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关于焊缝的有关知识

发布时间:2014-09-17 点击数:3020

一、 关于焊缝的有关知识

为了使检测者对被探焊缝有个基本的了解,我们把焊接工艺中有关的焊接方法、焊接接头型式、坡口型式以及焊缝中可能产生的各种缺陷作一简介:

1、焊接方法:

主要有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊以及电渣焊等。

1)手工电弧焊

它是使焊条与母材这间产生电弧,靠电弧的高温熔化焊条与部分

材,在两焊件(母材)之间形成熔池,熔融金属在熔池中经过冶金反应后冷却,形成焊缝,把两焊件连接起来。

2) 埋弧自动焊

    在焊接过程中,焊丝的给送和施焊方向的行走,都是自动的,电弧引

燃后处于液态焊剂保护层下燃烧。在焊剂层下,焊丝不断地送进,大量的

液态金属与液态焊剂经过冶金反应后冷却,便形成焊缝。

3) 气体保护焊

    它是以气体作为保护介质的一种自动焊。保护气体有氩气、二氧化碳以及其它一些惰性气体。在焊接时,气体从焊丝周围缓缓喷出,形成一层均匀的气流,像一个保护罩把熔化金属与空气隔开,阻止空气中的氧、氮侵入。

4) 电渣焊

其热源不是电弧,而是电流通过液态熔渣时析出的热量来熔化焊件和填充金属,把两焊件连接起来。

大厚度对接焊缝采用电渣焊可以一次焊成。因此大厚度铸件或者特厚的钢板对接,都可以采用电渣焊。

2、焊接接头型式  

   主要有对接焊缝隙(双面焊对接、单面焊对接以及衬板单面焊对接)、

角接焊缝、T型焊缝以及搭接焊缝等,如图1所示。

一般来说,焊接构件中对接焊缝所占比例较多,超声检测碰到最多的

也是对接焊缝,其次是角接和T型焊缝,搭接焊缝较少。故对接焊缝超声检测是我们掌握的重点。                                                                                                       

         

3、坡口型式

为了保证两焊件完全焊透,根据设计要求,在焊接前应把接合部分的母材加工成一定的形状,称为坡口加工。加工以后的形状,称为坡口型式。常见的坡口型式如图2所示。

4、焊接缺陷

焊接过程,也是个冶金过程。在这过程中,药皮或部分焊剂,在电弧的高

温作用下被熔化,其中一些金属元素转入金属中增加了金属的强度,改善了其机械性能。同时,药皮或焊剂熔化蒸发形成的气体和覆盖于金属熔池表面的熔渣,又有效地阻止了空气中有害气体(如氧、氮)的侵入,可以使焊缝获得较良好的质量。但是,由于人为因素或客观条件的影响(例如操作者技术不熟练、技巧不高、责任心不强、焊接规范不当、坡口形状不良、焊材选择不当、气温太低、焊前预热和焊后保温不当、焊接工艺制订的不妥等等),可能会使焊缝产生这样或那样的缺陷,同时冶金反应也可能生成缺陷。

焊缝中常见的缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透以及裂缝(纹)等,如

3所示。实践证明,在上述各因素的影响下,若焊接方法、接头型式、材料、焊条或焊剂等不同,则其形成的缺陷性质、产生的部位也各不相同,并且具有一定的规律性或倾向性。下面就上述几种常用的焊接方法,特别是埋弧自动焊中的各种缺陷形成的机理(注:不涉及冶金反应而生成的缺陷),缺陷产生的规律性或倾向性,重点予以叙述。

二、埋弧自动焊双面对接焊缝缺陷形成的机理、缺陷形成的倾向性、规律性

1. 气孔(或气态夹杂物)形成的机理

埋弧自动焊在焊接时,电弧在3040mm厚的焊剂层下燃烧,在电弧的高温作用下部分焊剂被熔化,同时坡口底部及周围潮湿的物质、油污、焊剂中的水分等,被高温烘烤后变成了气体蒸发了。如果这种气体无法从坡口底部缝隙中逸出,被迫进入金属熔池内部,未待其逸出,熔池很快冷却凝固,气体残留在其中,于是形成了气孔。实践证明,埋弧自动焊缝中的气孔,在很多情况下是由焊剂本身在高温作用下析出的气体形成的,有的形成了气态夹杂物。在将其刨开时,往往能从孔穴中发现焊剂熔化后的“渣油”。

4a)所示,为某高压容器筒体纵向焊缝组装后示意。首先用半自动焊内部纵缝,而后外纵缝焊前用碳弧气刨开一个U形坡口并清根,再采用埋弧自动焊焊接,整个厚度(17mm),采用两次成型。在正常情况下,焊缝内部很少有气孔出现,焊接质量优良,且相当稳定。但是在大批量生产过程中,有几批由于钢板切割后磨边所控制的角度不当,组装后形成了上图b)所示的“内张口”现象(组装时留有0.51mm的间隙,但实际上组装后往往无间隙存在),在先焊内缝时,由于较大的间隙内罐满了焊剂,在电弧高温作用下,一部分被熔化了,还有一部分仍然处于金属熔池底部的缝隙内,因而在焊接后在金属熔池内部形成了大量的气孔(或气态夹杂物),如上图c)所示。

笔者根据该高压容器大批量生产过程中纵向焊缝质量好与坏的分析,焊缝在返修过程中进行了实地观察,认定,导致内缝产生如此多的气孔的原因,不是冶金因素或其它什么原因,而是不良的工艺因素所为,即磨边不当所形成的“内张口”造成的。为了消除此种缺陷,我们改变了焊接顺序,即先焊外缝,而后再焊内缝。为防止焊穿,内部采用较厚的焊剂层作衬垫,在不焊穿的前提下,尽量采用较大规范进行焊接。经过批量生产,收到了意想不到的效果,焊缝内部没有发现一个气孔,100%优良。

2. 埋弧自动焊气孔形成的规律性

埋弧自动焊无论是正、反两面两次成型或者多次成型,若产生气孔,一般都在先焊的第一道焊缝内,这是长期实践所证实的一条规律。之所以如此,是因为焊第一道焊缝时,不良的工艺因素较多,如坡口内部的铁锈、油污,特别是如图4b)所示缝隙存在灌满了焊剂,最容易导致气孔的形成。而接着在焊第二层或者反面扣槽以后焊第一道焊缝时,坡口经过高温烘烤,间隙被消除,不利因素不复存在,电弧直接作用于焊接金属和母材上,熔化的焊剂起着良好的保护作用,这样,气孔也就不会形成了。

3、对接双面埋弧自动焊针状气孔形成的机理

中厚板如果采用埋弧自动焊,若正面第一道焊缝采用较慢的焊接速度、较大的焊接电流、较低的电弧电压进行焊接,这样,焊缝具有很大的熔深,如果在此种情况下,在金属熔池底部的缝隙内存在着较多的焊剂,则在电弧的高温作用下,这些焊剂分解出来的气体无法从底部缝隙或其它地方逸出,被迫进入金属熔池内部。由于熔池较深,冷却速度慢,气体继续上升,形成较深较细的空穴,此即所谓针状气孔,如图5a)所示。在有的情况下,金属熔池表面凝固之前,气体从熔池内部逸出,此种针状气孔从焊缝表面也能看出,如图5b)所示。

4、针状气孔形成的规律性

针状气孔一般产生在正、反两面焊两次成型正面焊缝的埋弧自动焊缝中,如图5c)所示。实践证明,被焊件在组装时不留间隙,或者用较长距离的定位焊加以固定,若在正面焊的那一侧金属熔池底部具有较大的、较深的“内张口”现象,采用较大的焊接规范进行焊接,具有较大的熔深,而反面焊其根部只和正面焊根部相交一小部分,遇此种两次成型的埋弧自动焊,在正面焊缝中最容易形成针状气孔。手工电弧焊缝是不可能产生此种缺陷的。

5、对接双面埋弧自动焊柱状气孔形成的机理

在正、反两面两次成型的埋弧自动对接焊缝中,如果采用前面第3点所述那样大的焊接规范以及在金属熔池底部仍然存在着较大的间隙,且其内部罐满了焊剂,则在电弧的高温作用下,除可能在正面焊缝中形成针状气孔外,也容易形成较粗较深的柱状气孔。此外,在反面施焊前采用碳弧气刨清根时,发现正面焊焊缝内存在着大气孔,扣除后未用手工焊填平,因而在坡口底部局部地方存在着深坑,如图6a)所示。这样,在反面施焊时,由于此深坑灌满了焊剂,且处于金属熔池的底部,则在电弧的高温作用下,这些焊剂被熔化析出大量的气体无法从下部逸出,被迫上升进入仍是液态的反面焊的金属熔池中,这样,就形成了较粗且更深的柱状气孔,如图6b)所示。

6、柱状气孔形成的倾向性

不难看出,中厚板对接采用两次成型的埋弧自动焊,在上述焊接规范和不良工艺因素的作用下,就可能在正面焊缝中形成比较粗的柱状气孔。在人为因素的作用下,也有可能产生由正面焊缝延伸至反面焊缝中的柱状气孔。两者相比,前者较后者较长。在一般情况下,前者较多,后者较少。手工电弧焊中更不容易产生。

7、对接双面埋弧自动焊“鱼目”形缺陷形成的机理

正、反两面两次成型的埋弧自动焊缝中,当正面焊完工后反面焊焊前,需要用碳弧气刨开坡口并清根,往往发现在正面焊的熔池底部或近底部存在着气孔,甚至是较大的气孔,有的气孔被扣掉了,有地没有被扣掉,还残留一部分,如图7a)所示。在未对它采用手工电弧焊填平的情况下,在反面进行焊接时,由于焊丝在高温作用下熔化是一滴一滴快速往下流淌的,当焊至空穴上部时,其中一滴正好落入空穴中,随后外缝全部被熔融金属所覆盖。由于此空穴内部周围残留着渣质,落入其中的金属熔滴不与空穴周围熔合,而是单独凝固,因而在X射线底片上还能看出金属熔滴滴入的痕迹。该缺陷的影像好似鱼的眼睛一样,故有“鱼目”之称,如图8a)、b)所示。

 

  

8、“鱼目”形缺陷产生的规律性

从以上“鱼目”缺陷形成的机理可知,正反两面两次成型的埋弧自动对接焊,只有存在着上述情况,在正面焊缝中才有可能产生此种缺陷。一般而言,此种缺陷比较少见,在手工焊缝中更不可能产生。

在此应指出埋弧自动焊在施焊过程中断丝所形成的缺陷,和“鱼目”形缺陷有明显区别,不能混为一谈。

9、对接双面埋弧自动焊中气孔(链状气孔)的分布规律、直径大小与不良工艺因素影响的关系。

1)气孔、链状气孔分布的规律

埋弧自动对接焊缝中气孔,特别是正反两面两次成型焊缝中气孔,不管其是单个或者链状的,它在焊缝中分布的位置,一般位于焊缝纵向轴线上(即两被焊母材的缝隙之中心线),如图9所示。

         

上述焊缝,如果在正面焊施焊之前,将反面两母材之缝隙全部用手工定位焊封死,则在具有“内张口”的情况下,很可能在正面焊缝中连续不断地产生许多单个或链状分布的气孔。如果上述工件在组装后,反面焊一侧具有较大的缝隙,只有局部地方用手工定位焊固定,那么在此种情况下,正面焊缝中产生单个或者链状气孔,它一般位于定位焊的焊段位置。因此,切忌反面焊那一侧全部用手工定位焊封死。在一般情况下要求定位焊长度愈短、数量愈少愈好。但必须保证正面施焊时,反面定位焊不开裂。

在此应当指出,埋弧自动焊反面焊缝在篱焊前,若不把手工定位焊之焊肉清除,或者焊缝先由手工定位焊打底,然后再由埋弧自动焊加以覆盖,,则在此种情况下,若焊缝中分布没有规律的气孔,它是由手工电弧焊造成的,故不具有上述埋弧自动焊气孔的规律性。

2)埋弧自动焊缝中气孔直径的大小与不良工艺因素的关系

在这里所说的不良工艺因素,是指被焊件组装后,正面焊那一侧缝隙是否存在“内张口”现象,以及反面焊那一侧缝隙的大小。如果被焊件组装后反面间隙很小,或者定位焊过多过长,则在正面焊焊接过程中,在熔池底部存在着较大缝隙或“张口”现象,且在里面有很多焊剂,势必会产生直径较大的气孔或链状气孔。反之,上述气孔直径较小,如图10a)、b)所示。

            

      某高压容器筒体直径为265mm,由厚度为10mm的高强度钢板卷制后采用埋弧自动焊焊接而成。最初,钢板切割后磨边的角度控制得当,组装后不存在“内张口”现象,所以焊缝中很少有气孔,即使产生了气孔,其直径也很小。后来制造几批由于磨边时控制的角度不当,外缝基本上无缝隙。焊接后,在内缝中形成了大量的单个、链状分布的气孔。在X射线底片上显示,其直径有黄豆那么大,真是罕见。简直到了再也无法进行焊接的程度了。后来我们认真地分析了形成上述超大气孔的原因,在笔者的坚持下,改变了焊接顺序,上述缺陷才得以完全消除。

上述所谓的内张口现象,一般发生在直径不大的压力容器筒体焊缝中,平板对接组装很少有此种现象产生。但埋弧自动焊缝若产生气孔,其规律性不变。

10、被焊件组装后缝隙大小与形成气孔的关系

由上叙述可知,埋弧自动焊缝并非一定会产生气孔,之所以产生,是与不良的工艺因素有着密切的关系的。总结以上正、反两方面的经验教训,要使埋弧自动焊缝不产生气孔,有以下两种情况可以办到:

1)被焊件组装后无间隙

   被焊件在切割磨边或开坡口后,经组装后正、反两面无间隙(特别是先焊的那一侧应无间隙)。则在埋弧自动焊焊接过程中,尽管焊丝也在焊剂层下燃烧,但由于电弧高温直接作用于被焊件金属的同时,熔池底部的焊剂也被完全熔化,析出的气体随着电弧的往前移动被“赶”走了,在此种情况下,不存在“被迫”进入金属熔池内部的可能性。当然,在这里不排除由于冶金反应析出的气体使焊缝形成气孔,但它和不良工艺因素影响相比,可能性极小。

尽管上述无间隙焊有如此优点,但也有其缺点,即由于无间隙,相对而言,熔深减少了,要达到预期的熔深,则要适当增加电流强度,降低电弧电压。

2)被焊件组装后形成一定的间隙

和上述无间隙焊完全相反,被焊件在组装时根据焊丝直径的大小,

留有适量的间隙,为了防止焊穿,在反面用较厚的焊剂作衬垫。这样在正面焊接时,电弧的高温烘烤和熔化了部分焊剂,同时在金属熔池底部的焊剂熔化后产生的气体,也很容易从反面缝隙中逸出,故正面焊第一层焊缝就不容易形成气孔。

有一定间隙焊不仅可以消除正面焊缝中的气孔,而且也可以增加熔深。但当电弧电压波动太大时,容易焊穿,这是需要注意的。

11、埋弧自动焊缝夹渣的机理

1) 焊工责任心不强,技术不熟练,操作不当;

2) 坡口不是采用机械加工,而是由人工采用碳弧气刨扣槽而成,坡口宽窄不一,深浅不一,坑坑洼洼,槽内两侧凹凸不平;

3) 坡口深而窄,焊渣在较深的缝隙内难以清理干净;

4) 焊接规范不当,如焊速太快,金属熔池的凝固速度大于熔渣的浮出速度。有的焊缝在返修时,甚至发现尚未完全熔化的焊剂;

5) 焊接时焊道与焊道之间、焊层与焊层之间的排列不当,形成夹渣;

6) 由于焊车轨道或被焊件在焊接过程中发生偏移现象,造成焊道排列也发生偏移,有可能形成严重的夹渣。

12、埋弧自动焊缝夹渣形成的倾向性

中薄板平板对接不开坡口(即直边对接),两次成型的埋弧自动焊,采用正常的焊接工艺在保证焊透的情况下,一般是不容易产生夹渣的。

厚板或者大厚度板,采用X型坡口或者U型坡口等进行多层焊。如果这种坡口是由机械进行加工的,相当光洁和规矩,加上焊工责任心很强,技术相当熟练,焊接规范选择得当,层次排列合理,清渣干净,则在此种情况下的多层自动焊,一般也是不容易产生夹渣的。但在检测实践中一些很厚的埋弧自动焊缝经常发现其层间尤其是坡口边缘存在着夹渣甚至严惩的条状夹渣,其原因正如上面所述。

上述部位特别是坡口边缘的夹渣、连续性的严重夹渣,在返修时也发现其上部或其中存在着气孔,甚至是比较多比较大的气孔,这是由于焊剂或夹渣处于金属熔池的底部,在高温作用下分解出的气体形成的。如果不存在上述严惩的夹渣,也就还会产生此种气孔,这是多层埋弧自动焊的一个特点。

13、对接双面埋弧自动焊未焊透形成的机理

对接双面埋弧自动焊(二次成型或者多次成型),在焊缝中形成未焊透,其原因如下:

1)焊接规范不当,电弧电压过高,焊速太快,熔深浅;

2X型或U型坡口留根(或钝边)太大,所选择的焊接规范不足以完全熔透留根部分而和正面焊的焊根交熔,如图11a)所示。

3)清根时深浅不一(有的留根完全清除,有的未清除),以及在焊接过程中电弧电压的波动,有可能造成局部焊段未焊透;

4)咀距太长,渗透能力减弱,或者由于磁偏吹的影响造成未焊透;

5)正面焊焊完反而扣槽(即开坡口)时,偏离了中心,或者由于焊丝未对准中心,造成上、下焊缝不对中,两焊根未交熔,形成未焊透,如图11b)所示。

          

14、未焊透在焊缝截面中的位置

对接双面埋弧自动焊中的未焊透在焊缝截面中牌何部位,主要取决于坡口型式,其次是焊接规范。故就其深度而言,一般位于正、反两面焊两焊根未交熔之处。但Ⅰ型坡口(即直边对接)之焊缝,若产生未焊透,和正、反两面焊缝焊接规范的大小密切相关的,由于下面面焊规范小,反面焊规范较大,因而若产生未焊透,一般接近正面焊焊根单位。未焊透的平面位置主要取决于正、反两面焊缝是否对中,一般位于焊缝宽度的中部或者近中部。

由以上所述可知,在检测前弄清楚坡口型式,对正确推断缺陷的形状是十分重要的。

15、对接双面埋弧自动焊未熔合形成的机理

所谓未熔合,就是焊丝在起弧后,在焊接过程中没有直接与焊接金属或母材形成熔融金属而焊合,而是高温熔池之熔液流淌至某一焊接金属部位,或者坡口边缘,形成似连非连的粘合(即虚焊)。但在大多数的情况下,是由于焊接规范不当,清渣不良,焊层与焊层之间、焊道与坡口边缘之间的熔渣、氧化皮的阻隔,形成未熔合。

16、未熔合产生的倾向性

就对接双面两次成型埋弧自动焊与多次成型埋弧自动焊而言,后者形成未熔合的倾向性要比前者大。其原因是焊接层次太多,稍有疏忽,就有可能在层间或坡口边缘产生未熔合,而后者又居多。另外,未熔合的产生与否,又与坡口型式有很大关系,特别是那些深而窄的V型坡口、较深的U型坡口的中下部或其边缘部位比较容易形成未熔合。

从上述未熔合形成的机理来看,由粘合而形成的未熔合,从X射线底片上是难以识别的。超声检测推断其性质也较困难。目前我们从射线底片上评定的所谓未熔合,或者超声检测推断的未熔合,绝大部分都是由比较长的条状夹渣或连续性夹渣造成的。对于此种未熔合,有的检测者评定其为条状夹渣或者连续性夹渣,有的评定其为夹渣未熔合等等,看法比较多,目前沿无统一的认识。

17、对接双面埋弧自动焊的特点

1)再次成型埋弧自动焊的特点

在良好的工艺因素和合适的焊接规范这一条件下,上述再次成型的埋弧

自动焊,在保证正面焊不产生气孔,采用直边牟接或反面具有良好形状的坡口和保证焊透的前提下,反面焊缝一般是不容易产生其它缺陷的,整个焊缝可以获得良好的焊接质量。

2)多次成型进退弧自动焊的特点

中厚板或厚板正、反两面多次成型的埋弧自动焊,在保证正面第一层焊

缝不生产气孔,焊道与焊道、层与层之间以及坡口边缘不产生夹渣的前提下,则此种焊缝在堆焊过程中(每一层焊肉之中或层与层之间)是不会产生气孔的。其原因是:电弧在焊剂层下燃烧,周围(包括其底部)的焊剂被熔化蒸发形成的气体,它排开电弧周围的熔渣后形成一个封闭的空腔,同时金属熔池的底也是封闭的,电弧在这个空腔中稳定的燃烧。在此情况下,不存在产生气孔的不利因素。所以,在良好的工艺因素条件下,焊工有熟练的操作技术,采用正确的焊接规范,尽管是多层焊,但其质量和手工多层焊相比,更容易保证、焊接效率更高。

18、对接双面埋弧自动焊缝裂缝的实例

    在长期超声检测的实践中,在各种产品的埋弧自动对接焊缝中发现了许多纵向裂缝、横向裂缝、焊趾裂缝以及热影响区的裂缝,公举几个典型例子加以说明。

1)某焊接结构高压容器(高强钢T=17mm200kg/cm2)制作了约几千个,其筒体纵向焊缝进行100%射线透照和100%超声检测,发现了许多纵向裂缝,而且一般位于熄弧端或离其较近的部位。裂缝较深、开裂较大。

2)上述高压容器的环向埋弧自动焊缝,由于内部增强量(焊缝余高)大太高,在淬火后超声复查过程中,发现许多焊趾裂纹,有的几乎裂透,如图12a)所示。

            

3)某大型焊接构件(材质:高强钢)的埋弧自动焊缝,厚度为2224mm,在X射线100%透照后底片全部为优良(即Ⅰ级)的情况下,又用超声波对其纵、环缝进行了100%的复查,结果在26条环形焊缝中,发现11条焊缝存在裂纹,最长达5.85M,累计27.5M.而纵向焊缝却没有发现任何危害性缺陷。

4)某大型(型代号为H-32H-33),其桩腿材质也为高强钢(EH-36),厚度为3254 mm,纵向埋弧自动焊缝在用超声波检测过程中,在其熄弧端发现了许多纵向裂缝,而且其开裂程度相当严重。

5)另外,在其环形埋弧自动焊缝检测过程中,发现焊缝内侧的下边缘存在着许多焊趾裂纹,其深度12 mm,断续分布。

6)工设备筒体与管板的T型焊缝(高强钢T7080 mm),在冬季施焊,由于其结构庞大,焊前予热和焊后保温不当,最后导致整圈焊缝开裂报废。

7)某产品耐压壳体与外胁骨的T型焊缝(高强钢),超声检测发现一处根部裂缝,由于补焊质量欠佳,造成三次返修。由于予热和保温措施不当,最后在该处形成了严重的焊趾裂缝,其深度贯穿了整个壳体的厚度。

8)也是上述产品,其壳体与外胁骨的T型焊缝, 在用超声作横向检测后,发现其根部存在大量的横向裂纹,由于无法进行修补,导致几个分段壳体报废。

三、 其它焊接方法缺陷形成的机理及缺陷形成的倾向性

1、手工电弧焊各种缺陷形成的机理与缺陷形成的倾向性

手工电弧焊,顾名思义其电流、电压、运条速度、焊条摆动等等,均由施焊者手工操作。一个具有较高技巧的经验丰富的焊接者,他会用各种姿态、各种焊条进行焊接。知道如何焊接可以获得优良的焊接质量,也懂得如何焊接会产生缺陷,从而采取有效措施加以避免。由此不难看出,焊接质量的好坏,与焊接者责任心、技术熟练程度、工作精益求精以及钻研精神等等有着极大的关系。但是,不是所有的焊接者都能达到上述水平,更何况由初次学习焊接到技术成熟还有个过程,再加上主客观种种因素的影响,故手工电弧焊产生这样或那样的缺陷,其原因是多方面的。

1)气孔形成机理

手工电弧焊在焊接过程中,焊条药皮熔化分解成气体和熔渣,在其联合保护下,有效地排除了空气中的有害气体,焊缝质量得到保证。但在下述情况下,焊缝就有可能形成气孔:

(1) 被焊面潮湿、有油铁锈;

(2) 焊条潮湿、焊前未烘烤;

(3) 起弧或者熄弧时,焊条端部与被焊件之间间距太大,保护不好;

(4) 焊条头部或者接近根部药皮破碎脱落,焊条金属裸露太长,起弧或者熄弧时失去保护;

(5) 风速太大,特别是野外作业,无屏障保护,电弧保护层受到破坏等等。

1) 气孔形成的倾向性

手工电弧焊缝中有可能形成单个气孔、少量气孔、分散气孔以及起弧和熄弧时易形成密集乞孔等等。一般来说,碱性焊条施焊的焊缝比较容易产生气孔。但和埋弧自动焊相比,没有规律性。

2) 夹渣形成的机理

手工电弧焊缝中形成的夹渣、条状夹渣等,主要与下述原因有关:

(1) 施焊者责任心不强,清渣不干净;

(2) 焊接规范选择不当(焊接电流小、焊接速度快)形成夹渣或连续夹渣;

(3) 施焊者技巧不高、焊条摆动不当;

(4) 坡口深而窄,焊后清渣困难等。

3) 夹渣形成的倾向性

手工电弧焊的焊道与焊道之间、焊层与焊层之间,比较容易形成单个夹渣、分散性夹渣。坡口边缘部位又比较容易形成条状夹渣或边疆性夹渣(后者被某些检测者评定为未熔合)。一般而言,酸性焊条施焊的焊缝,比较容易形成夹渣等上述缺陷。但上述缺陷在焊缝截面中分布的位置与埋弧自动焊相比,规律性也不太强。

4) 未焊透形成的机理

(1) 留根过大,所选择的焊接规范其熔深不足以全部熔化掉留根;

(2) 焊接规范选择不当,如电流小,电弧电压高,熔深小;

(3) 清根不良,深浅不一,或电弧电压不稳定,形成局部未焊透;

(4) 焊偏以及碳弧气刨扣偏造成上、下焊缝不对中形成未焊透。

5) 未熔合形成的机理

(1) 坡口开得不当,在深而窄的情况下很难施焊,既有可能造成磁偏吹,又有可能由于清渣不干净,将其覆盖在熔融金属下面,造成未熔合;

(2) 焊接规范选择不当,如电弧电压高、电流小、焊速太快以致辞于药皮熔化后尚未浮出金属熔池表面,就凝固形成未熔合;

(3) 施焊者责任心不强,不清渣或者清渣不干净,这些渣质被流动的金属熔液所覆盖,形成未熔合,特别是坡口边缘最常见。

6) 工电弧焊未熔合的倾向性

手工电弧焊缝中未熔合,一般产生在焊缝边缘(即坡口部位)的一侧或两侧,多层焊的层间较少。

7) 手工电弧焊中裂纹实例

(1) 某产品高强钢(材质为921)焊接结构,其中间环形焊缝

T=24mm)采用手工多层焊,用超声百分之百检测后,发现该焊缝内下侧(距探测面18 mm深)的热影响区与熔合线的交界处,存在着严重的纵向裂纹,长者为200多毫米,短者为2030mm,断续分布。整个环形焊缝约15米多长,布裂纹长度达5.85米。为了验证其准确性,我们采用铅箔增感,用最佳规范进行百分之百的透照,虽然底片的清晰度和灵敏度都比较高,但从底片却根本发现不了此种危害性的缺陷。而用碳弧气刨解剖时,裂纹虽然很紧密,但却很明显。

(2) 后又隔一年半和一年多时间,在用超声检测另外二个与上述同样

材质、同样厚度的某装置时,发现其手工多层焊环形焊缝与上述同样深度、同样位置存在着同样性质的裂纹,其长度累计为3.72米和2.86.后用射线按常规方法进行百分之百的透照,也未能发现,但用碳弧气刨解剖后,完全得到了证实。

上述情况虽然罕见,但它足以说明,在相同条件下,由于不良因素的影响,焊缝产生危害性缺陷规律性是多么强。

(3) 某发射装置内筒(高强钢,T=2022mm),中间环形焊缝采用

手工多层焊。在用超声作100%纵向和横向检测过程中,在3个筒体的环形焊缝上发现了5条横向裂缝。它与焊缝轴线垂直,其中4条相相当当严重,已贯穿了整个焊缝宽度,较短的一条约10 mm长,位于焊缝宽度当中,如图13a)、b)所示。其深度达到母材厚度的1/2左右。

(4) 某大型球罐,运行后周期检验采用超声复查,发现其北极圈环向

焊缝(T=32mm)正反两面焊缝焊根交熔处有900多毫米的断续分布的微裂纹。用最好的胶片和最好的增感方式透照后,从底片上显示出其形状很像极细微的锯齿一样。

(5) 又如某煤气公司的大型球罐,周期检测也采用超声复查,在3条纵向焊缝端部发现3条长约80150 mm的微裂纹。

2、二氧化碳气体保护焊有关缺陷形成的机理与倾向性

在气体保护焊,二氧化碳气体保护焊用得较多,故在此对其生成气孔等缺陷作一简介。

二氧化碳气体保护焊缺陷形成的机理与倾向性

1)气孔形成的机理与倾向性

(1) 二氧化碳气体不纯,所含水分太多;

(2) 焊接时嘴距太长,保护不好;

(3) 风速大,吹散了保护层,空气中有害气体侵入。

         以上原因很容易使二氧化碳气体保护焊焊缝形成单个气孔、分散气

孔或者蜂窝状气孔等。

         在上述焊缝返修过程中,我们经常发现,虽然焊缝表面很光滑,看

不出什么,但当刨开焊缝余高后就会看见焊缝中存在大量的密密麻麻的

气孔。究其原因就是水分太多或无二氧化碳气体保护所造成的。

2)夹渣形成的机理与倾向性

         二氧化碳气体保护焊中夹渣形成的机理与埋弧自动焊、手工电弧焊大同小异,在此不再重复。但需指出,由于其在焊接过程中形成的熔渣较薄,且其焊接规范又较大,因而在焊缝中形成夹渣的可能性与气孔相比要少一些。检测实践也证明,二氧化碳气体保护焊中点状反射的回波源主要是气孔。

3)未焊透、未熔合、裂缝形成的机理与倾向性

关于上述三种缺陷形成的机理与埋弧自动焊、手工电弧焊也有类似

之处,故在此不再赘述。但需指出,二氧化碳气体保护焊较手工电弧焊而言其焊接规范较大,施焊者在缺少经验操作不当时,用他们的话说,在“焊滚了”的发问下,往往会在焊缝一侧或两侧边缘(即坡口部位)形成未熔合。尤其是当被焊面有一定坡度或者完全是横向焊接时,如果不重视焊接金属与坡口边缘之间缝隙中药皮的清除,则在“焊滚了”的情况下,往往会在被金属熔液覆盖的焊缝边缘形成较为严重的未熔合。

四、上述焊缝裂缝(纹)形成的原因、形成的倾向性或规律性

上述各例中裂缝(纹)形成的确切原因,很难取得一致的看法根据当时焊接工程师、施焊者、检查人员、设计以及工艺人员等多方面的宏观分析,主要原因综合如下:

由于高强钢所含的合金元素较多,它的强度较高、弹性好,但塑性较差,故它由应力集中引起的脆性破坏的敏感性很高,当构件焊接后在焊缝区域造成的高度应力超过材料的屈服极限而无塑性变形时,就会导致裂纹的形成。对高强钢焊接接头而言,它的约束度、应力水平、焊接接头区域金属的塑性储备以及焊接金属中扩散氢的含量等,都是决定它能否产生裂纹的基本因素。

为了改善上述这些因素,防止裂纹的形成,构件在施焊过程前和施焊过程中,一般都要采取各种防止裂纹产生的有效措施。但有时在实际生产过程中,由于环境和条件不同,构件大小不同,情况比较复杂。在实际施焊过程中,很可能由某一个或某几个因素的不良影响。例如:违反焊接工艺,或者焊接工艺本身的缺点、错误以及焊接接头设计不合理等等各种因素的影响,导致裂纹的形成,并呈现出一定的倾向性或者规律性。大量实践证明,高强钢焊接接头是否产生裂纹,与上述诸因素的影响有着密切的联系。

有些高细钢施焊时处于严冬季节,加上产品的结构庞大,焊前予热和焊后保温不当,焊缝冷却速度太快,产生了淬火组织,以及钢中含氢量偏高、金属强度增加、时效倾向增大、脆性增加,导致裂缝的形成。

下面就几种裂缝(纹)形成的原因及其一般的规律性重点叙述如下:

1、约束裂缝形成的原因及其一般的规律性

高强钢中的中厚板、厚板或大厚板的焊接构件的纵向对接焊缝,如果采用埋弧自动焊,若构件在焊前采用强制固定装配法,遇其在装配后具有很强的装配应力,这种应力会和焊接应力叠加而显示其作用。并在构件的熄弧端造成高度的应力集中由此会导致约束裂缝的形成。如果熄弧板与焊体之间定位不牢,或者应力集中特别大,使熄弧板与焊件未端之间定位焊金属开裂,会造成严重的约束裂缝。

约束裂缝一般产生在纵向焊缝熄弧端或其附近位置,它位于上述部位正面焊的焊缝金属根部(对接双面焊两次成型),严重的甚至整个焊缝裂穿。在上述条件下形成的约束裂缝,具有非常明显的规律性,并为大量高压容器与钻井船腿纵向焊缝超声检测以及解剖结果证实。

此外,如果平板多板多列拼接,纵、横焊缝交错,若焊接顺序不当,也很容易在T型或十字型焊缝交接处造成高度的应力集中而形成裂缝。

在这里我们并没有排除上述各种厚度的板材纵向焊缝的其它部位产生裂纹的可能性,实际上在过去的试验性检测过程中,除熄弧端裂纹外,其它部位也有过,但在实际构件检测过程中发现不多,它与上述约束裂缝相比是极少的。

2、焊缝根部裂纹形成的原因及其一般的规律性

焊接构件愈庞大,其纵横构架也愈多,焊件合拢时的定位焊以及焊前所加的“马”,在焊缝处造成了巨大的刚度,如果装配间隙很小,则在焊接后由其形成的尖锐缺口在焊缝根部造成高度的应力集中,加上温度等不利因素的影响,很容易在焊缝根部形成裂纹。

此种裂纹一般都产生在环向焊缝,特别是环向大合拢焊缝中。由于下面焊在焊缝根部的尖锐缺口所造成的高度应力集中的影响,故其一般也都产生在正面焊缝根部。它在焊缝中连续或断续分布,也具有较强的规律性。

 3、焊趾裂纹的原因及其一般的规律性

    由于构件在合拢时在焊缝区域造成了巨大的刚度,加上焊接应力的影响,会使焊缝区域造成高度的应力集中,如果焊前予热和焊后保温不当,冷却速度太快,以及氢的扩散等不利因素的影响,很容易形成焊趾裂纹。

从某发射装置,海上石油钻井船桩腿等各种结构的焊缝大量检测结果的统计表明,焊趾裂纹绝大部分产生在环向大合拢的手工多层焊的对接焊缝,手工多层焊的环向T型焊缝以及手工多层焊的十字型焊缝边缘,沿焊缝方向连续或断续分布。位于焊缝边缘表面或近表面,有的较深一些。对于大型筒体环向对接焊缝而言,若其竖着放置施焊,如果产生焊趾裂纹,则一般位于正面焊缝的下侧。

  4、热影响区与熔合线交界处微裂纹形成的原因及其一般规律性

上述手工电弧焊中热影响区与熔合线交界处的微裂纹,其生成原因是:该装置多段连接,10米多高,用木墩填着竖着放置在平台上。其下端距平台面400500mm,用以让施焊者进出。先由45人分段焊内侧焊缝。在这过程中,为了置换空气,上端用抽风机抽,下端冷空气迅速上升,造成强气流,使焊缝下侧冷却太快,致使微裂纹形成。

此种裂纹一般产生在高强钢焊接结构的环向焊缝先焊的冷却得最快的焊缝一侧边缘热影响区与熔合线交界处。

5、横向裂纹形成的原因及其一般的规律性

 据分析,此种裂纹产生的条件除与焊接过程中停留时间太长冷却速度快,再次焊接未予热有关外,还与焊接电流、焊接速度以及焊接顺序等因素有关。在这些不利因素的作用下,就可能在局部焊段产生沿焊缝方向的强大应力,导致横向裂纹的形成。

横向裂纹绝大部分产生在环向对接焊缝(手工多层焊)以及环向T型焊缝中。环向对接焊缝中的横向裂纹,一般位于焊缝的中部,或贯穿于整个焊缝的宽度,并与焊缝完全垂直。其深度一般位于焊缝的表面或近表面,或由焊缝表面裂至焊缝厚度的中部;T型焊缝中的横向裂纹,一般位于焊缝根部,视应力大小不同,深浅不一,其延伸方向也与焊缝完全垂直。

6、层状撕裂形成的原因及其一般的规律性

如果轧制钢板内部存在着较多的片状硫化物或分层等缺陷,则当其厚度方向承受强力焊接后,在巨大的刚度和焊接应力高度集中的条件下,很可能会导致母材的层状撕裂(或称剥离撕裂)。

层状撕裂一般产生在由高强钢构成的焊接构件的十字型、T字型或角型焊缝与加强板相垂直的面板或壳体的母材中,有的靠近焊缝根部,有的则位于焊缝根部附近,如图14所示。

 

7、再热裂纹形成的原因及其一般的规律性

有些高强钢,尤其是含有一定数量的铬、钼、钒以及钛等合金元素的高强钢焊接结构,当它在进行消除应力的热处理过程中,有产生裂纹倾向,即所谓再热裂纹或称消除应力裂纹。

再热裂纹一般位于基本金属热影响区中,它往往都是沿晶界断裂的,都在粗大晶粒区,并且平行于熔合线分布的。

8、普通材质产生裂缝的可能性

一般来说,普通材质(低碳钢)的焊接接头产生裂缝的可能性较小,但是,若其含的硫、磷杂质较多,或者母材很厚,构件的刚度和焊接应力很大,焊接工艺编制不当,也有可能产生裂缝。如某大厚度部件(普通材质,T=80mm),在冬季施焊,由于气温很低,加上焊接顺序不当,结果在该部件的纵向焊缝的熄弧端与环向焊缝的交接处,形成了肉眼可见的“T”字型裂缝,并且从纵缝末端穿过环向焊缝上的裂缝斜向向前延伸500mm。最后在其端点钻孔才阻止住了它的继续延伸,如图15所示。由此可知该裂缝的严重程度和其应力大小了。

            

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