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焊接缺陷 - 图例


第九单元

焊缝和母材的不连续





介绍………………………………………………………………………………………………………. 2 不连续……………………………………………………………………………………………………..3 总结…………………………………………………………………………………………………….….20 关键术语和定义…………………………………………………………………………………………..20

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第九单元 焊缝和母材的不连续 介绍
焊接检验师很重要的一项工作就是评估焊缝是否符合要求。在评估的各个阶段中,检验师必须检 验焊缝或焊件中的不规则, 我们经常把这些不规则叫做不连续。 通常不连续就是一个均匀连续物体中的中断。因此,高速公路上的一个碰撞处就可以认为是一个 不连续, 因为它中断了光滑连续的路面。焊接中我们所担心的不连续是裂纹,气孔,咬边和未熔合等。 了解这些不连续对焊接检验师来说是非常重要的, 原因有很多,首先,焊接检验师经常会对焊 缝进行外观检查,看是否存在这些不连续。发现不连续后,焊接检验师必须要有能力来描述它们的特 性,位置和范围, 从而判定按照相应的规范要求,该不连续是否需要返修。 如果需要作进一步处理,焊接检验师必须有能力准确地描述出该不连续的范围,以便生产人员进 行返修。 在描述这些不连续前,很有必要知道不连续和缺陷之间的差异。人们经常会把这两个术语混淆起 来。作为一个焊接检验师,你应该知道不连续和缺陷这两个术语之间的差别。 不连续的特点就是引入了不规则从而成为一个不连续的结构, 而缺陷是特殊的不连续,它能损 害构件的使用。也就是说,缺陷也是一种不连续,按相应的规范,这种不连续大量产生时会损害构件 的使用。 为了衡量一个特定的不连续是否是一个真正的缺陷, 必须有一些标准来规定这些不连续的合格限 值。 当不连续的尺寸或密集度超过了这些限值, 那么它就是缺陷。 所以我们可以认为缺陷就是一个 “不 合格的不连续” 。因此,我们说它是一个缺陷就意味着它是不合格的,应作进一步的处理,使得它符 合相关规范规定的要求。 根据构件的不同用途,不连续可能是缺陷,也可能不是缺陷。因此,每个行业有不同的标准或规 范来规定不连续的合格限值。 因此,以下对焊缝不连续的讨论仅限于它们的特性,原因和处理,而不参照特定的合格限值。只 有按某一个适用的标准,才能判断是合格的不连续或是不合格的缺陷。 尽管如此,我们还是讨论一下不连续的影响和危害程度。这样的讨论可以有助于你了解为什么有 些不连续不管它的尺寸和范围如何都是不合格的,而其它一些少量的不连续是可以接受的。 有种方法可以解释不连续的形状。不连续的形状可分为两类:线性和非线性。线性不连续的长度 要比宽度大的多。而非线性不连续的长度和宽度相当。在垂直于应力方向上的线性不连续要远比非线 性不连续危害性大的多,因为线性不连续更容易扩展从而导致失效。 另外,不连续的危害程度与它端部的形状有关。端部的形状是指不连续端点的形状。一般来说, 不连续端部越尖锐,它的危害性就越大。这是因为尖锐的不连续更容易延伸。同样的,这也取决于不 连续与所受应力之间的方向。我们经常把线性不连续与它的端部形状综合考虑。所以,如果在垂直于 应力方向有一个端部很尖锐的线性不连续,那么这个线性不连续对该构件的承载能力是有很大危害 的。 如果我们把不连续按照它们端部尖锐程度来分,从最尖锐的开始排序,一般为裂纹,未熔合,未 焊透,夹渣和气孔。这个顺序与大多数规范也是一样的。极少数情况下允许有裂纹。未熔合也不允许 存在或仅允许有少量。大多数的规范允许有少量的未焊透、夹渣和气孔存在。不同的行业和工况,允 许的量也不同。但是一般来说,不连续越尖锐,就越限制它的存在。 为了进一步说明不连续端部的重要性, 我们来看一个例子,在这个例子中,你将看到我们将使 用一种技术来阻止裂纹的延伸,这种技术可能你也用过。这种技术就是在裂纹端部钻一个止裂孔。虽 然这种技术并不能矫正裂纹,但是它能阻止裂纹的延伸。这是因为在裂纹端部钻的孔可以降低应力集 中,从而可以使开裂处能够承受相应的载荷,裂纹不会继续延伸。

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还有一种方法就是按照构件所受的载荷来判别不连续的危害性。举个例子,如果一条焊缝是压 力边界,那么一旦焊缝中的不连续占整个壁厚很大比例时,那么这些不连续将是很危险的。这时如果 构件是受疲劳载荷(如循环载荷) ,这些不连续会在表面产生很尖锐的凹痕,从而使构件更容易失效。 这些表面的凹痕产生应力集中,也就是在凹痕处应力得到集中或放大。这样的应力集中会导致局部过 载, 哪怕整个截面的应力很低。 应力集中放大处所受载荷可用应力集中系数来表示, 尖锐的表面裂纹, 其应力集中系数可高达 10。 这就好比你想折断一根焊丝。 你可以来回弯曲焊丝直至断裂。 但是你得弯很多次才能使焊丝断裂。 假如你拿一根同样的焊丝,把它放在一个硬表面上,拿边缘尖锐的凿锤击打,就会在焊丝的表面形成 一个很尖锐的凹痕。现在你只需弯一两次就可以折断焊丝,这是由于凹痕处的应力集中。 因此,对承受疲劳载荷的构件来说,表面不应有不连续以避免产生尖锐的凹痕。所以,受疲劳载 荷构件的表面通常要求机加工,以使表面很光滑。应避免几何形状的突变。 对于这些构件,目视检查是一个很有效的方法。因此,作为一名焊接检验师,在判定这些构件是 否运行良好中扮演着非常重要的角色。 焊接检验师可以从构件表面的不连续或它的尖锐程度来判定这 些构件是否满足工况要求。

不连续
对不连续有了一个大概的了解后,让我们来探讨一下在日常检验中常见的焊缝和母材的不连续。 以下所列的是一些不连续,它们的定义可参照 AWS 标准 A3.0“焊接术语和定义标准” ,或可参照本 单元后面的“关键术语和定义”部分。 ? 裂纹 ? 未熔合 ? 未焊透 ? 杂质 ? 夹杂 ? 夹钨 ? 气孔 ? 咬边 ? 未焊满 ? 焊瘤 ? 焊缝凸起 ? 焊缝加强高 ? 引弧烧伤 ? 飞溅 ? 夹层 ? 层状撕裂 ? 划伤和结疤 ? 尺寸 裂纹 首先讨论的是裂纹,也是最危险的不连 续。 之所以危害性最大是因为裂纹是线性不连 续,而且它的端部非常尖锐。正是因为裂纹的 端部非常尖锐, 所以它在有应力的情况下易于 扩展和延伸。 当载荷或应力超过构件的抗拉强度时会 产生裂纹。换句话说,在过载的情况下会

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产生裂纹。 焊接时或是有载荷时可产生应 力。载荷没有超过构件的最大承载能力 时, 已存在的缺口或应力集中处可产生局 部应力集中而超过了构件的抗拉强度, 这 时,裂纹就在应力集中处产生了。因此, 裂纹通常跟表面和内部的不连续有关, 因 为这些不连续会产生应力集中, 而这些不 连续是跟焊接有关的。 可用不同的方法对裂纹分类。 其中一 种方法就是把裂纹分成热裂纹和冷裂纹。 所谓的冷裂纹和热裂纹是指产生裂纹时的金属温度。我们常用这种方法来区分裂纹是怎么产生 的,因为有些裂纹可分为冷裂纹或热裂纹。 热裂纹是在金属凝固时的高温下产生的, 这种裂纹是在晶间扩展的,也就是说,这种裂 纹是在晶粒间形成的。如果我们观察一个热裂 纹的断裂面,我们会看到各种回火的颜色说明 热裂纹是在高温下产生的。冷裂纹是在金属冷 却到室温后产生的。那些在在役条件下形成的 裂纹也是冷裂纹。延迟裂纹、焊道下裂纹、氢 致裂纹都是冷裂纹。冷裂纹可在晶粒间或晶粒 内扩展。 裂纹还可以按它与焊缝纵轴的方向来分 类。与焊缝纵轴平行的裂纹为纵向裂纹。同样 的,与焊缝纵轴垂直的裂纹为横向裂纹。这些 裂纹多形成于焊缝或母材。纵向裂纹是由于焊 接的横向收缩应力或是在役应力形成的。 9.1 图 是在坡口焊中部的纵向裂纹。焊缝表面的气孔 使裂纹更易扩展。
横向裂纹通常是由于焊缝的纵向收缩应力 或是母材韧性差而造成的。图 9.2 是 HY-130 钢 GMAW 焊时形成的两条横向裂纹,已经延伸到 了母材内。图 9.3 是角焊缝中焊喉的裂纹。 我们还可以按照它们在焊缝中的不同位 置分类。包括:焊喉、根部、焊趾、弧坑、焊道下、热影响区和母材的裂纹。 所谓焊喉裂纹是因为裂纹是沿着焊喉延伸,或者是沿着焊缝截面的最小通经延伸。它们通常 是纵向裂纹也是热裂纹。 焊喉裂纹可在焊缝表 面看得到。因此,术语“中心裂纹”通常就是 指这种情况。 在垂直于焊缝轴线上拘束度大的接头, 尤其当焊缝截面小的时候容易形成焊喉裂纹。 因此, 根部焊道单薄或是内凹的角焊缝可能会 产生焊喉裂纹, 因为它们减小了截面积从而使 接头承受不了横向的焊缝收缩应力。 9.4 是 图 一个角焊缝焊喉裂纹的例子。

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根部裂纹通常是纵向的, 但是它们可能会 在焊缝或母材内扩展。 之所以叫它根部裂纹是 因为它们通常在焊缝根部或是根部表面形成。 与焊喉裂纹一样, 它们通常与焊接收缩应力有 关。因此,它们通常是热裂纹。接头装配或准 备不当会导致根部裂纹。 比如, 根部间隙过大 会导致应力集中而产生根部裂纹。 焊趾裂纹 是指焊趾处开裂而扩展 到母 材。 焊缝的几何形状, 如焊缝加强高或内凹可 能会在焊趾处形成应力集中。 再加上热影响区 的金相组织韧性较差,从而更易产生焊趾裂 纹。 焊趾裂纹通常是冷裂纹。 焊趾开裂是由焊 接横向收缩应力或在役应力造成的, 或是两者 兼而有之。 焊接件在役时的疲劳载荷往往是产 生焊趾裂纹的主要原因。 9.5 是典型的焊趾 图 裂纹。 弧坑裂纹发生在单个焊道的终点处。如 果焊工在收弧的时候没有完全填满熔池, 将在 收弧处形成浅滩或是弧坑。这样的薄弱区域, 再加上焊接收缩应力, 将形成弧坑裂纹或是网 络状的裂纹, 这些裂纹都是以弧坑为中心向外 散发。 当弧坑裂纹是以径向分布时, 通常也称 为弧坑星状裂纹。 由于弧坑裂纹是在焊接熔池凝固时产生 的,所以它也是一种热裂纹。图 9.6 是发生在 铝 GTAW 焊道上的弧坑裂纹。弧坑裂纹的危 害性很大,因为裂纹很容易扩展。如图 9.7 所 示。

尽管弧坑裂纹主要是由于焊工收弧时操作不当有关, 也与填充金属有关, 因为如果填充金属流动性好, 那么焊缝凝固时会形成一个表面凹的焊缝。比如牌号后两位是-16 的不锈钢药皮焊条(如 E308-16, E309-16,E316-16 等) 。牌号后两位为-16 的是二氧化钛型的药皮,这种类型的药皮焊条会形成平的 或微微凹的焊缝。因此,当焊工使用这些焊条时必须非常小心地添满弧坑以防止产生弧坑裂纹。 接下来是焊道下裂纹。 尽管是与焊接操作有关, 但是焊道下裂纹是位于热影响区而不是焊缝金属。 顾名思义,它靠近热影响区的熔合线。从截面上看,焊道下裂纹通常与焊道熔合线平行。

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图 9.8 是典型的焊道下裂纹的外型。它们在内部所 以很难发现。但是,它们也可能会扩展到表面,这样外 观检验时也能发现。 焊道下裂纹是一种非常有害的裂纹,因为它可能会 在焊接很多小时以后才开始扩展。所以焊道下裂纹也称 为延迟裂纹。因此,对于有焊道下裂纹倾向的材料,应 在焊后冷却至室温后 48 至 72 小时以后再进行最终检验。 高强钢易于产生这种裂纹。 (如 ASTM A 514) 焊道下裂纹是因为焊接区有氢的存在。氢可能来自 于填充金属、母材、大气或是焊接件表面的污物。如果 焊接时有氢存在的话,氢可能会进入热影响区。当金属 发热时可溶解大量的氢离子 H+。 但是当金属凝固时,金属溶解氢的能力将下降。氢 离子就会移动到热影响区的晶粒边界。这时,单个的氢 原子合成氢分子(H2) 。由于氢分子体积大,不能在金属 结构中移动。所以这些氢分子就沉积下来。这时,如果 周围的金属韧性不好的话,由于这些沉积的氢分子导致 内部压力增加而 产生焊道下裂纹。作 为一名焊接检验师, 你应该意识到这个潜 在的问题以防止它的 发生。防止产生焊道 下裂纹最好的方法 是,当焊接有这种裂 纹倾向的材料时,消 除氢的来源。比如手 工电弧焊用低氢焊 条。有规定时,这些 焊条应保存在适当的 保温筒内以保持其水 分含量低。如果在大 气环境下放置时间太 长,焊条会吸潮而产 生裂纹。焊件表面应 清理干净以消除氢的 来源。也可用预热的 方法来消除裂纹。 由于热影响区的 韧性比焊缝和母材要 差,所以即使没有氢也会在热影响区开裂。拘束度大的时候,收缩应力足以在热影响区产生裂纹,尤 其是脆性材料,如铸铁。我们先前讨论的焊趾裂纹就是一种特别的热影响区裂纹。 母材本身也有可能出现裂纹。这种裂纹可能与焊缝有关,也可能与焊缝无关。通常母材裂纹与构 件在役时的应力集中有关。从射线探伤的底片上看,裂纹是一条很细很黑的线,很容易与其它线性不 连续区分开来,裂纹不会很直,因为它们往往是沿着材料截面的最小通经扩展。图 9.9 是射线探伤底 片上典型的纵向裂纹,很可能是根部裂纹。图 9.10 显示的是典型的横向裂纹。

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未熔合 未熔合是一种焊接不连续,即焊缝金属和熔合面 或焊道间没有熔合。也就是说,熔合度低于规定范围。 由于未熔合而呈线形并且端部很尖锐,所以未熔合是 值得注意的不连续。它存在于焊接区域的很多部位。 图 9.11 是发生各种位置上的未熔合。

图 9.11(A)是坡口面和焊道间的未熔合。更为常见的是,未熔合还与夹渣有关。实际上,由于清理 不干净而引起的夹渣可能会影响焊缝的熔合。 我们常常认为未熔合是内部的焊接缺陷。但是它也会发生于焊缝的表面。如图 9.11(B)和图 9.12。 未熔合另一种不标准的名称叫冷隔, 此名称经常不恰当地用来形容焊缝和母材或不同焊道之间的 未熔合,特别是使用熔化极气体保护焊。图 9.13 及图 9.14 是焊缝和母材之间的未熔合(冷隔) 。 未熔合的起因有很多。通常是由于焊工操作不当。有些焊接方法更易产生未熔合,因为加热不够 集中,导致金属不能充分熔化。例如 GMAW 焊短路过渡时,对于必须熔合的接头部位,焊工应认真 焊接。否则,有些区域的金属就不能熔化和熔合。 另外,接头形状可能会限制熔合。比如对某一焊接方法的焊条直径,坡口的角度不够。再则,端面的 污物,包括氧化皮和氧化层也会影响焊缝的熔合。

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射线探伤很难发现未熔合,除非射线角度合适。 典型的未熔合靠近原来的坡口面而且它的宽度和体 积都很小,所以很难在射线探伤底片上观察,除非射 线与未熔合平行或是在一条直线上。 如果未熔合能在射线探伤底片上看得到的话,它 是一条黑度更黑的线,通常要比裂纹或条状夹渣的影 像更直。这些影像的侧面位置则显示了它们的实际深 度。例如,在一个单面 V 型坡口焊缝中,靠近根部的 未熔合在射线探伤底片上显示在焊缝的中心线上,而 靠近焊缝表面的未熔合则显示在焊趾部位。 图 9.15 中的线性显示是在焊接接 头坡口面处形成的未熔合。 未焊透 未焊透,如未熔合一样,也 是一种不连续,仅跟坡口焊缝有关。 当要求全焊透时,焊缝金属没有贯穿 整个接头的厚度。它通常靠近焊缝根 部。图 9.16 是几个未焊透的例子。大 多数规范都对允许未焊透的量和度都 作了限制,有些规范不允许任何未焊透。如果图 9.16 中 的焊缝满足设计师要求

的话,我们还有另外一种说法。就是所谓的局部焊透; 也就是说,这些焊缝不需要全焊透。比如,一个焊接接 头,设计要求局部焊透,然后也这样焊了,如果焊缝尺 寸足够的话也是可以接受的。不过,如果一个焊接接头 要求全焊透而没有焊透的话是不能接受的。 需要注意的是以前有些所谓的未焊透现已改称为几 个非标准的术语。如 IP 和 LP。对于坡口焊缝来说,正确 的术语应是未焊透而不是其它术语。图 9.17 是坡口焊缝 根部未焊透的照片,而图 9.18 是射线探伤中未焊透的影 像。

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产 生 未 焊透的原因与未熔合一样,即操作不当,接头形状不当或是过量的污物。射线探伤中未焊透的影像通 常为黑色的线。一般比未熔合的影像更直,因为它与坡口根部的准备有关。它集中在两个焊接件的坡 口连接处。 杂质 杂质是残留的外界固体物质,如渣,焊剂,钨或氧化物。所以,杂质包括金属和非金属。夹渣, 顾名思义,是由于在焊缝截面或表面中,用于保护熔化金属的焊剂残留在固化金属中而形成夹渣。固 态的焊剂、渣存在于焊缝截面中从而使金属不能熔化。这就削弱了构件的使用性。我们常常会认为夹 渣完全包容在焊缝的截面内,但是我们也能在焊缝表面发现夹渣。图 9.19 就是一个表面夹渣的例子。 与未熔合一样,夹渣发生在焊缝与母材之间或是在焊道 之间。事实上,夹渣常常与未熔合有关。只有渣保护的 焊接方法才会形成夹渣。通常是由于焊工操作不当而形 成的,比如运条不当和焊道间清理不干净可导致夹渣。 通常,焊工运条不当或焊接参数不当会形成非预期的焊 缝形状,从而影响了层间清理。后续焊道会覆盖住残留 的焊渣而产生夹渣。 图 9.20 所示的夹渣实际上是在焊缝始焊/止焊处的 缺陷。 由于渣的密度要比金属低得多,所以夹渣在射线照 相上是相对较暗的显示,具有不规则的外形,如图 9.20 和图 9.21 所示。但是,药皮焊条渣的密 度与金属差不多,所以很难从射线照相中判定由这些焊条形成的夹渣。 夹钨通常与 GTAW 焊有关,GTAW 焊是由钨极产生电弧。如果钨极与焊接熔池接触,电弧 熄灭,熔化的金属沿着钨极的端部凝固。移开钨极时,钨极端部很容易断裂,如果不打磨去除, 钨将陷入焊缝中。 GTAW 焊时,如果焊接电流超过了钨极直径的推荐值也会产生夹钨。这时,电流密度过大, 钨极开始分解,碎片熔敷到焊缝金属里面。如果焊工没有正确地打磨钨极,上述情况也会发生。 如果打磨时在钨极周围形成圆环而不是与钨极轴向一致, 将导致应力集中从而是钨极端部率先断 裂。产生夹钨的其它原因包括: (1) 填充金属与热的钨极端部接触 (2) 由于飞溅物污染了钨极端部 (3) 钨极伸出过长,导致钨极过热 (4) 钨极夹头没有夹紧

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(5) (6) (7) (8) (9) (10)

保护气体流量不足或风速过大,导致钨极端部氧化 保护气体不合适 钨极有缺陷,如开裂或裂纹 给定尺寸的钨极电流过大 钨极打磨不当 钨极太小

夹钨很少在焊缝表面发现, 除非当钨极碎片熔敷进中间焊道后, 焊接检验师有机会看到这些中间 焊道。主要是由射线照相来发现夹钨。由于钨的密度比钢或铝大得多,所以在射线探伤底片上显示的 是很淡的区域。图 9.22 所示。

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气孔 AWS A3.0 把气孔定义为“由于在固化过程中气体残留而形成的空穴缺陷(不连续)。因此我们 ” 可以把气孔认作为在固化焊接金属中的汽泡或空洞。由于它的特殊的球状,气孔通常被认为是损害最 小的缺陷。然而如果焊缝是压力边界用于保存气体或液体,那么气孔可能被认为是有危害的。这是由 于气孔可能成为泄漏途径。 与裂纹一样,有几个不同的名字定义气孔的特殊 形式。总的来说,它们通常与相对位置或单个气孔的 形状有关。因此 如均匀分散气孔,簇气孔,线状气 孔以及用于更好地描述气孔出现率的管状气孔。一个 空洞也可以定义为气孔或空穴。 均匀分散气孔是许多空穴没有规律地出现在整焊 缝上。密集气孔是许多气孔聚集在一起。线状气孔是 许多气孔以直线排列。 在上述的形状中,空穴或气体穴通常是球状的。 图 9.23 所示的是在焊缝表面均匀分散气孔的例子。图 9.24 是线状气孔,并与裂纹相连。图 9.25 是在焊缝表 面一些单个的气孔。 还有一些形状的气孔,气孔不是球状的而是长条 形的。 9.26 就是在焊缝表面出现长条形气孔的例子。 图 通常称之为条虫状气孔。当气体残留在熔化金属和固 化的焊渣之间时,就会出现这样的表面状况。SAW 时 使用颗粒状焊剂深度太大时,这种现象也会出现。这 是因为焊剂的重量太大以致气体无法逸出而出现这种 现象。 另一长条形气孔形式是管状气孔。如果焊缝的主 要作用是保存气体或液体时管状气孔通常认为是最危 害的状况。因为这可能导致发生泄漏。 (见图 9.27) 。 气孔通常是由于焊接区域有潮汽或有杂质,由 于焊接加热而分解形成气体造成的。这些杂质和潮 汽来自于焊条,母材,保护气体或周边环境。但是, 焊接技术的变化也可能形成气孔。例如在用低氢焊 条的 SMAW 中电弧过长。在 SAW 中采用太高的焊 速时会产生管状气孔。因此,当气孔出现时,意昧 着在焊接的某个方面失控。需要化时间去研究以确 定是什么原因造成了该焊接缺陷。 射线探伤中发现气孔的,它是以轮廓分明的黑色区域 出现。因为它代表材料密度的极大的损失。除了管状 气孔,通常都会以圆状显示出现。而管状气孔是带着 尾巴的圆状显示。图 9.28 和 9.29 就分别显示了密集气 孔和线状气孔的射线照片。

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咬边 咬边是靠近焊缝的母材上的表面缺陷。这是由于在焊接过程中母材熔化后,没有足够的填充材料适当 的填入所引起的沉陷而造成的。结果是在母材上形成线性坡口,使母材可能具有相对尖锐的形状。由 于是表面缺陷,对那些要承受疲劳载荷的结构有很大的危害。图 9.30 所示的是在角焊缝和坡口焊缝 中的咬边和焊瘤。有意思的是,你会注意到对于坡口焊缝,咬边可能即会出现在焊缝表面也会出现在 根部表面。 图 9.31 说明了在一个角焊缝上的典型的咬边外观。这张图片是咬边如何最佳展现的例子。当灯光适 当地放置,咬边会产生明显的阴影。有经验的焊接检验师能发现这一现象,并采用一些技术,如用手 电筒照在母材表面,在咬边产生的地方,阴影就会出现。

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另一种技术是在涂漆后对焊缝进行目视检验,特别是当所使 用淡颜色的漆,如白色或黄色。在正常的光线下观察,咬边存在 的阴影更加明显。这种技术有一问题,就是在进行焊缝修补前, 漆必须要去掉,以防止其他的如气孔之类的缺陷出现。当然该部 件在焊缝修补后要重新涂漆。 咬边通常是由于不正确的焊接技艺所引起的。特别是如 果当焊接运行速度太快,与焊缝连接的母材金属的熔化所引起的 凹穴没有充足的填充金属适当的填入,咬边更易产生。当焊接加 热过高,引起母材金属过多熔化,或当运条不当,咬边也可产生。 当在射线照片中发现咬边,而且不是使用涂漆技术,那么咬 边将是如图 9.32 所示,在焊缝加强的趾或根部以一深色,模糊形 状出现。必须注意是的用射线检测表面咬边是是一种时间,金钱 及 资源 上的 浪 费。 表面咬边可 以 靠仔 细的 目 视检验发现;一旦发现,有必要在射线探伤前进行 修补。 未焊满 如表面咬边一样,未焊满也是一种由于材料横

截面上的损失而形成表面缺陷。然而,未焊满是在 坡口焊缝的焊缝金属中出现, 而咬边是在靠近焊缝 的母材上出现。简单地说,未焊满是由于没有足够 的填充金属适当地填入焊接接头而造成的。 当发现 这种情况,这通常意昧着焊工还没有完成这道焊 缝,或还没有理解焊接要求。图 9.33 就是在一坡 口焊接图形中的未焊满的外观。 就像咬边,未焊满可同时在焊缝的表面和根部上 出现。在管 子接头根部的未焊满有时称为内部凹陷或行话称 为“内凹” 。这是由于在焊第二焊道时使根部焊道 过度加热和熔化而引起的。 图 9.34 是坡口焊缝中未焊满。如果带有未焊 满,当光线以适当的方向照射,由于表面凹陷,未 焊满处会产生一道阴影。 引起未焊满的主要原因是焊工所采用的技术。 过快的焊速(移动)使得无足够的填充金属熔化并 填平焊接区域。

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焊瘤 另一种由于焊接技巧不当而引起的表面缺陷是焊瘤。 焊瘤被描述为在焊趾或焊根外焊接金属的突 起。 它就像焊接金属溢出接头, 并留在邻近的母材表面。 由于它特殊的外观, 焊瘤有时被称为 “翻转” 。 翻转不是一个标准术语,不应该被使用。 图 9.35 所示的是焊瘤如何在角焊缝和坡口焊缝中出现的。就像咬边和未焊满情况,焊瘤能在坡 口焊缝的表面,或是根部出现(见图 9.30) 。同样地,当光线适当地照射,有一个显尔易见的阴影。 焊瘤,因为它能在焊件表面引起尖锐的缺口,所以它是一个值得注意的不连续。更进一步地说, 如有大量的焊瘤出现,能掩盖由于应力集中而导致裂纹扩展。焊瘤的出现通常是由于焊工使用了不适 当的焊接技术。这就是说,如果焊接移动速度太慢,大量熔化的填充金属就将过多填入接头。结果就 是过多的金属溢出并留在母材表面而没有熔合。有些类型的填充金属更容易出现这种缺陷。因为熔化 时,流动性太大无法抗拒重力。因此,它们可能仅仅用在由于重力而将熔化的金属保持在接头的焊接 位置。当在如图 9.30 所示的横焊位置焊接,焊瘤和咬边常常会出现。

焊缝凸起 这种焊接缺陷仅用于角焊缝。焊缝凸起是大量的焊 接金属堆积在角焊缝面上,从而超过了所预期的齐平 度 。凸度定义为是从凸起的角焊缝面至连接焊趾线的最 大垂直距离。图 9.36 是一条凸起的角焊缝。 在某些限度内,凸起是不危险的。事实上,通常都 希望略有凸起以保证由于有凹面的存而减少角焊缝的尺 寸和强度。然而当凸度过大超过了某个限制,那么该不 连续就成为值得注意的缺陷。 事实上过多的焊缝金属存在也不是一个真正的问 题,除非出于经济上的考虑考虑,填充金属超过了绝对 必要的量。由于过多凸度存在引起的真正问题是导致角焊缝轮廓在焊趾处存在尖锐的凹坑。这些凹坑 可以产生削弱结构的应力集中,特别是当结构处于疲劳载荷下。因此,在焊接过程中过多的凸面应该 避免,或在焊趾处填入多一些焊接金属,在焊缝和母材之间形成光滑过渡来纠正。 当焊接速度太低时,当热输入太少或当运条不当时,凸面会产生。这导致过多的填充金属填入, 母材表面没有适当润湿。在母材金属表面有杂质或使用的保护气体没有把这些杂质充分清除,也会形 成不希望出现的角焊缝外形。 焊缝加强高(余高 焊缝加强高 余高) 余高 焊缝加强高与凸面相类似,除了其只能在坡口焊缝中存在。焊缝加强高是因为焊接金属

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大于所需量填入接头而产生的。两个其他的术语,即表面加强高和根部加强高是描述加强高在焊接接 头的某一个面存在的特殊术语。顾名思义,表面加强高出现于焊接接头完成的这一边,而根部加强高 是出现在接头的背面。 图 9.37 显示了单面焊焊接接头的表面和根部的 加强高。对于双面焊的焊接接头,两个面的加强高都 称为表面加强高,如图 9.38 所示。

象凸面那样, 由于过多的加强高所 带来的问题 是出现尖锐凹坑。这些凹坑是由于填入 过量的焊接金属在焊趾上而形成的。焊缝加强高越 大,凹坑问题越严重。在图 9.39 中所示的图形就说明了加强高的量对焊接接头疲劳强度的影响。 从图中可显然易见,由于焊缝加强高的增加而引起的加强角度的增加,焊接接头的抗疲劳很大减 弱。然而,如图 9.40 所示,减少焊缝加强并不真正改善此情况。 正如该图所示,只有在打磨以增加焊缝角度和凹坑的半径后,这种情况才真正改善。 引弧烧伤(电弧触击 引弧烧伤(电弧触击) 引弧烧伤是非常有害的母材上的不连续,特别是 在低合金和高强度钢上。引弧烧伤是由于有意无意地 在远离焊接接头的母材上起弧而造成的。它的出现是 由于在母材表面局部的熔化,然后由于大量的热量被 周围的母材吸收而迅速冷却。在某些材料上,特别是 高强度钢,引弧烧伤可以产生含有马氏体的局部热影 响区。如果变硬,脆性化的显微结构就产生,产生裂 纹的倾向就增大。大量的结构和压力容器的失效都可 能追溯至是由于焊接引弧烧伤的存在,裂纹往往从引 弧烧伤处产生而引起灾难性的后果。 图 9.41 是一张显微照片,所显示的是在一个锅炉 管表面的引弧烧伤。深色显微结构是形成的马氏体。这样的引弧烧伤提供了一个裂纹起始点,此 起始点导致了这个锅炉管的最终失效。引弧烧伤通常是由于不适当的焊接技术而造成的。应该让

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焊工知道引弧烧伤所引发的潜在危险。由于它们代表潜在的危险,所以引弧烧伤是不允许的。如果焊 工坚持在接头以外处引弧,那么此焊工就不应该进行生产焊接。因此这是焊工的纪律和工作态度。工 件上的夹具连接不当也会产生引弧烧伤。 另一个应用于焊接检验的重要注意点是使用双头通电磁化法的磁粉探伤。 因为此方法取决于电流 通过此物件而产生磁场的导电率,如果在检验中在探头与金属表面之间没有足够的接触,就有引弧烧 伤产生的可能性。虽然不像焊接引弧烧伤那样严重,但这样的电弧烧伤也能产生有害的影响 飞溅 AWS A3.0 描述飞溅为, “在熔焊时,金属 颗粒喷出而没有形成焊缝的部分。 ”我们通常考虑 是那些实际粘在焊缝母材上的颗粒。然而,那些 从焊缝和母材中飞出的颗粒也被认作飞溅物。因 为这个原因,另一种定义是那些熔化金属的量与 实际构成焊接接头之间的量差。 从危害性来看,在许多应用中,飞溅可能不 是大问题。然而,大的飞溅球可以有足够的热量 在母材表面上形成类似引弧烧伤效应的局部热影 响区。另外母材表面上的飞溅可以形成局部应力 集中。在母材在役的过程中这种应力集中会产生问题。 这样的例子如图 9.42 所示,裂纹在粘附在母材的飞溅球上形成。在腐蚀环境中,应力集中会形成应 力腐蚀裂纹,也就是所说的碱脆性。而且飞溅的 存在,它降低了合格焊缝的外观质量。如图 9.43 所示。 飞溅引起的另一问题就是必须处理其所造 成的不规则表面。在用各种无损探伤方法做焊缝 检验时,飞溅既可能防碍试验或会产生无规则的 指示, 这些指示可能会隐藏住真正的裂纹。 例如, 在超声波探伤中,靠近焊缝的飞溅会阻碍探头和 偶合剂。另外飞溅也能在磁粉和渗透试验中引起 问题。如果表面要涂漆,飞溅也会造成影响。飞 溅能引起油漆过早地失效(剥落) 。 飞溅是由于焊接电流过大造成。因为大电流 在焊接区域过度紊乱。一些焊接工艺被认为会比其他工艺产生更多的飞溅。如气体保护焊中的短路过 渡和熔滴过渡比射流过渡产生更多的飞溅。 另一能够帮助控制产生飞溅量的方面是气体保护焊和药蕊 焊丝气体保护焊的保护气体的选用。与直接使用二氧化碳作为保护气体相比较,用二氧化碳与氩混合 气可以减少飞溅的量。另外也可以在邻近区域涂上防飞溅的物质以减少飞溅。 分层 这种特殊的不连续是一种母材的缺陷。 分层是由于在钢的制造过程中有非金属杂质的存在而造成 的。这些杂质通常是由当钢仍在熔化过程中产生的氧化物所形成的。在以后的轧制过程中,这些杂质 伸长而成为长条。如果这些长条特别大并且成平面形状,就形成了分层。在某一条件下生成的最大分

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层形式称为缩孔, 它是在最终固化阶段在钢块的上部形成的。 少数情况下, 在钢块轧制成钢板或条前, 没有被完全切除。缩孔通常包含一些复杂的氧化物,是与钢板形成分层一起轧出的。 另一个被错误地应用的可以与分层术语相互交换的术语是剥离。美国焊接协会标准 B1.10,焊缝 的无损探伤指南,不同地定义了这二个术语。B1.10 称剥离是分层在应力下的分离。如此,根据美国 焊接协会标准,二个术语之间的主要不同只是钢板截面分离的程度。 熔焊的热量足以再熔化靠近焊缝区域上这些分层长条,这些长条的端部或者熔合,或者可能是开 口的。 当热切割时分层也可能出现, 因为切割操作的热量足以打开 平面长条,以致它们能被看到。分层可能有危害也有可能没有危 害,主要取决于构件的载荷。如果应力与分层垂直,那么此分层 会严重地削弱结构。然而,如果分层与所受应力平行,那么可能 不会引起任何注意。 如果分层存在于坡口表面, 那么在焊接期间其可能会产生进 一步的问题。在这种情况下,由于应力集中可以从分层处扩展为 焊缝金属裂纹。在图 9.44 中就是这一现象的一个例子。 另一个与分层开口到坡口表面存在的有关问题是它们成为 氢气聚积的主要场所。在焊接过程中,氢溶解于熔化的金属并为 焊道下裂纹的出现提供了必要的元素。 因为分层是在钢的制造过程中产生的,所以除了对胚料进行切除 外,几乎没有什么办法能防止其出现。采购低杂质的钢将强有力地减 少分层存在。然而焊工和焊接检验师没有任何方法去防止其出现。在 含有分层的材料用作焊件前,所有以上的都能通过充分的目视和或无 损探伤检验去发现分层。比目视检验的更好的发现分层的方法是用超 声波探伤。射线探伤不能发现分层,因为如果材料有分层,但在射线 黑白度上也无任何变化。为了说明这一点,想象比较一块单独的 1/2 英吋厚的板和二块 1/4 英吋厚的板重叠在一起的射线探伤。在二个探 伤底片上看,它们的黑白度没有区别。因为射线所通过的是相同的总 厚度。 层状撕裂 另一重要的母材不连续是层状撕裂。它被描述为在母材上与轧制 表面方向平行的梯状撕裂。当在 Z 方向或厚度方向上应力过高,出现 层状撕裂。这常常是由于焊接收缩引起。撕裂总是处于母材内,通常 在热影响区外,一般平行于焊缝熔合边界。图 9.45 所示的是层状撕裂 出现的典型图形。 层状撕裂一种不连续,它与接头实际形状直接有关。因此,焊接 收缩应力试图在轧制金属的 Z 方向或厚度方向上拉它的那些接头形状 将更易于产生层状撕裂。 正如我们在第六单元中所学, 当金属轧制时, 比较其在纵向和横向上的特性,它在 Z 方向上的强度和延伸性更低。 其它影响材料层状撕裂敏感性的 因素是其厚度和杂质存在的程度。 材料越厚, 所含杂质量越高, 那么其出现层状撕裂的可能性就越大。 对于层状撕裂的形成,有三种状况必须同时存在。它们是厚度方向上的应力,敏感接头形状以及

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材料杂质含量高。因此,为了避免层状撕裂的出现,必须削除这三种因素的任何一种。总的来说, 用较洁净的钢材是解决问题的方法。 划伤和结疤 划伤和结疤是与钢加工工艺有关的另一些母材的不连续。它们不 同于分层。 因为它们是在轧制表面,而不是边缘。如果是横截面向的, 它们可能会在与轧制表面平行方向的一段距离中存在,然后最终在表 面方向结束。划伤也称为可能在金属表面出现的纵向裂缝或开裂。划 伤主要是由于钢块在浇注后处理不当或在热处理和轧制过程中引起 的。结疤是由于轧制厂轧制过程中产生的毛刺或凸起。 图 9.46 和 9.47 分别所示的是深的划伤和一簇密集的浅痕。 4.48 图 是结疤的例子。因为划伤和结疤与分层一样,是由于钢厂加工不当所 引起的。所以如果带有它们的材料被用于制造,焊接检验师所能做到 是发现它们而不是控制它们的出现。用目视,磁粉,渗透,超声波或 涡流检验可以很好地发现它们。 尺寸的不连续 到此为止所有讨论的缺陷都可以划分为结构型的缺陷。然而还有 另一组可划分为尺寸上不规则。尺寸上不规则是尺寸(大小)和/或形 状上的缺陷。这些不规则可以在焊缝上出现,或在整个焊接结构上出 现。因为尺寸缺陷可能无法提供合适的结构,所以焊接检验师必须考 虑和检查它们。 检验包括焊缝尺寸和长度的测量以保证有足够的焊接金属承受负荷。 其它的测量包括由焊接引起 过度的变形或翘曲。 在激光和电子束焊接中的不连续 大部分在前面讨论的缺陷也能在电子和激光束焊接中出 现。另外,还有几种缺陷只有在这二种焊接工艺中出现。这是 由于由这些工艺以及高焊接速度所生产的窄而深的焊缝形状。 这些缺陷的第一种称为错焊。如图 4.49 所示,焊束偏离 了焊接接头。当激光或电子束的小直径轴没有对准接头根部 (特别是对于厚部件) 或沿着接头长度方向, 这种不连续就会 产生。对于电子焊接,甚至当光束或电子束对准了,但在光束 或电子束上的电磁力也能引起偏离接头。 带有与电磁特性不同 的电子和激光束的金属焊接也能产生这样的偏离(如图 4.49 所示) 。 如果在沿着上表面,光束或电子束错过了接头,目视检 验应该容易地发现。 然而, 如果所错焊的接头在下表面出现 (如 图 4.49 所示) ,或在较宽的焊缝面出现(钉头形状) ,这就很难被目视检验发现。错焊接头只能占所 预期强度的一小部分。

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电子和激光焊接的 另一种不连续是在焊缝底部形成空隙, 此空隙常常称为根部气孔。 这通常是由 于气体在焊接金属上形成而没有足够的时间从焊接金属深处逸出而 造成的。因为电子束焊接是在真空下完成的,气孔能够容易被留住。 电子束 (焊接时) 熔化了的金属没有完全填满, 从而形成空隙或冷疤。 焊缝越深,这个问题越严重。 收缩空隙,微裂纹或热裂也能在电子和激光束焊接的焊缝中心附 近形成。这是因为焊缝 是从两边向中心线固化的。这沿着焊缝中心 线造成了巨大的收缩应力,从而产生这些不连续。 另一问题是熔深不均匀或是销钉现象。这主要在局部焊透的接头 中出现。但也能在全焊透接头的根部出现。图 9.50 显示销钉现象。 对于电子束焊接,这是由于电子束的能量密度变化,在焊接期间 元素的蒸发和焊接熔池的紊乱引起的。这主要在高功率,熔深大的焊 缝中出现。在激光束焊接中,熔深不均匀与激光束的偶合和去偶引起 的。这是由于光束反射偏离了组件的上表面并与在焊缝上的蒸汽相互 作用引起的,以及受不同激光种类影响。 在全焊透激光焊中,和在电子束焊中,焊缝有焊穿的倾向。当这 种情况出现,那么液态金属要被从焊缝根部挤出而形成飞溅。当焊接 容器时,这构成了问题。因为飞溅会附在相反的表面或在容器中成为 松动的颗粒。 销钉现象常常是伴随着在焊缝根部或两边未完全熔化,如图 9.50 所示。这常常是由于非常狭窄 的光束,不恰当的或不统一的接头装配以及过快的焊接速度而造成的。

总结
在焊缝和/或母材中常常会有一些地方不够完美,我们称之为不连续。如果不连续达到一定大小, 它可能会影响结构的服役。 规范通常规定了不连续所允许的限度。 大于这些限度的不连续被称为缺陷。 缺陷是那些需要纠正的不连续。不连续的严重性取决于许多因素,包括其是否是线性或非线性的,它 端部的形状和它是否开口到表面。 不连续以许多不同的形式存在,包括裂纹,未熔合,未焊透,夹渣,气孔,咬边,未焊满,焊瘤, 凸面,焊接加强高,引弧烧伤,飞溅 ,分层,层状撕裂,表面划伤或结疤,以及尺寸形的不连续。 通过了解这些不连续是如何形成的,焊接检验师可以成功地发现原因从而阻止问题的出现。

关键术语和定义
引弧烧伤 - 由电弧所引起的不连续,包括任何局部再熔化的金属,受热影响的金属,或任何金属 表面形状的改变。 + 原子氢 - 氢的离子形式,如 H ,它所对应的是含两个氢原子的氢分子,氢分子为 H2。氢原子的 同义词是新生氢。

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夹头 - 凸度 - 裂纹 - 弧坑裂纹 缺陷 - 剥离 - 密度 -

是一个焊接术语,它是焊炬的一部分,形成了夹套 是从凸起的角焊缝面至连接焊趾线的最大垂直距离。 开口锐尖,长宽比很高的破裂型不连续。 - 在焊缝终点处形成的裂纹 超过了规范允许限度的不连续;是不合格的不连续,需要修复或替换。 在应力下分层的脱离。 物体质量与体积的比,通常是以每立方厘米克或每立方英吋磅记;也指射线照片的黑度; 越暗的区域,其黑度越高。 不连续 - 材料中的任何不规则,均匀物体的任何中断。 夹渣 - 陷入的的外来固体材料,如渣,焊剂,钨或氧化物。 未熔合 - 是一种焊接不连续,即焊缝金属和熔合面或焊道间没有熔合。 未焊透接头 - 坡口焊缝根部的焊接金属没有完全贯穿整个接头的厚度。 晶间- 是出现在晶间或沿着晶间的一种状态。晶间裂纹在晶界形成并沿着晶界扩展。 层状撕裂 - 处于母材表面下,层状的,逐渐开裂。并基本与由拉伸应力引起的锻造表面相平行。 该拉伸应力是在母材厚度方向上的。母材是由于散布状,平面状,非金属夹渣平行于 金属表面的存在而被削弱。 分层 - 一般平行于金属工作表面的一种不连续,分离或削弱了金属。 新生氢 - 见原子氢 焊瘤 - 在熔焊中,在焊趾或焊缝根部外凸起的焊接金属。 缩孔 - 在金属块浇注时,在铸块上部的中心位置出现严重的收缩,通常包含氧化物。 平面的 - 从属于一平面;处于平面。 气孔 - 是一种凹穴形不连续,在凝固或热喷涂时,由于气体残留下来而形成的。 扩展 - 增长,或继续地增长,变的更大。 凸出物 - 向外凸出,突出物 射线影像 - 由 X 或γ射线通过物体来检测其内部结构质量时形成的底片。 止裂孔 - 在裂纹的两端钻一小孔以增加该裂纹端部的半径来阻止其进一步地扩展的方法。 划伤或结疤 - 在锻制产品表面上纵向的不连续。 保护气体- 用于防止或减少熔化焊缝金属受大气污染的保护气体 夹渣 - 渣的夹杂物 飞溅 - 在熔焊中喷出的没有形成焊缝部分的金属粒 应力集中 - 如坑,裂纹或其它的几何形状使应力放大 2 到 10 倍 条状物 - 在冶炼金属中被拉长的氧化物或非金属渣。 二氧化钛 - 钛的氧化物;在焊接中焊条外层的一种药皮形式。 穿晶 - 是经过或穿过金属晶粒的一种状态。穿晶裂纹就是穿过晶粒的裂纹,穿晶裂纹在晶界之间 形成了路径。 横向 - 平放,位于,横放;从一边至另一边的途径 夹钨 - 钨的夹杂物 咬边 - 是靠近焊缝的母材上的表面缺陷。这是由于在焊接过程中母材熔化后,没有足够的填充材 料适当的填入所引起的沉陷而造成的坡口。 焊缝加强高 - 过多的焊接金属填入一接头;在面或根部。

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锻造 - 用于将固体金属加工成各种形状的术语,与铸造不同,铸件是在熔化状态下直接形成各种 形状。

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