低时有利于防止结晶裂纹。但当Wsi0.42%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、PCu、Ni（当S、P同时存在时）Wsi（0.4%）Wmn（0.8%）Wcr（0.8%）Ti、Zr稀土AL等Wmn0.8%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min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。3.2.2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。3.2.3 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。3.2.4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。3.2.5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。3.2.6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。3.2.7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。3.2.8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。3.2.9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。3.2.10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。3.2.11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。 3.2.12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。3.2.13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。3.2.14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。3.2.15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。4常见焊接裂纹的防止措施4.1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。1、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。2、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。3、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：1、调整焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。成形系数（B/H）不同时，要影响柱状晶长大的方向和区域偏析的情况如图。一般来说，提高成形系数可以提高焊缝的抗裂能力。当焊缝中碳的含量提高时，为防止结晶 图4-1结晶裂纹裂纹成形所需的出现系数也相应的提高，以保证枝晶成人字形向上生长，避免因晶粒相对生长而在焊缝中心形成杂质聚集的脆弱面。为此，要求1，但也不宜过大。如当7时，由于焊缝过薄，抗裂能力反而下降。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。2、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。3、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。4.2防止液化裂纹的措施1、选用对液化裂纹敏感性较低的母材。可选用含碳、硫、磷和镍较低，并有较高的Mn/S值的母材。对焊镍的合金钢，Mn/S值最好大于50；含镍较高的钢，则应严格限制杂质含量。如14Cr2Ni4MoV钢，改用电炉炼，纯度较高，基本消除了液化裂纹2、减小焊缝的凹度。实验表明，当焊缝断面呈明显蘑菇状时，在凹入出很容易产生微小的裂纹，而且裂纹率随凹度的增加而增加。凹度的大小与焊接方法及焊接参数有关。埋弧焊合气体保护焊的焊缝断面多成蘑菇状，而且电流越大越明显。为了减小焊缝的凹度，可采取用焊条电弧焊盖面或焊丝倾斜等方法。3、采用较小的线能量。母材过热往往是产生液化裂纹的重要原因之一，降低线能量可以减小液化裂纹的倾向。但对一些液化裂纹敏感性强的金属，紧靠调整线能量并不能解决根本问题，只有同时减小焊缝凹度或提高母材纯度，才能有效地防止液化裂纹。4.3多边化裂纹的防止措施由于影响多边化裂纹的因素主要时合金因素、力学因素以及温度。因此防止措施应从这三方面考虑。1、多边化是一个扩散的过程，而晶格缺陷的移动需要一定的时间，晶格缺陷的移动和聚集越慢，形成多边化的时间就越长。因此，向焊缝金属中加入某些减缓晶格缺陷移动的因素（如Mo、W、Ta）能有效防止产生多边化裂纹。另外双相金属也能阻止位错的移动具有良好的抗多边化裂纹的能力。2、减少应力和降低温度也均有利于防止结晶裂纹的产生。当应力存在时能增加原子的活动性，会加速多边化的过程。减小应力能有效地减缓上述过程，有利于防止多边化裂纹的产生。降低温度有利于延长形成多边化过程所需的时间，因而减小裂纹倾向。4.4 冷裂纹的防止措施1、在冶金方面采取如下措施：（1）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。（2）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。还要仔细烘干焊条 ，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。（3）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。2、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。4.5再热裂纹的控制措施1、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，铬钼钢中铬大于1.5%的要比小于1%好。2、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）。3、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。 4、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。5、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。4.6防止产生气孔的措施防止气孔的措施a.清除焊丝,工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。b.采用碱性焊条、焊剂,并彻底烘干。c.采用直流反接并用短电弧施焊。d.焊前预热,减缓冷却速度。e.用偏强的规范施焊。4.7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。4.8防止焊缝残余变形的措施1、设计措施：a.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。b.尽可能的减少不必要的焊缝 在焊接结构中应力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。c.合理安排焊缝位置 在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁，柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。2