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焊接缺陷的产生及防止


第三单元
焊接缺陷的产生及防止

【学习目标】 通过本单元的学习,使学生明确焊 接缺陷的种类、特征及危害;掌握常见焊接缺陷——气 孔、结晶裂纹和冷裂纹的产生原因、影响因素及防止措 施;对其他焊接缺陷的产生原因及防止措施有一定的了 解。

焊接缺陷的种类及特征
焊接缺陷的类型
1.焊接缺欠与焊接缺陷 在焊接接头中存在的不连续性、不均匀性以及其他 不健全的缺损,称为焊接缺欠。在焊接缺欠中,根据产 品设计或工艺文件的要求,凡是不符合焊接产品使用性 能要求的焊接缺欠称为焊接缺陷,即焊接过程中所形成 的焊缝不足、不完善的地方也可以说是焊缝本身的缺损

或损伤。焊接缺陷是焊接缺欠中不可接受的、不合格的
缺欠,必须经过返修合格后才能使用,否则此焊接产品 就是废品。

焊接缺欠是绝对的,是焊接接头中客观存在的某种间断或不完整, 而焊接缺陷是相对的。同一类型、同一尺寸的焊接缺欠,出现在制造要 求高的产品中,可能被认为是焊接缺陷,必须返修,但出现在制造要求 低的产品中,可能认为是可接受的、合格的焊接缺欠,不需要返修。因 此,判别焊接缺欠是否是焊接缺陷要根据产品相应的法规、标准和制造 技术要求进行评定。在这些法规、标准和制造技术条件中,依据焊接产 品使用性能,从焊接质量、可靠性和经济性之间的平衡综合考虑,规定 什么焊接缺欠相对制造技术条件的产品是可能接受的,什么焊接缺欠是 对产品运行构成危险的、不可接受的焊接缺欠是对产品运行构成危险的、 不可接受的焊接缺陷。

例如:0.4mm深度的咬边,如果出现在“不允许有任 何咬边存在”的高压容器焊接接头中,可判断为焊接 缺陷;如果出现在技术条件规定“咬边深度不得超过 0.5mm”的普通容器焊接接头中,则被认为是可以接

受的焊接缺欠,而不是焊接缺陷。

2.焊接缺陷的分类 1)按照焊接缺陷的性质,金属熔焊接头常见的焊 接缺陷共分为裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合与未焊 透、形状缺陷和其他缺陷等。 2)按焊接缺陷的可见性分为表面缺陷和内部缺陷。 焊接缺陷位于焊缝外表面的称为表面缺陷;位于焊缝

内部的称为内部缺陷,见表3-1。

常见焊接缺陷的特征及危害

焊接缺陷的存在,不仅会降低焊接接头的使用性能, 影响结构的安全使用,严重时还将导致脆性破坏,引起 重大事故。有害程度较大的焊接缺陷有五种,按有害程 度递减的顺序排列为:裂纹、未熔合和未焊透、咬边、

夹渣、气孔。常见焊接缺陷的特征及危害见表3-3。

合知识模块二

焊缝中的气孔与夹杂物

气孔的分类与特征
焊接时,熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下 来所形成的空穴,称为气孔。 焊缝中的气孔是常见的焊接冶金缺陷之一。气孔的 危害性比裂纹小,但气孔的尺寸和数量超过一定范围时, 就是不允许存在的焊接缺陷。根据气孔的性质、数量、 形状、位置等,可分为以下几种: 1.根据产生气孔的气体种类分类。 气孔分为氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔和水蒸气气 孔等。

(1)均布气孔

大量气孔比较均匀地分布在整个焊缝金属中(图3-

1a)。均布气孔的产生是由于不合适的焊接操作技术或不恰当的气体 保护、焊件表面污染或材料缺陷所致。

(2)密集气孔 形状不规则的成群气孔呈区域化分布(图3-1b)。
它是由于不正确的引弧或收弧引起的。电弧偏吹也可促使产生密集气 体。 (3)链状气孔 平行于焊缝轴线的成串气孔(图3-1c)。它主要是

在污染的缺欠处由于气体的逸出引起的。这种气孔可沿焊缝根部或焊 道边界之间呈直线分布。 (4)条状气孔 长度大于宽度且长度方向与焊缝轴线近似平行的

非球形的长气孔(图3-1d)。

3.根据气孔的形成位置分类 根据气孔的形成位置可分为内部气孔(存在于焊缝内部 的气孔)和表面气孔(暴露在焊缝表面的气孔)。对一条焊缝 而言,按生成气孔的位置,又可分为引弧处气孔,焊道中

气孔和弧坑气孔等。

气孔产生的原因及影响因素
1.气孔的产生过程及原因
(1)形成气孔的气体来源 焊缝中形成气孔的气体来源于两个方面: 一种

是来自外部的溶解度有限的气体(如氢、氮);另一种是熔池中的冶金反应产物 (如一氧化碳、水蒸气等)。在高温金属熔池的冷却过程中,熔池中的气体,由 于溶解度降低而处于饱和状态,就会急剧向外逸出,来不及逸出的气体,被凝 固的焊缝金属包围,就形成气孔。所以在焊接过程中促使焊缝形成气孔的气体

有氢气、氮气和一氧化碳气体。氢气孔、氮气孔大多出现在焊缝表面;一氧化
碳气孔多产生于焊缝内部并沿结晶方向分布。 (2)焊缝中气孔的形成过程 气孔的形成,一般经历了四个过程:气体的吸

收过程;气体的析出过程;气泡的长大过程;气泡的上浮过程,最后形成气孔, 如图3-2所示。

1)气体的吸收:在焊接过程中,熔池的周围存在着各种成分复杂的气体,这些
气体的分子在电弧高温作用下,很快被分解成原子状态,并被金属熔滴所吸附,不断地 向液体熔池内部扩散和溶解。温度越高,金属中溶解气体的量越多。 2)气体的析出:气体的析出是指气体从液体金属内析出并形成气泡。随着在焊接过 程中熔池金属温度的降低,气体在液体金属中的溶解度也相应减小,因而一部分气体要 析出,此时析出的气体极易被吸附在熔池底部成长的柱状晶粒的表面上,产生了气泡的 核心。

3)气泡的长大:由于熔池温度的不断降低,析出气体不断被凝固的晶粒所吸附,气
泡内部压力大于阻碍气泡长大的外界压力,便使气泡不断长大。 4)气泡的上浮:在气泡核形成之后,又经过一个短暂的长大过程,当气泡长大到一 定的尺寸时,开始脱离结晶表面的吸附而上浮。当气泡的上浮速度小于金属熔池的结晶 速度,那么气泡就可能残留在凝固的焊缝金属中,成为气孔。

(3)氢气孔和氮气孔产生的主要原因及其特征

在焊接低碳钢和

低合金钢时,大多数情况下,氢气孔出现在焊缝的表面上,断面为螺

钉状,在焊缝的表面上看呈喇叭口形,气孔的内壁光滑,这是由于氢
气是在液态金属和枝晶界面上凝聚析出,随枝晶生长而逐渐形成气孔 的。在个别情况下,氢气孔也会出现在焊缝的内部,是小圆球状,如 焊条药皮中含有较多的结晶水,使焊缝中的含氢量过高,或在焊接有 色金属时,由于液态金属中氢溶解度随温度下降而急剧降低,析出气 体,在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部。 氮气孔的形成机理与氢气孔相似,氮气孔也多出现在焊缝表面,

但多数情况下是成堆处现的,呈蜂窝状。氮主要来自焊接区周围的空
气,但一般产生氮气孔的机会较少,只有在熔池保护不好,有较多的 空气侵入焊接区的情况下才会产生。

(4)一氧化碳气孔产生的原因及其特征

在焊接碳钢时易产生CO

气孔。CO气孔在多数情况下存在于焊缝内部,且沿结晶方向分布,呈
条虫状,表面光滑,内壁有氧化颜色。 CO气孔的产生原因是焊接时钢中的碳由于冶金反应而产生大量的C O气体,即

这些反应可以发生在熔滴过渡过程中,也可以发 生在熔池中。由于CO不溶于金属,所以在高温时生成 的CO就会以气泡的形式从液态金属中高速逸出,形成 飞溅,而不会形成气孔。但是,当热源离开后,熔池 开始凝固时,熔池金属的粘度不断增大,所有反应的C O不易逸出,且该反应为吸热反应,会促使结晶速度加 快,使CO形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。由 于CO形成的气泡是在结晶界面上产生的,所以CO气孔 常呈条虫状。

2.影响焊缝形成气孔的因素 能增加焊接区气体来源的各种因素,如铁锈、水分、 油污等杂质,都会增加焊缝形成气孔的倾向。此外,母 材的成分、熔渣的组成与性能、焊接的工艺条件等对气 孔的形成也具有重要的影响。

(1)焊接熔渣氧化性的影响

熔渣氧化性的强弱对焊缝的气孔敏感

性具有很大的影响。当焊接熔渣中含有氟化物时(如萤石),能起良好
的去氢作用。因为氟与氢化合生成稳定的HF,而HF不溶于液态金属, 从而减少氢气孔的产生。另外,当熔渣中含有一定量的氧化性物质时, 如MnO、FeO、MgO、SiO2等,也能起到清除氢气孔的作用。因为这些氧 化物中的氧在高温时能与氢化合,生成稳定的、不溶于液体金属的OH, 从而减少焊缝金属的含氢量,但氧化性过强时,则有可能产生CO气孔。 总之,无论是酸性熔渣还是碱性熔渣,当熔渣的氧化性增加时, 氢气孔的倾向减小,而CO气孔的倾向增加。相反,当熔渣的氧化性减 小,还原性增加时,则氢气孔的倾向增加,而CO气孔的倾向减小。

(2)铁锈、水分及其他杂质影响

焊件或焊接材料中的水分、氧

化铁皮、铁锈、油污等杂质也是焊缝出现气孔的重要因素,其中尤其
铁锈的影响最大。 铁锈是钢铁腐蚀后的产物,是氧化铁的水化物(通式为mFe2O3·nH
2O),也包含(Fe3O4·H2O)的水化物,即铁锈含有较多铁的高级氧化物F

e2O3和结晶水,在电弧焊接的条件下,这些以结晶水形式存在的水分, 便产生大量的水蒸气,从而使铁氧化产生H2.

当液态金属具有足够高的温度时,这些氢便以原子或正离子的形

式溶入,扩散至熔池金属中,这就是焊接有铁锈金属时产生氢气孔的
主要原因。铁锈的存在一方面增加了熔池的氧化作用,在结晶时促使 生成CO气孔,另一方面也增加了生成氢气孔的可能性,所以,铁锈是 一种极其有害的杂质。 钢板上氧化铁皮的主要成分是Fe3O4和少量的Fe2O3,虽然没有结 晶水,但对产生CO气孔仍有较大的影响,因此,在焊接生产中要尽量 清除焊件上的铁锈、氧化铁皮等杂质。

焊剂和焊条药皮受潮或烘干不足、空气中或母材金属表面的水分,
受电弧高温的影响,生成氢进入焊接熔池中,同样易增加产生气孔的 倾向。

(3)焊接参数的影响 焊接参数,如焊接电流、焊 接速度、电弧电压等,主要是影响焊接熔池的存在时 间,如果熔池存在的时间越短,气体逸出越困难,形 成气孔的倾向也越大。 增大焊接电流可增加熔池存在的时间,有利于气 体的逸出,但熔滴变细,增加了熔池对气体的吸收量, 同时熔深也增加,反而不利于气体的逸出,增大了生 成气孔的倾向。使用不锈钢焊条时,焊接电流增大, 焊芯的电阻热增大,会使焊条末端药皮发红,药皮中 的某些组成物(如碳酸盐)提前分解,影响了造气保护 效果,因而也增加了气孔的倾向。

电弧电压升高,弧长增加,空气中的氮气易侵入熔池 形成氮气孔,其中焊条电弧焊和自保护药芯焊丝电弧焊 最为敏感。

当电弧的功率不变(即焊接电流和电弧电压的乘积
不变)时,焊接速度增大,熔池存在的时间变短,加快 了结晶速度,从而增大了产生气孔的倾向。

(4)电流种类和极性的影响

生产经验证明,电流的种类和极性

不仅影响电弧的稳定性,还对氢气孔的产生有较大的影响。使用交流 电源焊接时,使用未烘干的焊条,焊缝易产生气孔。用直流正接法时,

生成气孔的倾向较小,而用直流反接法时,生成气孔的倾向最小。这
是因为氢气实际上是以正离子形式溶入熔池,当熔池处于阴极时(反 接),弧柱空间的氢正离子在熔池表面遇到电子,与之复合为氢原子, 从而阻碍了氢的溶解。在使用交流电源时,氢离子在电流改变方向通 过零点的瞬间,顺利进入熔池,因此产生气孔的倾向最大。

(5)工艺操作方面的影响 在生产中由于工艺操作不当 也易产生气孔。例如: 1)焊前未严格按规定要求烘干焊条、焊剂或烘干后 放置时间过长。 2)焊前未对焊件、焊丝上的铁锈、水分、油质等污 物按要求进行清除。 3)焊接时的规范不稳定,特别是使用碱性焊条时未 采用短弧焊接等。

防止气孔产生的措施

防止气孔产生的根本措施是限制气体的来源和排除

熔池中存在的气体。
1.消除产生气孔的气体来源 1)对焊件及焊丝(焊芯)表面上的油污、铁锈、氧化 膜等进行仔细清除,特别是焊缝两侧20~30mm范围内进 行除锈、去污。 2)焊接材料的防潮和烘干。各种焊接材料应防潮包 装与存放。按规定烘干焊条或焊剂,控制烘干的焊条或

焊剂在大气中的暴露时间,防止吸潮。

2.加强对熔池的保护 1)不使用偏心焊条和药皮脱落的焊条,焊剂或保护气 体送给不能中断。 2)掌握正确的引弧方法,电弧不得随意拉长,采用短

弧焊接,并要配以适当的动作,以利于气体的逸出。
3)装配间隙要符合要求,不要太大,防止空气从根部 熔池侵入。 3.正确选择焊接材料和保护气体 通过控制焊接材料的氧化性和还原性,降低气孔的敏 感性。

4.控制焊接工艺条件

控制焊接工艺条件的目的是创造熔池中气体逸出的
有利条件,同时限制焊接电弧外围的气体熔入熔池。 1)正确选择焊接参数,运条速度不能太快。 2)对导热快、散热面积大的焊件,若周围环境温度 较低,应进行预热,以降低冷却速度。

焊缝中的夹杂物
焊缝中的夹杂物是焊接冶金反应产生的,是焊后残留在焊缝金 属中的微观非金属杂质(如氧化物、硫化物等)。焊缝中的夹杂物是 固体夹杂的一种,但它有别于夹渣和金属夹杂。夹渣是指焊后残留

在焊缝中的焊渣,是由于焊接参数选择不当或操作技术的原因所引
起的;金属夹杂是残留在焊缝金属中的来自外部的金属颗粒(如夹 钨);而夹杂物是由于焊接化学冶金反应产生的。

1.夹杂物的危害 夹杂物的存在不仅降低焊缝金属的塑性,增大低温 脆性,降低韧性和疲劳强度,在外力作用下,夹杂物周 围会产生应力集中, 使夹杂物通常成为裂纹源而增加产 生热裂纹的

2.夹杂物产生的原因 氧化物夹杂产生的原因主要是熔池脱氧不完全,其 中的FeO与其他元素作用而生成,一般多以复合硅酸盐 形式存在。这类夹杂物基本上都属于低熔点的物质,在 焊缝结晶时最后凝固,少量液体夹杂物存在于固体晶粒 之间。这些夹杂物是由于焊工操作不当而混入焊缝中的, 导致焊缝的韧性降低。

氮化物的产生原因主要是在保护不良的情况下,焊接碳钢和低合 金钢时,液态金属与空气中的氮反应后,主要以氮化物Fe4N夹杂的形 式存在,残留在焊缝金属中。氮化物在时效过程中以针状夹杂形式存 在于焊缝金属中,对焊缝的力学性能有较大的影响,使抗拉强度提高, 塑性和韧性下降,焊缝变脆。但在良好保护条件下焊接时,生成氮化 物的几率是很小的。 当母材、焊丝、药皮等材料的含硫量较高时,就会在焊缝中形成 硫化物夹杂。硫在焊缝中主要以FeS和MnS两种硫化物的形态存在。其 中以FeS对焊缝的危害最大,因为FeS沿晶界析出与Fe或FeO形成低熔点

共晶,增加了生成热裂纹的倾向。

3.防止和减少焊缝中形成夹杂物的措施 在焊缝中分布细小、均匀的夹杂物,对焊缝的塑性 和韧性不会有明显的影响,反而还可改善焊缝金属的韧 性与塑性,但对于粗大的夹杂物则必须采取措施防止或

消除。
防止和减少焊缝中形成夹杂物的主要措施从以下两 个方面着手: (1)控制夹杂物的来源 正确选择焊条、药芯焊丝、 焊剂的渣系,以便在焊接过程中能充分脱氧、脱硫。另 外还要严格控制原材料中的杂质含量,以杜绝夹杂物的 来源。

(2)采取相应的工艺措施

选用较大的热输入,使熔

池有足够的存在时间;焊条电弧焊时,焊条要作适当的
摆动,使熔池搅动,以促使夹杂物的浮出;多层焊时, 层间的清渣要彻底,防止残留的焊渣在焊接下一层时, 进入熔池而形成夹杂物;采用短弧焊接,以保护焊接熔 池免受空气中氮的侵入。

结晶裂纹的特征

焊接裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用 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。它具有缺口尖锐和长宽比 大的特征。裂纹是焊接结构中危险性较大的缺陷之一, 由于裂纹在承载时可能会不断地延伸和扩大,这样,轻 者会使产品报废,重者会引起严重的灾害事故。

焊接裂纹按产生的本质来分,可分为五大类:热裂
纹、再热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂,其 中,热裂纹和冷裂纹最为常见。

结晶裂纹是最常见的热裂纹。结晶裂纹主要产生在 含杂质(含S、P、C、Si偏高)较多的碳钢、低中合金钢、 奥氏体钢、镍基合金和某些铝合金焊缝中。结晶裂纹大 多数产生在焊缝中部,呈纵向分布在焊缝中心,也有些 呈弧形分布在焊缝中心线的两侧,与焊波呈垂直分布。

结晶裂纹产生的原因主要是两个方面:一是冶金因素;二是力的因 素。因为焊缝结晶时,先结晶的金属比较纯,后结晶的金属含杂质及合

金成分较多,随着柱状晶的不断长大,杂质及合金元素不断被排挤到焊
缝中心或平行生长的柱状晶交界处。这种成分偏析的结果使这些地方富 集了较多的杂质或合金,与基体金属形成低熔点共晶。当焊缝中的含硫 量偏高时,能形成FeS,与铁形成低熔点共晶(FeS-Fe的熔点988℃)。在 结晶后期,当相对较纯的焊缝金属已凝固为晶粒时,这些残存在晶界的 低熔点共晶尚未凝固,并且呈液态薄膜状覆盖在晶粒边界上,割断了晶 粒之间的联系。由于先凝固的焊缝金属收缩,使后冷却的焊缝中心区域

受到了一定的拉伸内应力,这时在焊缝中的液态薄膜就会被拉开形成结
晶裂纹。当金属承受的拉伸变形超过它自身所具有的塑性时,就会在结 晶过程中出现裂纹,这就是结晶裂纹。所以,液态薄膜是产生结晶裂纹 的根本原因,而拉应力是产生结晶裂纹的必要条件。

能力知识点3
1.冶金因素

影响结晶裂纹产生的因素

(1)合金元素和杂质的影响
生的最重要的因素。

各种元素尤其是形成低熔点薄膜的杂质是影响结晶裂纹产

1)硫和磷是钢中最有害的元素,在钢中能形成多种低熔点共晶,因此,在结晶过程中 很容易形成液态共晶薄膜,使脆性温度区间的塑性大大降低,硫和磷又极易偏析,从而增 加了脆性温度区间范围。 2)碳是钢中必不可少的元素,也是影响结晶裂纹的主要元素,并且还能加剧其他元素 的有害作用(如硫、磷等),所以,对含碳量较高的钢,要严格控制其硫、磷的含量。

3)锰是防止结晶裂纹的有益元素,它具有脱硫的作用,能置换FeS为MnS,同时也能改
善硫化物的分布形态,使薄膜状FeS改变为球状分布,从而提高了焊缝的抗裂性。 (2)凝固结晶组织形态的影响 焊缝一次结晶组织的晶粒度越粗大,柱状晶的方向越明

显,越容易促使杂质偏析,在固液阶段形成连续的液态共晶薄膜,产生结晶裂纹的倾向增 大。

2.工艺因素 工艺因素主要影响有害杂质偏析的情况及应变增长率的大小。 1)焊接热输入过大,使近缝区的晶粒长大后,引起焊缝晶粒过大。 2)熔合比增大,含杂质和碳较多的母材将向焊缝转移较多杂质和碳元素,增大

裂纹倾向。
3)焊缝成形系数(ψ )对结晶裂纹的影响如图3-4所示。图3-4a中,ψ 值过小,杂质聚 集在焊缝中心柱状晶对生面间,与焊缝收缩拉应力垂直,结晶裂纹倾向大。图3-4b 中,ψ 值适中,杂质偏析于焊缝上部,与焊缝收缩拉应力成一定角度,结晶裂纹倾 向小。图3-4c中,ψ 值过大,低熔点共晶虽然在焊缝表面,但晶粒的取向垂直于应 力的方向,结晶裂纹倾向大。 4)焊接速度对结晶裂纹的产生也有较大的影响。增大焊接速度,不仅会增大冷

却速度,提高应变增长率,而且还使熔池呈泪滴形,柱状晶近乎垂直地向焊缝轴线
方向生长,在会合面处形成偏析薄面,从而增大成结晶裂纹的倾向。

防止结晶裂纹的措施
防止结晶裂纹的措施主要从控制焊缝金属成分和调整焊接工艺两方面 着手。 1.控制焊缝金属成分

1)控制母材和焊接材料的化学成分,严把材料关。严格限制焊缝中
的碳、硫、磷含量,是防止产生结晶裂纹的根本措施。同时适当提高锰 含量,也可抵消部分碳、硫、磷等杂质的不利影响。各类焊接结构用钢 的硫、磷的质量分数应小于0.05%,碳的质量分数应小于0.20%。不同钢 材的碳、硫、磷含量按技术标准严格控制。优质焊条中硫的质量分数一 般应不大于0.035%,磷的质量分数不大于0.04%。因低氢型焊条及碱性焊 剂具有较强的脱硫、脱磷能力,所以焊接结晶裂纹倾向大的钢时,应尽

量选用碱性焊条和焊剂。

2)加变质剂。在焊缝或母材中加入一些细化晶粒的元 素,如钛、铝、锆、硼或稀土金属铈和镧等变质剂,能起 到细化晶粒,增加晶界面积的作用,同时又打乱了柱状晶 的结晶方向,减少了杂质的偏析,破坏了液态薄膜的连续 性,增加了抗裂性。最常用的变质剂是钛。 3)形成双相组织。在焊接18-8不锈钢时,通过调整母 材和焊接材料成分,使焊缝中存在约5%的δ 相,形成γ + δ 双相组织,也可细化晶粒和打乱柱状晶的生长方向,使 焊缝组织变细,从面提高了焊缝的抗裂性。

2.调整焊接工艺 1)减少热输入(如采用小的焊接电流),避免焊缝中产生粗大的柱 状组织,得到晶粒细小的组织,打乱柱状晶的结晶方向。防止杂质聚 集在焊缝中心柱状晶对生处,在垂直应力作用下,形成结晶裂纹。

2)调整合理的焊接参数来控制焊缝成形系数。焊缝成形系数随电
流的增大而减小,随电压的增大而增大。提高焊缝成形系数可以降低 结晶裂纹倾向。但ψ 值过大,由于焊缝太浅,抗裂能力反而下降。ψ 值过小,焊缝窄而深,同样会增大结晶裂纹的倾向。所以尽量使焊缝 成形适中,如图3-4b所示,即选择合理的焊接参数,如小电流、低焊 速、避免熔池过大,或采用多层多道焊等,来防止结晶裂纹的产生。

3)选择合理的焊接顺序。焊接顺序直接影响焊缝金属在冷却中能

否自由收缩,如果焊接顺序选择不当,也会具有较大的裂纹倾向。选
择合理焊接顺序的原则是:尽量使大多数焊缝能在较小刚性的条件下 焊接,使各条焊缝都有收缩的可能,以减小焊接应力。 4)调整冷却速度。接头的冷却速度越大,变形速度也越大,产生 结晶裂纹的倾向越大,因此,含碳量较高和厚壁结构的焊接,需要采 取适当的预热措施来减小焊缝的变形率,从而降低结晶裂纹的倾向。 但不能用增大热输入的办法来降低冷却速度,因为热输入增大时,促

使晶粒粗大,增加偏析倾向,产生结晶裂纹的倾向加大。
5)采用碱性焊条和焊剂。因为碱性焊条和焊剂的熔渣脱硫、脱氧 能力强,杂质少,形成低熔点化合物的可能性小,所以有较高的抗裂 能力。

综合知识模块四

焊接冷裂纹

能力知识点1 焊接冷裂纹的类型 冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说,在2 00~300℃以下)时产生的焊接裂纹。
1.冷裂纹的特征
(1)产生的温度和时间 冷裂纹是在焊后较低温度下产 生的。温度区间都在材料的马氏体转变点MS以下。冷裂纹 不是在焊接过程中产生的,它可能在焊后立即出现,也有 可能是在焊后延续一定时间后才产生,如果钢的焊接接头 冷却到室温后,并在一定时间(几小时、几天、甚至十几天) 才出现的焊接冷裂纹就称为延迟裂纹,它是冷裂纹中比较

普遍的一种形态,也是最危险的焊接缺陷。

(2)产生的部位和方向

冷裂纹主要发生在低合金钢、

中合金钢和高碳钢的热影响区,焊接超高强钢或某些钛合 金时冷裂纹也出现在焊缝上。从焊缝的表面看,热影响区 的冷裂纹主要沿熔合线呈纵向分布,焊缝上的冷裂纹则呈

横向分布。
(3)断口特征 冷裂纹产生的温度较低,断口没有氧化色 彩而呈闪亮的金属光泽。冷裂纹的断口沿晶界开裂或是穿 晶扩展,呈冰糖状或岩石状,棱角分明。

2.冷裂纹的类型 根据冷裂纹产生的部位,可分为以下几种类型,如 图3-5所示。 (1)焊趾裂纹 沿应力集中的焊趾处所形成的焊接冷 裂纹称为焊趾裂纹。裂纹起源于焊趾部位的应力集中处, 从表面出发,往厚度的纵深方向扩展,止于焊接接头近 缝区粗晶部分的边缘。裂纹的走向与焊道平行。

(2)焊根裂纹

沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接

冷裂纹称为焊根裂纹。裂纹起源于坡口根部间隙处,视应 力集中源的位置及母材和焊缝金属的强度水平的不同,裂 纹可以起源于母材的近缝区金属,在近缝区基本上平行于 熔合线扩展,或进入焊缝金属中;也可以起源于焊缝金属 的根部,在焊缝金属中扩展。

(3)焊道下裂纹

在靠近堆焊焊道的热影响区内所形

成的焊接冷裂纹称为焊道下裂纹。这种裂纹经常发生在淬 硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。裂纹的走向基 本上与焊缝平行,且不显露在表面。

(4)焊缝横向裂纹 横向裂纹常起源于淬硬倾向较 大的合金钢焊缝边界,延伸至焊缝和热影响区,裂纹 走向均垂直于焊缝边界,尺寸不大,但常显现于表面。 在多层焊时,裂纹发生在距焊缝表面有一小段距离的 焊缝内部。

焊接冷裂纹产生的原因
产生焊接冷裂纹的主要原因是:钢的淬硬倾向、焊

缝中扩散氢的作用和焊接接头金属所承受的拉应力造成
的金属塑性下降三个因素交互作用的结果。 1.钢的淬硬倾向 钢的淬硬倾向主要取决于钢的化学成分、结构的板 厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时,钢的淬硬倾向越 大,越易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大的钢,在焊接 条件下,近缝区的加热温度很高(达1350~1400℃),使

奥氏体晶粒严重长大,快冷时,转变为粗大马氏体,而
马氏体是一种脆硬的组织,由于变形能力低,易发生脆 性断裂而形成裂纹。

2.扩散氢的作用 氢是引起高强钢焊接时产生冷裂纹的重要因素之 一,且具有延迟的特征。焊缝和热影响区的含氢量较 高时,焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散,当 焊缝的冷却速度快,这些氢不能逸出时,就聚集在离 熔合线不远的热影响区中。当热影响区存在显微缺陷 时,氢便会在这些缺陷处聚集,并由原子状态转变为 分子状态,造成很大的局部应力,再加上焊接应力和 组织应力的共同作用,促使显微缺陷扩大,从而形成 裂纹。氢的扩撒、聚集、产生应力和裂纹需要一定的

时间,所以裂纹具有延迟的特征。

3.焊接接头的拉应力 在焊接过程中主要存在以下三种应力: 1)焊接时焊缝和热影响区的不均匀加热和冷却而产 生的温度应力。这种应力的大小与母材和填充金属的热 物理性质及结构刚度有关。在应力的作用下,会引起氢 的聚集、诱发氢致裂纹。 2)焊缝和热影响区金属在相变时,体积变化而引起 的组织应力。 3)焊件在焊接过程中,由于结构的刚度和自重、焊 接顺序和焊缝位置等引起的

防止焊接冷裂纹的措施
防止产生冷裂纹的主要措施,就是在焊接时尽量减少三大因素的不利影

响。
(1)焊前预热和焊后缓冷 焊前预热可对焊件整体加热,也可以对

焊缝附近区域局部加热,或边焊接边不断补充加热。焊后缓冷可采用包 扎绝热材料(石棉布、玻璃纤维等)的方法。通过预热和缓冷措施,能加 速氢的扩散逸出,减少扩散氢含量,改善焊接接头的组织,降低热影响 区的硬度和脆性,提高塑性,还能起到减小焊接应力的作用。 小知识 去氢处理是指焊件焊后立即在200~350℃的温度下保温2~6h,

然后缓冷的措施。去氢处理的目的是使焊缝金属中的扩散氢加速逸出。
(2)减少氢的来源 焊前严格按要求将焊条、焊剂烘干,并且随用

随取。仔细清理坡口周围的油污、水分和铁锈等。



边 由于焊接参数选择不当或操作方法不正确,沿焊趾的

母材部位产生的沟槽或凹陷称为咬边,如图3-6所示。 咬边一般位于焊缝和母材连接处、角焊缝的焊趾处或 坡口焊缝的熔合线处,也可出现在单面焊接的坡口焊缝根 部。平焊时一般较少出现咬边,咬边容易出现在立位置、

横位置、仰位置焊接时。

2.咬边的一般特征 有些咬边呈弧形缺口,而有些咬边呈尖锐缺口。咬边 产生的缺口越深越尖锐,则缺陷越严重。仔细检查,所有 的焊缝都有不同程度的咬边。只有当咬边的深度超过了允

许的数值时,才被视为不可接受的焊接缺陷。
3.咬边产生原因 1)焊接参数的选择不当,如焊接电流过大,电弧过长。 2)焊接操作不恰当,如焊条的角度和摆动不正确。 3)焊条端部药皮的电弧偏吹以及焊件的位置安放不当 等。

4.防止产生咬边的方法 正确选择焊接电流及焊接速度,适当掌握电弧的 长度,正确应用运条方法和焊条角度,在平、立、仰 焊位置焊接时,焊条沿焊缝中心线保持均匀对称的摆 动。横焊时,焊条角度应保证熔滴平稳地向熔池过渡 而无下淌现象。

能力知识点2
瘤就是焊瘤,如图3-7所示。





焊接过程中,熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属

焊瘤是由于焊缝金属铺展或流溢而超出未熔化的焊趾或焊缝,从而在未 熔化的母材上形成的金属瘤。 2.焊瘤产生的原因 焊缝间隙太大,操作不当,焊条位置和运条方法不正确,焊接电流过大 或焊接速度太低、电弧过长或焊条熔化太快都可能产生焊瘤。

3.防止产生焊瘤的方法
正确选择焊接参数,装配间隙不能过大。提高操作者的技术水平,灵活 调整焊条角度和运用正确的运条方法。严格控制立、仰焊时的熔池温度,不 使其过高。

能力知识点3

凹坑与弧坑

焊后在焊缝表面或焊缝背面形成的低于母材

表面的局部低洼部分称为凹坑,如图3-8a所示。弧坑是凹坑的一种,是在焊缝收
弧处产生的凹陷现象,如图3-8b所示。 凹坑减小了焊缝的有效截面,降低焊缝的承载能力。而弧坑,由于杂质的集 中,还会导致弧坑裂纹的产生。 2.凹坑与弧坑产生的原因 操作技术不熟练,不能很好地控制熔池形状;焊接电流过大,电弧拉得过长, 焊条又未做适当的摆动,或过早进行表面焊缝的焊接,收尾熄弧时,未填满弧坑

等均会产生凹坑或弧坑。
3.防止凹坑与弧坑产生的方法 采用短弧焊接,熟练掌握操作技能,焊后填满弧坑。对于重要的焊接结构要 设置引出板,在收弧时将电弧过渡到引出板上,避免在焊件上出现弧坑。

能力知识点4

未焊透与未熔合

1.未焊透

未焊透是焊接时接头根部未完全熔透的现象,如图3-9所示。对于 对接焊缝也指焊缝深度未达到设计要求的现象。

(1)未焊透产生的原因

焊接坡口钝边过大,坡口角度太小,间

隙太小,操作时,无法将焊条伸入根部;焊接电流太小,速度过快; 运条角度不当或电弧发生偏吹;氧化物和熔渣等阻碍了金属间充分的 熔合等。凡是造成焊条金属和基体金属不能充分熔合的因素都会引起 未焊透。 (2)防止产生未焊透的方法 正确选择坡口形式和装配间隙;选用

适当的焊接电流和焊接速度;正确掌握焊条角度和运条方法,认真操

作,防止焊偏。

2.未熔合

未熔合是指熔焊时,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,如图3-10所示。 (1)未熔合产生的原因 焊条偏心或运条方法不当,电 弧发生偏吹;焊接电流太小;焊接速度太高;坡口侧壁有 锈垢和污物;焊层间清渣不彻底等。 (2)防止未熔合产生的方法 正确选择焊接电流、焊接 速度;加强坡口清理和层间清渣;焊条偏心时应调整角度,

使电弧处于正确方向。焊接时注意运条角度和边缘停留时
间,使坡口边缘充分熔化以保证熔合。

能力知识点5

下塌与烧穿图3-11

下塌

1.下塌
下塌是在单面熔化焊时,由于焊接工艺不当,造成焊 缝金属大量透过背面,而使焊缝正面塌陷,背面凸起的现 象,如图3-11所示。下塌产生的原因主要是装配间隙或焊 接电流过大。 图3-12 烧穿 2.烧穿 烧穿是在焊接过程中,熔化金属自坡口背面流出,形

成穿孔的缺陷,如图3-12所示。
(1)烧穿的危害 烧穿缺陷不仅影响焊缝外观,还使该 处的焊缝强度减弱,甚至还会使焊接接头失去承载能力, 所以烧穿是一种不允许存在的焊接缺陷。

(2)产生烧穿的原因

焊件的装配间隙太大或钝边太

薄;焊接电流过大,焊接速度太低以及电弧在焊缝某处停 留的时间太长使焊件加热过度。 (3)防止产生烧穿的方法 严格控制焊件的装配间隙, 选用适当的焊接参数,减少熔池在某一处停留的时间





1.夹渣产生的原因

焊接速度过快,使熔渣来不及上浮到熔池表面。焊
接电流太小,使熔渣和铁液分不清;多层焊时,层间清 渣不干净;焊缝成形系数过小;焊接材料质量不好,熔 渣太稠;焊接时焊条角度不正确等。 2.防止夹渣产生的方法 正确选择焊接参数;做好焊前及焊层间的清理工作; 根据熔化情况,随时调整焊条角度和运条方法;正确选

择焊接材料,调整焊条药皮和焊剂的化学成分,降低熔
渣的熔点和粘度。

焊缝尺寸与形状不符合要求
焊缝尺寸与形状不符合要求主要表现为焊缝表面形状高低不平、

宽窄不一、尺寸过大或过小、角焊缝单边尺寸以及焊脚尺寸不符合要
求等现象,如图3-14所示。 1.产生原因 焊接电流过大或过小;焊件坡口角度不对,装配间隙不均匀;焊 条质量差或焊接过程中电弧产生偏吹;焊条角度不对或焊接速度选择 不当和运条手法不正确等。 2.防止方法

正确选择焊接参数,特别是焊接电流的选择,采用适当的焊条角
度和运条手法,从而保证焊缝成形的均匀一致;选择适当的坡口角度 和装配间隙。

第四单元

金属的焊接性及其评定

【学习目标】 通过本单元的学习,了解金属焊 接性的概念,影响焊接性的因素,焊接性的分析方法, 焊接性的试验内容、方法分类及选择原则和常用的一 些焊接性试验方法及应用。

综合知识模块一
金属焊接性的概念

金属的焊接性

金属材料的焊接性是焊接金属材料的一项非常重要 的性能指标,用来评定在一定的焊接工艺条件下,获得 优质焊接接头的难易程度。 金属的焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成 按规定设计要求的构件,并满足预定服役要求的能力(即 是指金属材料对焊接加工的适应性)。它包括两个方面的 内容:一是工艺焊接性;二是使用焊接性。

1.工艺焊接性
工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的 能力。焊接性是一个相对的概念,对于某些金属来说,在简单的焊接 工艺条件下,就能获得较好的接头,满足相应的使用要求,就可认为 其焊接性优良。而对于一些必须要采用很特殊的、很复杂的焊接工艺 才能获得优质接头的金属材料,则认为其焊接性较差。 焊接过程与分析研究金属材料的工艺焊接性有关。对于一般熔焊来

说,焊接过程都要经历加热、熔化、冶金反应和冷却四个过程,所以,
工艺焊接性又分为热焊接性和冶金焊接性。

(1)热焊接性 热焊接性是指在焊接过程中,对焊

接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。热焊接性
是用来评定被焊金属对热作用的敏感性(晶粒长大及组 织性能变化等),它主要受被焊材质及焊接工艺条件的 影响。 (2)冶金焊接性 冶金焊接性是指冶金反应对焊缝 性能和产生缺陷的影响程度。合金元素的氧化、还原、 氮化、蒸发,氢、氧、氮的溶解,以及对气孔、夹杂、

裂纹等缺陷的敏感

2.使用焊接性 使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用 性能的程度。使用焊接性主要是通过焊接工艺评定实现。 包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、 疲劳性能、持久强度、耐蚀性、耐磨性能等。由于结构 的使用条件不同,所要求的焊接接头性能也有所不同。
因此,焊接技术必须满足不同使用条件下各种性能的要求。

能力知识点2

影响焊接性的因素

影响焊接性的因素很多,对于钢铁材料来说,可归

纳为材料、设计、工艺及服役条件四类因素。
1.材料因素 钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理条件、组织 状态和力学性能等因素都对焊接性有较大的影响,其中 影响最大的是化学成分(包括杂质的分布)。对焊接性影 响较大的元素有碳、硫、磷、氢、氧和氮等。还有一些 为了满足钢的某种性能而加入的元素,如锰、硅、铬、 镍、钼、钛、钒、铌、铜和硼等合金元素,但它们却又 不同程度地增加了钢的淬硬倾向和焊接裂纹的敏感性。

2.设计因素 设计因素主要是指结构的形式,它对焊接接头的应 力状态有影响,从而对焊接性产生影响。如:结构的刚 度过大、接口断面的突变、焊接接头的缺口效应、过大 的焊缝体积等,对造成脆性破坏都有不同程度的影响。

在某些部位,焊缝过度集中和多向应力状态对结构的安
全性也会产生不良影响。

3.工艺因素 工艺因素包括施工时所采用的焊接方法、焊接工艺规 程和焊后热处理等。对于相同的焊件,采用不同的焊接方 法和工艺措施时,所表现出来的焊接性也是不一样的。如 对于有过热敏感的高强度钢,从防止过热出发,应选用窄 间隙焊接、等离子弧焊接等方法,改善其焊接性。而对于 灰铸铁的焊接,从防止白口组织角度出发,应选用气焊和 电渣焊等方法。

4.服役条件因素
服役条件指焊接结构的工作温度、受载类别和工作 环境,如在高温条件下工作时,可能产生蠕变;在低温 或冲击载荷下工作时,易发生脆性破坏;在腐蚀介质下 工作时,接头会发生腐蚀等。 总之,焊接结构的服役条件越不利,焊接性就越难 保证。

评定焊接性的程序
对于一些新的材料、新的结构或新的工艺方法,在正

式施工制造之前,都要经过焊接性分析和试验,预测在焊
接过程中可能存在的问题,以评定其工艺焊接性及使用焊 接性是否能达到要求。 评价焊接性的准则一般包括两方面的内容:一是评定 焊接接头产生工艺缺陷的倾向,为制定出合理的焊接工艺 提供依据;二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要 求。

评定焊接接头工艺缺陷的敏感性,通常是进行抗裂性
试验及气孔敏感性试验。评定焊接接头或结构的使用性能, 要根据结构的工作条件和设计提出的技术要求来确定试验 内容。

综合知识模块二
利用化学成分分

分析金属焊接性的方法

分析和研究焊接性的目的,在于查明给定的钢种 或材料在指定的焊接工艺条件下可能产生的问题及原 因,以确定焊接工艺的合理性和钢种或材料材质的改 进方向。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两 个方面去考察该材料对焊接的适应能力。工艺焊接性 是要解决该材料能不能焊的问题,使用焊接性是要解 决焊后能不能使用的问题。其中按材料中合金元素及 其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的化 学成分分析方法。如碳当量法和冷裂纹敏感性指数法。

分析和研究焊接性的目的,在于查明给定的钢种或材

料在指定的焊接工艺条件下可能产生的问题及原因,以确
定焊接工艺的合理性和钢种或材料材质的改进方向。通常 分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材 料对焊接的适应能力。工艺焊接性是要解决该材料能不能 焊的问题,使用焊接性是要解决焊后能不能使用的问题。 其中按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的 焊接性是最常用的化学成分分析方法。如碳当量法和冷裂

纹敏感性指数法。

1.碳当量法的概念 碳当量鉴定法是间接判断焊接性最简便的方法。所谓 碳当量法是把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算

成碳的相当含量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。
在钢的各种化学元素中,对焊接性影响最大的元素是 碳,碳是引起淬硬的主要元素,所以把钢中含碳量的多少 作为判断焊接性的主要指标。钢中含碳量越高,其焊接性 就越差。钢中除碳元素外的其他合金元素如锰、铬、钼、 铜、镍等对淬硬都有一定的影响,将这些元素根据它们对 焊接性的影响大小,折合成相当的碳元素的含量,即碳当

量,来间接判别焊接性

2.碳当量的估算公式 碳当量的估算公式在世界各国根据本国的具体 情况相继建立了很多公式。其中以国际焊接学会推 荐的估算碳钢及低合金钢的公式应用较为广泛,为

在计算碳当量时,元素含量均取其成分范围的上限。

3.用碳当量法对焊接性的评价 公式计算出的结果,数值越高,被焊钢材的淬硬 倾向越大,热影响区越易产生冷裂纹。因此,一般可
用碳当量预测某钢种的焊接性,以便确定是否需要采 取预热和其他工艺措施。根据经验:当CE<0.4%时, 钢材的淬硬倾向不大,焊接性良好,焊接时不需预热; 当CE=0.4%~0.6%时,特别是大于0.5%时,钢材的淬 硬倾向逐渐明显,焊接时必须预热;当CE>0.6%时, 钢材塑性较低,强度较高,淬硬倾向很强,焊接性不 好,工件焊前经预热到较高温度,焊接时采取减少焊 接应力和防止开裂的工艺措施,焊后还应进行热处理, 确保焊接接头质量。

必须指出:碳当量法只考虑金属的化学成分,没有考 虑影响焊接性的其他因素,如冷却速度、焊接热循环中的 最高加热温度和高温停留时间等,所以不能反映其真实的 焊接性,只能作为评定钢材焊接性的一种参考指标。如: 16Mn钢的碳当量约为0.34%~0.44%,焊接性良好,但板厚 增大时,焊接性会逐渐变差。

利用连续冷却转变图分析
钢的焊接连续冷却转变图是焊接连续冷却组织转变图,连续冷 却转变图的绘制是利用快速热膨胀仪或热模拟试验装置来建立某种 钢的连续冷却转变图的,通过连续冷却转变图可得到在不同冷却速 度下的组织。

焊接连续冷却转变图用来估计有无冷裂的危险和焊后接头的大
致性能(硬度值),即根据已知钢材的焊接连续冷却转变图可以较方 便地预测焊接热影响区的组织、性能和硬度,从而可预测某钢材在 一定焊接条件下的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。同时也是正确选择焊 接材料、确定最佳焊接工艺、消除焊接裂纹、制订焊后热处理规范 的重要依据。 影响连续冷却转变图的因素有:母材的化学成分、冷却速度、 峰值温度、晶粒粗化及应力应变等。

利用材料的物理性能分析
金属的熔点、热导率、密度、线膨胀系数、热容量等因素,都对焊

接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响,从而影响金属材料的焊
接性。根据金属材料物理性能的特点,可以预计出在焊接过程中出现的 问题,并设法加以预防及解决。 如纯铜热导率高,焊接时热量散失迅速,升温的范围很宽,坡口不 易熔化,焊接时需要较强烈地加热。如果热源功率不足,就会产生熔透 不足的缺陷。铜、铝等热导率高的材料,熔池结晶快,易于产生气孔。 钛、不锈钢等热导率低的材料,焊接时温度梯度大,残余应力高,变形

大,而且由于高温停留时间长,热影响区晶粒长大,对接头性能不利。
铝和奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。铝及其 合金的密度小,焊接时,熔池中的气泡和非金属夹杂物不易上浮逸出, 就会在焊缝中残留气孔和夹渣。

利用材料的化学性能分析 从材料化学性能方面来分析焊接性,主要是看金属 与氧的亲和力的强弱,如铝、钛合金与氧的亲和力较强, 在焊接高温下极易氧化,有些金属对氢、氮等气体很敏

感,因而需要采取较可靠的保护方法,如:惰性气体保 护焊,真空中焊接等。否则焊接就难以实现。因此,保 护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果。对于异种
金属焊接,也只有其理化性能和晶体结构接近的金属才 比较容易实现焊接。

2.已知钢材18MnMoNb的化学成分质量分数见表4-1:

综合知识模块三
焊接性试验的内容

金属焊接性试验

焊接性试验是指评定母材焊接性的试验,例如:焊接 裂纹试验、接头力学性能试验、接头腐蚀试验等。 焊接性试验的目的是评定母材焊接性的好坏,通过焊 接性试验,可以选定适合于母材的焊接材料,确定合适的 焊接参数及焊后热处理工艺参数,还可用来研制新的焊接 材料。

按材料的不同特点和不同使用要求,焊接性试验的内
容主要有以下几种:

1.焊缝金属抗热裂纹能力的测定 热裂纹是一种较常发生的危害性严重的焊接缺陷,是熔池金属结 晶过程中,由于存在一些有害元素(如低熔点共晶物)并受热应力作用

而在结晶末期发生的焊接缺陷。热裂纹的产生既与母材有关,又与焊
接材料有关,因此测定焊缝金属抵抗热裂纹的能力是焊接性试验的一 项重要内容。 2.焊缝及热影响区金属抗冷裂纹能力的测定 冷裂纹在低合金高强钢焊接中是最常见的缺陷,该缺陷的发生具 有延迟性,所以危害性更大。测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能 力是焊接性试验中很重要又最常做的一项实验内容。

3.焊接接头抗脆性断裂能力的测定

对于承受冲击载荷和在低温下工作的焊接结构,可能经过焊接的
冶金反应、结晶、固态相变等一系列过程,焊接接头会发生粗晶脆化、 组织脆化、热应变时效脆化等现象。使接头韧性严重下降,即焊接接 头发生脆性转变。所以,对这类焊接结构用材料,要做抗脆断(或抗脆 性转变)能力的试验。 4.焊接接头使用性能的测定 根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容。

例如:在腐蚀介质下工作的焊接结构要求抗腐蚀能力,就采用做焊接
接头的耐晶间腐蚀能力或耐应力腐蚀能力等试验;厚板钢结构要求抗 层状撕裂性能时,就要做Z向拉伸或Z向窗口试验,以测定该钢材抗层 状撕裂的能力。

能力知识点2

焊接性试验方法分类

研究和评定金属材料焊接性的试验方法很多,根据试验内容和特点 可以分为工艺焊接性和使用焊接性两大方面的试验,每一大方面又可分 为直接法和间接法两种类型。金属材料焊接性试验方法分类可归纳成图 4-1所示。 1.直接法

直接法有两种情况:一种情况是模拟实际焊接条件,通过实际焊接
过程考察是否发生某种焊接缺陷,或发生缺陷的严重程度,根据结果直 接评价材料焊接性(即焊接性对比试验);也可以通过试验确定出获得符 合要求的焊接接头所需的焊接条件(即工艺适应性试验),这种情况一般 用于工艺焊接性试验;另一种情况是直接在实际产品上进行焊接性试验, 例如压力容器的焊接试板,主要用于使用焊接性试验。

2.间接法 间接法一般不需要焊接,只需对产品使用的材料做 化学成分、金相组织或力学性能的试验分析与测定,根 据结果和经验推测材料的焊接性。其中碳当量法、冷裂

敏感性指数法及热影响区最高硬度法是常用的焊接冷裂
纹的间接评定方法。

能力知识点3

焊接性试验方法的选择原则

从图4-1可以看出,焊接性试验方法很多,随着技术的进步,要 求的提高,焊接性试验方法还会不断增加,在选择焊接性试验方法时 一般应考虑以下原则: 1.可比性 在试验条件完全相同下,两个试验的结果就具有可比性。应该优

先选择国家或国际上已经颁布的标准试验方法,并严格按标准的规定
进行试验。还没有建立标准的,应选择国内外同行业中较为通用的或 公认的试验方法进行。如果没有标准可供遵循,必须自行设计焊接性 试验方法时,应把试验条件规定得明确具体,同时还要说明试验结果 是在什么试验条件下得出的。

2.针对性
在选择试验方法时,其试验条件要尽量与实际焊接时的条件一致 (如母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态、焊接参数等),同时

试验条件还应考虑到产品的使用条件,尽量使之接近。只有这样才使
焊接性试验具有良好的针对性,其试验结果才能较准确地显示出实际 生产时可能发生的问题或可能出现的现象。 3.再现性 焊接性实验的结果要稳定可靠,具有较好的再现性。为了找出变化 规律和导出正确的结论,实验数据不可过于分散。因此,试验方法应 尽量减少或避免人为影响因素,多采用自动化、机械化的操作、少用

人工操作。实验条件和试验程序要规定的严格,防止随意性。

斜Y形坡口焊接裂纹试验方法
斜Y形坡口焊接裂纹试验方法又称小铁研法,是金属工艺焊 接性的直接试验方法之一,广泛应用于评定碳素钢和低合金高强 钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性,也可作为根据母材选择匹配焊 条的裂纹试验。 本试验方法所产生的裂纹多出现于焊根尖角处的热影响区, 当焊缝金属的抗裂性能不好时,裂纹也可能扩展到焊缝金属,甚 至贯穿至焊缝表面。 此试验方法用料省,试件易加工,不需特殊装置,试验结果 可靠。因此低合金钢多采用这种方法评定其抗冷裂性能。缺点是 试验周期较长。

1.试件的制备 试件的形状及尺寸如图4-2所示。试件的厚度不作规定,一般用 厚度为9~38mm,坡口采用机械切削加工。每一种试验条件要制备两 块以上的试件。

2.试验方法
两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝,采用双面焊透。保证待焊试 验部位处有2mm的间隙且不产生角变形。拘束焊缝焊接一般采用低氢型 焊条,直径为4~5mm,先从背面焊接第一层,再焊正面一侧的第一层, 以下各层正、背面交替焊接,直到焊完。 在焊接试验焊缝前,要把焊接拘束焊缝时所附着的飞溅物清除干

净,并去除坡口周围的水分、油污及铁锈等,最后用丙酮洗净。试验
焊缝所用的焊条原则上与试验钢材相匹配,焊前要严格烘干焊条,推 荐采用下列参数:焊条直径4mm,焊接电流170A±10A,电弧电压24V± 2V,焊接速度(150±10)mm/min。图4-3和图4-4是用焊条电弧焊和用 焊条自动送进装置进行施焊的试验焊缝。只焊一道焊缝不填满坡口, 焊完后的试件经48h后,才能开始进行裂纹的检测和解剖。用肉眼和手 持放大镜来检测焊接接头的表面和断面是否有裂纹。

3.计算方法
检测裂纹时可直接用眼睛或借助5~10倍放大镜仔细检查焊接接
头表面和断面是否有裂纹,并按下列方法分别计算表面、根部和断面 的裂纹率。试样裂纹长度的计算按图4-5所示进行。

(1)表面裂纹率的计算 计算方法见式(4-2)。

式中 Cf——表面裂纹率(%); ∑Lf——表面裂纹长度之和,单位为mm,见图4-5a; L——试验焊缝的长度,单位为mm。

(2)根部裂纹率 用适当的方法着色后拉断或弯断,然后按图

4-5b检测根部裂纹,并按式(4-3)计算根部裂纹率。

式中 Cr——根部裂纹(%); ∑Lr——根部裂纹长度之和,单位为mm; L——试验焊缝长度,单位为mm。

(3)断面裂纹率

在试验焊缝上用机械加工等分地切出

4~6块试样,检查五个横断面的裂纹深度Hs,见图4-5c。按
式4-4计算断面裂纹率:

式中 Cs——断面裂纹率(%); ∑Hs——5个断面裂纹深度的总和,单位为mm; ∑H——5个断面焊缝的最小厚度的总和,单位为mm。

斜Y形坡口焊接裂纹试验方法所测得的各种裂纹 率可作为钢材冷裂敏感性的相对比较,还可测得防止 冷裂纹的临介预热温度。由于该试验的接头拘束度很 大,根部尖角又有应力集中,所以试验条件比较苛刻, 对于低合金钢一般认为表面裂纹率小于20%,用于生 产是安全的,但不应有根部裂纹。

除斜Y形坡口试件外,还可以仿照此标准作直Y形 坡口对接裂纹试验,用于考核焊条金属对根部裂纹的 敏感性。

焊接热影响区最高硬度试验方法

焊接热影响区最高硬度试验方法是金属工艺焊接性 的间接评估方法之一,它的特点是考虑到了组织因素, 但没有涉及氢和焊接应力,不能借以判断实际焊接产品 的冷裂倾向,因此此方法只能间接判断被焊钢材的淬硬 倾向和冷裂纹敏感性。

1.试件的制备 热影响区最高硬度试件的形状和尺寸分别见图46和表4-2。试件的标准厚度为20mm,若板厚超过20mm,

则用机械加工成20mm厚,并保留一个轧制表面。若板 厚小于20mm,则不须加工。1号、2号试件各备一块。

2.试验条件 试件焊前应清除表面油、锈、氧化皮等污物,焊前 要把试件两端支撑架空,下面应有足够的空间。1号试 件在室温下,2号试件在预热温度下进行焊接。如图46所示,采用平焊位置,沿试件轧制表面的中心线焊出 长125mm±10mm的焊缝。焊接参数为:焊条直径4mm,焊

接速度150mm/min±10mm/min,焊接电流170A±10A。焊
后在静止空气中自然冷却,不能进行任何热处理。

3.硬度的测定

焊后经12h冷却后,在室温下用机械加工方法垂直切割焊缝中部,
然后在此断面上取测量硬度的试样。试样的检测面经研磨后进行腐蚀, 按图4-7所示位置,在0点两侧各取7个以上的点作为硬度的测定点, 各点的间距为0.5mm,硬度测定用载荷为10kg的维氏硬度方法进行。一 般焊接用的钢材都应提供其最高硬度值。

插销试验
能力知识点3 插销试验

插销试验是一种简便而又节省材料的试验方法,同
样是金属工艺焊接性的直接试验方法之一,此方法主要 用于定量测定钢材焊接热影响区对冷裂纹的敏感性,即 主要用来评定氢致延迟裂纹的焊根裂纹。目前在国内外 广泛应用。我国已制定了国家标准(GB/T 9446—1988 《焊接用插销冷裂纹试验方法》

1.基本原理
插销试验是把被焊钢材做成直径为8mm(或6mm)的圆柱形试棒(即
插销),插入与试棒直径相同的底板孔中,其上端与底板的上表面平齐, 试棒的上端有环形或螺形缺口,然后在底板上按规定的焊接线能量熔 敷一道焊缝,尽量使焊缝中心线通过插销的端面中心,该焊道的熔深 应保证缺口位于热影响区的粗晶部位,如图4-8所示。 在不预热的条件下,待焊后冷至100~150℃时加载,如有预热, 应高出初始温度50~70℃时加载,并在1min内,且在冷却到100℃前加 载完毕。如有后热,应在后热前加载。加载的方式用机械加载。无预 热、后热时,需要保持载荷16h;有预热或预热加后热时,需要保持载 荷24h。

2.试件的制备
插销试棒应从被焊的钢材或产品(轧材、锻件、铸件、焊缝、焊接
构件)中制取,同时必须注明插销的取向和相对厚度方向的位置,如图 4-9所示。底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致。

3.试验程序 检查插销试棒尺寸,特别是缺口尖端的圆角尺寸是否合格;将插销 试棒插入底板相应的孔中,按所选用的焊接方法,严格控制所规定的焊

接参数,在底板上进行堆焊(垂直底板纵向并通过插销顶端的中心)长10
0~150mm的焊缝。不预热试验时,试件的初始温度应为室温;预热试 验时,试件的初始温度为预热温度。按前述要求进行加载,在此过程中 观察和记录插销是否拉断以及从加载到断裂的时间。当达到上述时间(载 荷保持16h或24h)仍不断裂时即可卸载,用金相或氧化方法检测缺口是 否存在裂纹。

通常情况是施加的拉应力越大,断裂或开裂的时间越短;减小 拉应力,断裂或开裂的时间延长。当应力降到某一数值时,插销既 不断裂也不开裂,这一应力值称为临界应力σcr,用σcr可以对钢材冷

裂敏感性进行评价;σcr越小,钢材冷裂纹敏感性越大。

其他试验方法

如前所述,焊接性试验有两大方面的试验:工艺焊接性试验和

使用焊接性试验,前面介绍了几种金属工艺焊接性的试验方法,本
节将简单介绍几种使用焊接性试验的方法。使用焊接性试验主要是 根据焊接产品使用条件对焊接接头提出的要求而进行的试验,包括 了焊接接头常规力学性能试验、焊接接头抗脆性断裂试验、焊接接 头疲劳与动载试验、焊接接头高温性能试验、焊接接头耐腐蚀试验 和其他有特殊性能要求的试验等。试验用的焊接接头通常是由相关 标准规定的或根据产品生产相同的焊接工艺在规定的试板上焊成。

1.焊接接头力学性能试验

焊接接头力学性能试验主要是测定焊接接头在不同
载荷作用下的强度、塑性和韧性,主要是通过焊接接头 的拉伸、弯曲、冲击和硬度等试验方法加以确定。 小知识 脆性转变温度是金属材料随着温度的降低,由 韧性状态过渡到脆性状态的温度。 2.焊接接头抗脆断性能试验 常用转变温度法和断裂力学法对焊接接头抗脆断性

能进行评定。

3.焊接接头疲劳试验 焊接接头的焊缝区不可避免地存在各种微小的宏 观缺陷、应力集中和残余应力,因此,该区是结构最 易发生疲劳断裂的部位。研究焊接接头的疲劳强度及 其影响因素,可为产品设计和制造工艺提供技术依据, 有助于提高产品使用寿命。该试验方法分为高周疲劳 (循环周次大于105)和低周疲劳(循环周次在104~105 以下),是采用一定的应力循环特性的载荷进行多次反 复加载试验,测得使试样破坏所需要的加载循环次数N。 将破坏应力与N绘成疲劳曲线,获得不同循环下

4.焊接接头的抗腐蚀试验 不锈钢焊接接头发生的腐蚀有多种类型,其中晶 间腐蚀和应力腐蚀最为常见,且危害最大,所以评定 焊接接头耐腐蚀性能的试验主要是做这两种腐蚀类型 的试验。评定晶间腐蚀的试验方法有弯曲法和失重法; 评定应力腐蚀的试验方法有恒负荷拉伸试验法和U形 弯曲试验法。

5.焊接接头高温性能试验 焊接接头在高温下性能会发生变化,其强度极 限要降低,而且与载荷持续时间有关。目前评定焊 接接头高温性能的指标是它的高温短时拉伸强度、 高温持久强度和蠕变极限。测定焊接接头高温性能 的试验方法基本都参照国家标准规定的金属材料高 温性能试验方法进行。


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