钢结构加工中焊接质量缺陷的防止方法

钢结构加工中焊接质量缺陷的防止方法
焊接是较复杂的工艺过程，影响质M的因素很多，在焊接的过程中不可避免会出现这样和那样的质量缺陷。

焊接质量缺陷会影响钢结构工件的结构要求，导致应力集中，降低钢结构承载能力，缩短其使用寿命，甚至造成脆断，所以钢结构生产技术规程中对焊接缺陷做出了严格限制，对于超标缺陷必须进行彻底去除和焊补。

熔化焊接缺陷冇焊缝内部缺陷、气孔、夹渣、裂纹等。

焊缝形状缺陷主要有焊缝尺寸不符合要求、咬边、未焊透、未熔合、烧穿、焊瘤、弧坑、电弧擦伤、飞溅等，焊缝形状缺陷的产生是由于工艺因紊造成的，通过采取适当的焊接规范及工艺都可以避免。

气孔、夹渣、裂纹的产生除与工艺因素有关外，还与焊接冶金过程有重要关系。

(1)气孔
气孔是指焊缝表面或内部形成的连续的或不连续的孔洞。

气孔的形成是由于熔池金属中的气体在金属结晶凝固前未能及时逸出，从而以气泡的形式残留在凝固的焊缝金属内部或出现在焊缝表面。

气孔的存在不仅减少了焊缝金属的有效工作截面，显著地降低金属的强度和塑性，而且还可能造成应力集中，引起裂纹，严重地影响到动载强度和疲劳强度。

此外，弥散小气孔虽然对强度影响不显著，但会引起金属组织疏松，导致塑性、气密性和耐腐蚀性降低。

①气孔的种类分布和形成焊缝气孔可按不同的特征分为不同的类型。

按分布位置及特征，有表面气孔，也有焊缝内部气孔，有时以单个分布，有时成堆密集；按形成气孔的气体来源不同可分为析出型和反应型气孔。

总之，气孔类型繁多。

研究表明，气孔的形成是多种气体（包括c()、H2和N2)共同作用的结果，但通常其中一种气体是气孔内气体的主要成分。

由于产生气孔的气体不同，因而气孔的形态和特征也有所不同。

a.氢气孔对于低碳钢和低合金钢的焊接来讲，在大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的端面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上呈喇叭口形，而气孔的四周有光滑的内壁。

但这类气孔有时也会出现在焊缝的内部。

如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，因而在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部。

氢气孔是在结晶过程中形成的，但氢又具有较大的扩散能力，极力挣脱现成表面，上浮逸出，两者综合作用的结果，最后形成了具有喇叭口形的表面气孔。

b.氮气孔其机理一般认为与氢气孔相似，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。

在焊接生产中由氮引起气孔较少。

氮的来源，主要是由于保护不好，有较多的空气侵人熔池所致。

c. CO气孔这类气孔主要是在焊接时，由于冶金反应产生了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。

气孔沿结晶方向分布，有些像条虫状，卧在焊缝内部。

因为各种结构钢总是含有一定的碳元素，焊接时，由于冶金反应而产生了大量的CO，此时产生的CO就不易逸出，很容易被围困在晶粒之间。

此外，某些情况下还有可能形成水蒸气气孔。

各种气体形成的气孔都有各自的形状分布和特点，但无论哪一种气孔都是在熔池内形成的气体，在一定条件下发生聚集而形成气泡，气泡长大到一定程度便会上浮，如果气泡受到熔池内部结晶的阻碍，就可能在焊缝内部形成气孔。

②影响气孔形成的因素焊缝中生成气孔的因素是多方面的，有时是几种因素共同作用的结果，但冶金因素和工艺因素起主导作用。

a.冶金因素的影响冶金因素主要指与焊接化学冶金过程有关的因素，如熔渣的化学性质、
焊条药皮或焊剂的成分、保护气体的种类、铁锈和水分等。

焊接时，熔渣的氧化性强弱，对生成气孔的倾向有明显的影响。

试验证明，熔渣的氧化性增强，CO气孔的倾向就增强，而氢气孔的倾向减小；熔渣的还原性增强则相反。

焊条药皮和焊剂的组成都比较复杂，所以对生成气孔的影响也比较复杂。

现仅介绍焊接低碳钢和低合金钢时的影响。

CaF2可以去氢，所以用碱性焊条或加CaF2的焊剂焊接低碳钢，可以有效地防止氢气孔。

焊接区内的铁锈、氧化皮、水分、油污等对生成氢气孔的影响是很大的。

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b.工艺因素的影响工艺因素是指与焊接有关的因素，如焊接工艺参数、电流种类和操作技能等。

为了减小焊缝中的气孔，应适当增加熔池的存在时间“增加t可通过增大电弧功率或降低焊接速度來实现。

实践证明，提高电弧电压会使熔池保护性能变差，氮气孔倾向增加。

提高焊接速度，会使结晶速度增加，气孔倾向也增加。

定位焊是固定结构尺寸和减小结构变形的焊缝。

由于焊缝尺寸短、气体保护性差、母材温度低、冷却速度快，所以定位焊缝处出现气孔倾向大。

为此，定位焊应按正式焊缝来要求。

③气孔控制措施气孔是焊缝中常见一种缺陷，产生的因素是多方面的，它的存在会使焊缝截面减小、强度降低，还会使腐蚀加剧，导致结构过早失效。

因此，对气孔要给予足够的重视，根据生产条件采取相应措施。

从形成气孔的原因和条件分析，防止焊缝气孔的措施如下。

a.控制气体的来源焊前严格清理母材及焊材表面的油污、铁锈，对焊接材料进行烘干（一般碱性焊条的烘干温度为350〜450°C，酸性焊条的为200°C左右），正确选择焊接材料、加强对焊接区的保护。

对焊条电弧焊，关键是保证引弧时的电弧稳定性和药皮的完好；气体保护焊时，要保证足够的气体流量、气体纯度。

b.排除熔池中已溶人的气体采用适当的焊接工艺参数，优化焊接工艺，如对低氢型焊条，应尽量采用短弧焊，并适当配合摆
动，有利气体的逸出。

(2)热裂纹
焊接热裂纹即在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。

不同的金属材料焊接热裂纹的形态、产生机理以及产生的温度区间各不相同，为此，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹。

①结晶裂纹的形成和控制结晶裂纹又称凝固裂纹，是焊接裂纹中常见的一种，产生于焊缝凝固过程中，一般沿着焊缝树枝状晶的交界处发生和发展，大多数呈纵向分布在焊缝中心，裂纹与焊波呈垂直分布。

a.结晶裂纹的形成机理无论是纵向裂纹还是弧形裂纹，最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂。

结晶裂纹的这种分布说明了焊缝的结晶过程中晶界是个薄弱地带。

在焊缝金属结晶后期，熔点较高的纯金属已凝固成晶粒，残留的低熔点共晶被排挤到晶粒的交界处，存在于晶粒之间形成了液态薄膜，隔开了晶粒之间的联系，山于先凝固的焊缝金屈收缩，使焊缝中心部位受到一定的拉伸应力，焊缝中心部位液态薄膜在拉伸应力的作用下形成结晶裂纹。

b.影响结晶裂纹的因素影响结晶裂纹的因素很多，但从本质上来看，主要可归纳为两个方面，即冶金因素和工艺因素。

•冶金因素结晶裂纹形成的冶金因素主要是合金状态的类型和结晶温度区间对结晶裂纹的影响，研究表明，结晶裂纹倾向的大小随合金状态结晶温度区间增大而增加。

随合金元素的增加，结晶温度区和脆性温度区也增大，因此结晶裂纹的倾向也是增加的。

当合金元素进一步增加时，结晶区和脆性温度区反而减小，所以裂纹倾向也随之降低。

此外，初生相的晶粒大小‘、形态和方向也都会影响结晶裂纹产生的倾向。

当对金属进行
变质处理后，不仅打乱了柱状晶的方向性，而且晶粒细化后晶界明显增多，减少了杂质的集中程度，有效地降低了结晶裂纹的倾向。

改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径。

合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂，是影响裂纹最本质的因素。

硫、磷几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向，即使是微量存在，也会使结晶温度区间大为增加。

碳在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素（如s、P等）的有害作用，所以用碳当量来评价钢种焊接性的难易。

锰具有脱硫作用，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。

•工艺因素主要是合理选择焊接材料和控制焊接参数。

熔合比的影响：对于一些易于向焊缝转移某些有害杂质的母材，焊接时，必须尽量减小熔合比，或者开大坡口，或者减小熔深，焊接中碳钢、高碳钢以及异种金属时，限制熔合比具有极重要的意义。

冷却速度的影响：一般来说，接头冷却速度越大，变形速率越大，越易于促进产生热裂纹。

如冬季在室外进行不预热焊接时，就难以防止产生热裂纹。

拘束度的影响：为防止接头产生热裂纹。

从结构设计时就应考虑接头的刚度或拘束度，如尽可能减小板厚和合理布置焊缝。

因为这些焊缝所承受的压力正好作用在焊缝的结晶面上，故易于引起裂纹。

还应注意控制合理的焊接顺序，施焊顺序不合理时，最后几条焊缝可能处于被拘束状态，不能自由伸缩，从而增大应变量，易促使裂纹产生。

在一般情况下，尽可能采用对称施焊，以利分散应力，减少裂纹倾向。

②液化裂纹液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，尺寸很小，一般都在0.5mm以下。

a.液化裂纹的形成机理一般认为，由于焊接时在高温下使近缝区或焊缝层间金属的奥氏体晶界上的低熔点共晶被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间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。

山此可知，液化裂纹也是由冶金因素和力学因素共同作用的结果。

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b.影响液化裂纹的因素液化裂纹的形成机理与结晶裂纹基本一致，因此影响因素也大致相同，即冶金因素和工艺因素共同作用的结果。

•化学成分的影响液化裂纹主要出现在合金元素较多的高强钢、不锈钢和耐热合金钢的焊接件中，化学成分C、S、P的影响与对结晶裂纹的影响基本一致。

Ni是高强钢和不锈耐热钢以及耐热合金中的主要合金元素，但Ni也是液化裂纹敏感的元素。

一方面Ni是强烈的奥氏体形成元素，可显著降低有害元素（S、P)的溶解度。

另一方面，Ni易与许多元素形成低熔点共晶，故易于产生液化裂纹。

•工艺因素的影响工艺因素中焊接线能量对液化裂纹有很大影响，线能W：越大，由于输人的热暈多，晶界低熔相的熔化就越严重，晶界处于液态的时间就越长，液化裂纹的倾向也就越大。

因此，线能暈增加，不仅促使晶界液化，而且也增加了焊缝的应力，使液化裂纹倾向增大。

c.防止液化裂纹的措施
•选择合适化学成分的钢材母材对含镍量高的钢应选用精炼的方法，提高钢材的纯度，降低杂质的含量。

•控制焊缝的凹度焊缝凹度是产生液化裂纹的重要因素，控制凹度，是凹度d<lmm即可减小液化裂纹倾向。

•采用小的焊接线能量焊接热影响区的粗晶粒区是产生液化裂纹的主要部位，降低线能量可
减小过热，进而减小裂纹倾向。

(3)冷裂纹
冷裂纹是由于材料在常温下脆化而形成的裂纹。

产生热裂纹的脆性温度区间往往高于其工作温度范围，而冷裂纹往往是在其工作温度区间产生的，故一旦产生后在工作应力的作用下，冷裂纹有可能迅速扩展，造成灾难性事故。

①冷裂纹的分布特征冷裂纹的分布特征主要有以下几种典型情况。

a.焊道下裂纹其特征是在距熔合线0.1〜0.2mm的近缝区中形成微小的裂纹。

这种裂纹经常发生在淬硬倾向大、含氢量较高的焊接热影响区，裂纹走向大体与熔合线平行，但也有垂直于熔合线的。

b.焊耻和焊根裂纹这种裂纹起源于母材与焊缝交界，且有明显应力集中的缺口部位，一是焊缝的焊趾，二是焊缝根部，组织均为粗大的马氏体，裂纹经常与焊缝方向一致。

前者称为焊趾裂纹，后者称为焊根裂纹。

c.生成温度冷裂纹生成温度上限通常在50〜100°C,其下限则为一75°C左右，超出此温度范围就不易形成。

发生时间：有些裂纹焊后不立即出现，而是有一段时间的潜伏期（孕育期），即经过一段时间之后才出现。

焊道下裂纹最为典型，这种有潜伏期的冷裂纹因延迟开裂，故可称延迟裂纹。

冷裂的临界应力：最典型的延迟裂纹的形成及扩展与所受应力之间有一定关系，当应力高于上临界应力时，立即断裂，无延迟现象，但此时的强度低于无氢试样的缺口拉伸强度，低于下临界应力时，不发生断裂。

②冷裂纹形成机理焊接冷裂纹的形成与接头中的含氢量、被焊钢材的淬硬倾向以及接头所处的拘朿应力状态具有密切的联系，这三者可称为形成裂纹的三大要素。

a.氢的作用氢在金属中有两种形式，一是可以运动的扩散氢；二是不可运动的残留氢。

扩散氢在冷裂纹的形成中起着重要的作用。

它决定了裂纹形成过程中的延迟特点及其断口上的氢脆开裂特征。

焊接时，氢要极力逸出，但由于冷却速度很快，使一部分氢来不及逸出，因此冷却下来后会有大量的氢以过饱和形式存在于焊缝金属中。

这一部分有活动能力的过饱和氢成为扩散氢。

扩散氢对冷裂纹的形成和扩展起着重要的作用。

b.组织硬化作用通常焊接热影响区的近缝区淬硬程度越大或脆硬马氏体数量越多，越易形成冷裂纹。

合金化程度越高的钢，
就越易淬硬，所以，微合金化高强钢已广泛应用于焊接结构的制造。

C.应力的作用应力（内应力和外拘束应力）是产生裂纹的又一个重要因素。

所以目前主要用表征不同外拘束条件的宏观拘束应力来作为评价影响冷裂纹的力学条件。

这种外拘朿条件可用拘束度来表征，当焊接时产生的拘束度不断增大，直接形成裂纹时的应力称为临界拘束应力。

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根据以上分析可知，氢、组织硬化和应力三者对冷裂纹的影响是非常复杂的，它们的影响不是孤立的，相互之间有着密切的关系。

含氢量越高，组织氢脆敏感性越大，应力越大，则产生冷裂纹的倾向越大。

③冷裂纹的防止冷裂纹的影响因素很多，也很复杂，因此防止冷裂纹总的原则就是控制影响冷裂纹的三大因素，即尽可能降低拘束应力、消除一切氢的来源，并改善组织。

以下就是从冶金和工艺两个方面阐述冷裂纹的防止。

a.冶金方面
•选择抗裂性好的钢材。

采用先进的冶炼技术可大大提高钢材的质最，降低钢中杂质含量。

近年开发的低碳微合金化钢具有良好的抗裂性能，如国产CF钢和Q420钢等，采用相应的低氢焊条焊接，即使焊前不预热，焊后不进行热处理，也不会产生冷裂纹。

•焊接材料的选用如下。

选用低氢或超低氢焊条：从焊条本身看，选用低氢或超低氢焊条是防止冷裂纹的有效措施
之一。

但必须注意，低氢焊条应严格限制药皮含水量，焊条的烘干十分重要。

选用低强焊条：为防止接头产生冷裂纹，一般高强钢均不允许焊缝中有马氏体相变发生，因此，选用低强焊条（使焊缝强度低于母材强度）焊接易于达到这一要求。

选用奥氏体焊条：采用奥氏体焊条的优点是可避免采取预热措施，而又能防止冷裂纹的产生。

此外，采用奥氏体焊条时，必须尽可能限制焊接电流，以减少熔合比，防止冷裂纹的产生。

•
选用低氢的焊接方法：co2气体保护焊由于保护气体具有一定的氧化性，故可以获得低氢焊缝，可以显著改善抗冷裂的能力。

b.焊接工艺方面控制预热温度、线能量以及采用多焊道工艺，以防止奥氏体晶粒粗化，均有利氢的逸出和减轻硬化，从而可以显著降低接头冷裂纹倾向。

各种防止冷裂纹的措施固然重要，但实际生产中有一些工艺细节可能对冷裂纹的产生有相当大的影响，而这些细节又常常易被忽视。

其中特别要强调的是设计上和施工过程中造成的应力集中，这常是冷裂纹形成和发展为破坏事故的重要原因之一。

(4)其他焊接缺陷及防止
金属熔化焊焊接缺陷一般分为裂纹、气孔、夹渣、未熔合和未焊透、形状缺陷和其他缺陷几类。

其中裂纹属于严重缺陷；其他缺陷属于一般缺陷，但裂纹以外的其他缺陷表现到一定程度时也可转化成严重缺陷。

严重缺陷危及产品质量，一旦发现应采取措施处理。

无论是一般缺陷还是严重缺陷都应积极进行防止。

①夹渣夹渣是焊接后焊缝内有残留的固体夹杂物。

夹渣是由于焊接规范不当，如焊接电流过小、焊速过快，使焊缝金属冷却太快，夹渣物来不及浮出；运条不正确，使熔化金属和熔渣混淆不清；工件焊前清理不好，多层焊的前一层熔渣未清理干净等原因而产生。

夹渣减弱焊缝强度，在内应力作用下，易形成冷裂纹。

防止措施：
a.焊前应对焊件认真清理；
b.多层焊时应对前一层熔渣清除干净；
c.正确选用焊接规范，焊接电流不应过小，焊接速度不宜过快；
d.运条方法要正确，操作时要注意观察熔渣的流动方向，以防止夹渣形成。

②咬边咬边是在焊接中母材被熔化后未能填充金属形成焊缝或母材“缺肉”现象。

咬边的产生，是由于工件被熔化下去一定深度，而填充金属又未能及时流过去补充所致。

因而在电流过大，
电弧拉得太长以及焊条角度不当时均会形成咬边。

平对接焊一般不易出现，而平角焊、立焊、横焊和仰焊时，则容易产生咬边。

咬边分间断和连续咬边两种。

咬边减弱焊缝强度并极易发生冷热裂纹。

防止措施：
a.电流和焊速要适当；
b.焊条角度和运条方法应正确，电弧不要太长。

③未熔合未熔合是在焊接金属与母材之间或各层焊道金属之间未完成熔化结合的部分。

未熔合是由于母材坡口或先焊的焊缝金厲表面有铁锈、熔渣或脏物未清除干净，焊接时又未能将其熔化而盖上熔化金属；电流过小或焊速太快，由于热量不足，致使母材坡口或先焊的焊缝金属未得到充分熔化；焊件散热速度太快，或起焊处温度低，使母材的开始端未熔化，从而产生未熔合；操作不当或磁偏吹，使电弧热偏于一方，电弧作用较弱处覆盖上熔化金属也易产生未熔合。

未熔合实际上就是焊接接头中的裂纹，危害极大。

防止措施：
a.焊前应对坡口表面仔细清理，清除铁锈、油污等脏物；
b.正确选择焊接规范，焊接电流不应过小、焊速不应太快，但焊接电流也不宜过大，否则焊条过度发红而造成熔化太快，在母材边缘还没有达到熔化温度时，焊条的熔化金属已覆盖上去而造成未熔合；
c.对于散热速度太快的焊件，可采取焊前预热或焊接的同时用火焰加热；
d.操作要正确或避免产生磁偏吹现象，使电弧不要偏于一方，保证各处均匀加热等均有利于防止未熔合现象的发生。

④未焊透未焊透是焊接时焊接接头根部未完全熔透的现象。

未焊透产生的原因是焊件坡口表面清理不干净，如有比较厚的漆、氧化皮等杂质，焊接坡U太小、钝边太大或应幵坡口的未开坡口，组对时未留间隙或留间隙太小；焊接电流小，焊条移动快，焊条角度不对，焊条直径过大均易造成根部未焊透。

未焊透部位其实是严
重的裂纹缺陷。

防止措施：
a.正确确定坡口形式和装配间隙；
b.认真清除坡口边缘两侧的污物；
c.合理选择焊接电流，焊条角度要正确，运条速度要根据焊接电流大小、焊件的薄厚以及焊接位H来选择，不应移动过快，随时注意不断调整焊条角度；
d.对于导热快、散热面积大的焊件，可在焊前预热或焊接的同时用火焰加热，焊缝的起头处与接头处，可选用长弧预热后再焊接；
e.对于要求全焊透的焊缝，如果是根部未焊透，条件允许时可将反面熔渣和焊瘤等清除后再焊一遍，应尽量采用单面焊双面成形工艺。

⑤形状尺寸不符合要求焊缝形状尺寸不符合要求属于形状缺陷。

造成的主要原因是：
a.焊件坡口开得不当或装配间隙不均匀；
b.焊接规范选用不适当，如电流过大或过小，焊接速度过快或过慢；
c.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。

防止措施：
a.选择恰当的坡口角度及装配间隙；
b.正确选择焊接规范；
c.提高焊工的操作技术水平，使焊缝形状尺寸符合要求。

如果出现焊缝尺寸不符合要求的情况，应认真修补。

对于某些
重要焊接结构的角焊缝和平焊缝，应保证焊缝向母材有平滑的过渡，减少应力集中，满足焊缝的强度要求。

其他焊接缺陷还有焊瘤、弧坑、偏析和应力腐蚀裂纹等。

其中应力腐蚀裂纹产生机理复杂、潜伏期较长，但危害极大，在钢结构产品中应注意防止，并在使用时定期检测，防止应力腐蚀开裂的
发生。

焊接缺陷发生后应采取措施处理。

特别是严重缺陷，应编制返修处理方案，按方案要求进行返修处理。