焊接接头缺陷及防止措施

9.10.3　焊接接头缺陷及防止措施

9.10.3.1　裂纹

裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙。焊接裂纹是焊接中比较常见而且危害十分严重的一种焊接缺陷。由于母材和焊接结构不同，焊接中可能会出现各种各样的裂纹。有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能看到，有的隐藏在焊缝内部，有的则产生在热影响区中，不通过无损检测就不能发现。

焊接裂纹可以归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、终端裂纹等。

1）热裂纹

焊缝由液相冷却到固相线附近出现的结晶裂纹，称为热裂纹。热裂纹发生在高温下，绝大多数是在焊缝金属中，有时也可能在热影响区中产生，如图9.10－9所示。通常沿焊缝的轴向呈纵向分布，也有在弧坑中出现，其裂口有明显的氧化色彩。

图9.10－9　热裂纹图

1－结晶裂纹；2－纵向裂纹；3－热影响区液化裂纹；4－弧坑裂纹

（1）产生热裂纹的原因有：

①母材和焊丝中硫、磷、碳、镍等的含量较多，这些元素不仅能形成低熔共晶杂质，而且能互相促进偏析；

②焊缝的形状系数B/H≤1时，更易产生结晶裂纹；

③弧坑未填满，形成弧坑裂纹；

④构件对焊缝的拉应力较大。

（2）防止热裂纹产生的措施有：

①限制母材和焊丝中易偏析元素和有害杂物的含量，碳含量不大于0.1%、硫与磷含量不大于0.025%；

②调节焊缝金属的化学成分，改善焊缝组织、细化晶粒，提高塑性。如焊接奥氏体不锈钢时采用奥氏体加少量铁素体的双相组织焊缝，这种双相组织焊缝可避免产生热裂纹；

③采用高锰焊丝，提高焊缝金属的锰硫比；

④提高焊缝的形状系数，B/H＞1.3～2，焊接时，可以采取提高电弧电压和减小焊接电流的措施；

⑤采用V形坡口多层多道焊接，小线能量焊接可以缩短液态金属在高温停留时间，减小低熔共晶杂质析出量；

⑥熄弧时采用熄弧板，或填满弧坑；

⑦采取减小焊接应力的工艺措施，如合理的焊接顺序等。

2）冷裂纹

冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度，即马氏体Ms转变温度200～300℃以下时产生的裂纹。它的产生时间，可以在焊后立即出现，也可以在延迟几小时、几周，甚至更长的时间以后产生，所以冷裂纹又称为延迟裂纹。延迟裂纹通常是由氢引起的，又被称为氢致延迟裂纹。冷裂纹如图9.10－10所示，大多数发生在热影响区和熔合线上，通常出现在焊道下、焊趾和根部中。冷裂纹多为纵向裂纹，少数为横向裂纹。冷裂纹断口没有明显的氧化色彩，所以裂口发亮。冷裂纹一般为穿晶裂纹，在少数情况下也可能沿晶界发展。

图9.10－10　冷裂纹图

1－根部裂纹；2－焊道下裂纹；3－焊趾裂纹；4－纵向裂纹；5－横向裂纹；6－焊缝边缘裂纹；7－热影响横向裂纹；8－热影响区裂纹；9－层状撕裂

（1）冷裂纹形成有三个因素：

①热影响区产生淬硬组织；

②焊缝金属中含有过量的氢；

③焊接接头存在较大的应力。

（2）产生冷裂纹的原因有：

①焊材选用不当，母材碳当量高，熔敷金属锰含量低；

②坡口表面有油、锈、水、漆等污物，使焊缝金属氢含量增多；

③焊条、焊剂未烘干或受潮；

④焊接线能量太小，致使冷却速度快，产生淬硬组织；

⑤未采取预热、后热、焊后热处理等措施。

（3）防止冷裂纹产生的措施：

①正确选用焊接材料；

②烘干焊条和避免焊剂受潮；

③焊前预热、控制层间温度不低于预热温度；

④仔细清理坡口及其两侧的油、水、锈、漆等污物，减少氢的来源；

⑤选择合理的焊接工艺和焊接顺序，以减小应力；

⑥选用较大的焊接线能量，焊后缓冷；

⑦第一道焊缝尺寸宜厚，能抵抗焊接接头的应力；

⑧高强度合金钢焊后或焊接中断后立即进行后热处理或消氢处理；

⑨焊后热处理，以改善焊缝组织和性能，消除焊接残余应力。

3）再热裂纹

焊后对焊件再次加热（消除应力热处理或其他加热过程）到一定温度范围而产生的裂纹称为再热裂纹，多发生在含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强钢、耐热钢的焊接接头。再热裂纹的部位都起源于靠近热影响区的粗晶区，沿原奥氏体晶界扩展，而结束于焊缝和热影响区细晶区。

（1）产生再热裂纹的原因有：

①母材钢中的钒、铬、钼、硼等元素含量偏高；

②焊接线能量过大，形成的粗晶区加宽，粗晶加剧了再热裂纹的危险；

③焊接接头存在具有缺口的缺陷，如咬边、未焊透和未熔合、内裂等，缺口会急剧提高残余应力和工作应力峰值水平；

④焊后热处理的温度不当。

（2）防止再热裂纹产生的措施：

①控制母材及焊缝金属的化学成分，适当调整各种易产生再热裂纹的敏感元素，如钒、铬、钼等；

②在满足设计要求前提下，选择高温强度低于母材、塑性好的焊材，这样可以获得塑性好的焊缝，可以让应力在焊缝中松弛，避免热影响区产生再热裂纹；

③尽量不采用高拘束度的焊接接头，以减小应力；

④采用高温预热和后热，降低焊接接头的内应力和应力峰值；

⑤采用小线能量焊接，减小焊接热影响区过热区的尺寸。并可通过相邻焊道的热作用来细化过热区的晶粒；

⑥消除可能引起应力集中的焊缝表面缺陷如咬边、焊根缺口、焊缝外形高凸；

⑦正确选择消除应力热处理温度，避免焊件在敏感温度区间进行热处理。

4）层状撕裂

焊接大厚度板的焊接结构时，在焊接接头的热影响区包括熔合线或远离热影响区的母材之中，产生和母材轧制表面平行的阶梯形的裂纹，这种裂纹称为层状撕裂。层状撕裂通常发生在厚板T形，K形接头中，是在常温下产生的裂纹，大多数层状撕裂在焊后150℃以下或冷却到室温经过数小时后产生。层状撕裂属于冷裂纹。

（1）产生层状撕裂的原因有：

①钢板中存在非金属杂质的夹层（硫化锰、三氧化二铝和硅酸盐等）；

②焊接接头受到在板厚方向上的较大应力；

③焊接坡口设计不合理。

（2）防止层状撕裂产生的措施：

①控制母材钢中硫化锰等杂质，提高钢的内在质量，改善钢板厚度方向的性能，重要结构采用Z向钢（钢板厚度方向上有力学性能要求）；

②合理设计焊接结构，降低作用于垂直钢板厚度方向的载荷；

③选择合理的坡口形式，以减小在钢板厚度方向产生的应力；

④焊前预热，控制层间温度，减少焊接应力；

⑤在焊接坡口一侧先堆焊一层低强度、高塑性的焊缝金属，这对防止层状撕裂是比较有效的；

⑥合理的焊接顺序，采用焊缝收缩量最小的焊接顺序，对于有可能产生层状撕裂的焊缝应尽可能先焊，这样焊缝在拘束度小的情况下能自由收缩，减小了焊接应力，有利于防止层状撕裂。

5）终端裂纹

在船舶拼板单面埋弧焊接长焊缝时，当焊到接缝终端位置时，产生纵向裂纹，这种裂纹称为终端裂纹。随着母材钢强度的提高、板厚增大及焊缝长度的增长，终端裂纹的倾向也越敏感。终端裂纹沿着焊缝中央的树枝状结晶会合面垂直于板面而产生，它具有热裂纹的特征。

（1）终端裂纹产生的原因有：

①定位焊缝长度短，不能承受较大的拉伸应力；

②一次焊成的焊道截面过大，产生的拉伸应力较大；

③焊缝首尾两端未设置拘束固定焊缝。

（2）防止终端裂纹产生的措施：

①改进焊丝和焊剂的化学成分，以提高熔敷金属的抗裂性；

②如果焊缝长度较短（约2m）在多丝埋弧单面焊时，可以通过调节焊丝间距，改变定位焊缝长度和位置等方法达到防止裂纹的目的；

③弧坑会合法，由接缝首尾两端向中间施焊，弧坑在中间会合，这是比较简单的方法，但施工不连续；

④首尾端拘束固定焊缝法，在接缝首尾两端，用焊条电弧焊或CO₂气体保护半自动焊先焊上大于450mm长的拘束固定焊缝，以此焊缝来抵抗扯裂力；

⑤采用小线能量焊接，以减小扯裂力，有助于防止终端裂纹；

⑥改进工艺板包括引弧板、熄弧板及“П”形马，从外部约束扯裂力，对减少终端裂纹是有效的。

9.10.3.2　气孔

焊接时熔池中的气泡在凝固时未逸出而形成的空穴，称为气孔，气孔缺陷如图9.10－11所示。焊缝中的气孔，减小了焊缝工作截面，削弱了焊缝的强度和致密性。当焊缝受到动载荷时，内气孔附近会形成应力集中，导致产生裂纹。

熔化焊产生的气孔，通常由氢、氮及一氧化碳气体引起的。

图9.10－11　气孔图

1）产生气孔的原因

（1）坡口及其两侧附近有锈、水、油、漆等污物，这些污物是氢的来源；

（2）焊丝生锈或沾上油污；

（3）焊条、焊剂受潮，未烘干；

（4）焊剂覆盖量不够，或突然供应中断，空气侵入熔池，易生成氮气孔；

（5）焊接的极性接法错误；

（6）焊接时发生磁偏吹。

2）防止气孔产生的措施

（1）仔细清理焊接坡口及其两侧；

（2）按技术要求烘干焊材；

（3）焊前对焊丝除锈和去污；

（4）调整焊剂的覆盖量、保证焊剂供应不中断；

（5）正确选用极性接法；

（6）用交流电焊接，减小焊接电流，改变焊接电缆接焊件位置。

9.10.3.3　夹渣

焊接时非金属物质在焊缝冷却过程中来不及逸出，焊后残留在焊缝中的渣，称为夹渣。夹渣缺陷如图9.10－12所示。夹渣形状复杂，一般呈点状、线状、长条状、块状等。

图9.10－12　夹渣图

1）产生夹渣的原因

（1）选用焊材不当，熔渣黏度太大；

（2）下坡焊接，熔渣流到电弧前方；

（3）多层焊时，焊丝位置偏向坡口一侧，熔渣流向另一侧；

（4）焊接电流太小，未能充分熔化焊剂；

（5）引弧板、熄弧板的厚度、坡口形状跟母材不一致，造成焊缝两端部夹渣；

（6）焊盖面层时，电弧电压过高，使游散的焊剂卷入焊缝；

（7）高效焊的填充铁粉过多，未能充分熔化；

（8）前层焊渣未清理。

2）防止夹渣产生的措施

（1）选用合适的焊材；

（2）放平焊件或采用上坡焊；

（3）加大焊接电流，充分熔化焊剂；

（4）引弧板与熄弧板的厚度、坡口形状应和母材一致；

（5）焊盖面层时，电弧电压不宜过高；

（6）减小高效焊填充铁粉的高度；

（7）多层焊的层间焊渣应清理。

9.10.3.4　未焊透和未熔合

焊接接头的根部或中部，母材和母材之间未完全熔合，也即焊缝的熔深小于板厚，这种缺陷称为未焊透。在焊道的母材、焊道和焊道之间未完全熔合，称为未熔合，未焊透和未熔合缺陷如图9.10－13所示。

图9.10－13　未焊透和未熔合图

未焊透和未熔合缺陷都减小了焊缝工作截面，有一定的危害性，尤其是片状未熔合（如焊道和母材坡口面之间的未熔合），这相当于中间存在片状缝隙，形成应力集中，焊缝一受力就可能产生裂纹，破坏了结构。未熔合的危害性仅次于裂纹。

1）产生未焊透和未熔合的原因

（1）坡口角度太小、钝边太大、间隙太小；

（2）坡口根部未清理；

（3）焊丝未对准坡口中心；

（4）焊接电流太小、焊接速度太快；

（5）电弧电压太高、焊接极性不正确；

（6）焊接过程中网路电压波动过大。

2）防止未焊透和未熔合产生的措施

（1）坡口形状尺寸应符合技术标准要求；

（2）仔细清理坡口，尤其是坡口根部；

（3）校直好焊丝，对准坡口中心；

（4）调整好焊接工艺参数（I，U，V）；

（5）避开用电高峰，选用有网路电压补偿的焊接电源。

9.10.3.5　咬边

焊缝边缘（焊趾）母材上被电弧熔化形成的沟槽或凹陷，称为咬边，咬边缺陷如图9.10－14所示。咬边减小了母材的工作截面，过深的咬边处造成应力集中，降低焊接接头的疲劳强度，还会加速局部腐蚀。

图9.10－14　咬边图

1）产生咬边的原因

（1）焊接电流太大；

（2）电弧电压太高；

（3）焊接速度太快；

（4）焊条、焊丝位置不准确。

2）防止咬边的措施

（1）选择合适的焊接工艺参数，焊接电流不宜大，电弧电压不宜高，焊接速度适当；

（2）选用正确的焊丝位置；

（3）将T形接头置于船形位置焊接。

9.10.3.6　烧穿

焊接过程中熔融金属从坡口反面流出，形成穿孔现象，称为烧穿。烧穿又称焊穿，如图9.10－15所示。烧穿使焊缝截面减小，甚至无法形成焊缝。烧穿是不允许存在的，必须进行重新焊接。

图9.10－15　烧穿图

9.10.3.7　焊瘤

焊接时熔融金属流淌到正常焊缝之外的局部的多余金属称为焊瘤，如图9.10－16所示。

焊接过程中，如果熔池的体积大，温度又高，熔融金属凝固较慢，在重力作用下，就流淌到正常焊缝之外形成焊瘤。

图9.10－16　焊瘤图

9.10.3.8　弧坑未填满

在焊缝收尾处有低于母材表面的弧坑，称为弧坑未填满，如图9.10－17所示。弧坑形成的凹陷使焊缝工作截面减小，强度减弱，同时由于弧坑冷却快和保护差，弧坑往往存在着气孔和夹渣，甚至形成弧坑裂纹。弧坑未填满缺陷是不允许存在的。

图9.10－17　弧坑未填满图

9.10.3.9　焊缝尺寸、形状不合要求

形成焊缝尺寸、形状不合要求的有焊缝宽度、焊缝余高太高、焊缝宽度不均匀、直焊缝焊脚单边、焊缝表面麻坑、鱼骨状波纹等。