电弧焊焊接结构失效根源的论述

电弧焊焊接结构失效根源的论述
本文论述了电弧焊接接头易产生的缺陷和这些缺陷产生的原因，以及在焊接过程中如何控制这些缺陷的出现，保证电弧焊焊接结构不失效。

标签：焊接质量失效
1 概述
当今世界，焊接结构得到了广泛应用，大约50％的钢材通过焊接加工后才能投入使用，其中，相当数量的焊接结构，例如锅炉、压力容器、航天机械、起重机械、承载梁等等正在向高参数及大型化发展，要求它们能够在复杂苛刻的条件工作。

如果焊接接头质量不佳，使结构发生破坏，这将造成重大经济损失和人身伤亡事故。

因此，有些产品的质量与焊接接头的质量密切相关，在某种程度上讲，焊接接头的质量决定着产品质量。

本文对电弧焊焊接中能产生导致焊接结构失效的缺陷是如何形成加以论述，以及在工作中控制其出现，来保证电弧焊的焊接质量。

2 电孤焊件的失效根源
2.1 气孔电弧焊中的气孔可以分三种形式：单个的、线性的和群集的气孔。

当电弧能量大大地超过正常应用水平，产生弧坑的“沸腾”现象而最终会形成单个气孔；线性或群体气孔则由保护气体中的氧、氢或碳的氧化物与弧坑处焊缝金属相互作用放出的气体如硫化氢而形成。

群集气孔也可由保护气体层不足或在潮湿的基本金属上焊接而形成。

另外如果在基本金属上有锈，它是水分的来源。

该水分或者在溶池附近蒸发成为水蒸气，或者在电弧下分解出氢气和氧气，显然这也是形成气孔的原因。

因此焊接前要对基本金属除锈，或采用特殊焊条。

例如具有良好还原性能的焊条，就可以保护焊缝不产生气孔。

埋弧自动焊接时，如果焊剂层太薄，亦容易在焊缝中产生气孔。

在等离子焊接时，为了防止焊缝中气孔的产生，需采用陡降特外性电源，和滞后停气等措施。

2.2 氧化由不恰当的保护或保护不佳而发生。

例如钛是活性金属，在焊接过程中需从焊缝表面及根部同时进行保护，钨极氩弧焊时对钨极也要予以充分保护，以防止氧和氮的污染，进而防止焊缝和热影响区的脆化。

在焊接钢和铝时，虽然可不对焊缝根部予以附加的保护，但是附加保护对改善焊缝质量还是有作用的。

2.3 化合物不良的保护材料可能在熔池中形成某些化合物，而这些化合物可降低焊缝的韧度。

因此，在气体保护焊时或采用纯惰性气体保护，亦可采用某些有一定比例关系的混合保护气体。

它们的优点是可以避免焊缝韧度降低。

2.4 热裂纹或称结晶裂纹。

虽然接头设计不佳或对焊缝的拘束可在焊缝中形成热裂纹，但是通常热裂纹的形成是由于有低熔点化合物成分的存在和它扩大
了热强度和韧性均较低的脆性温度范围所致。

在钢种，在化合物为硫化物和磷化物。

当然，铜元素也起到这一作用。

这些化合物和元素在晶界处偏析存在，在热收缩应力作用下造成晶间撕裂。

一般通过对钢中微量元素如硫、磷的控制和控制焊缝金属溶池的形状，可以减少和消除焊缝金属的热裂纹。

研究表明，当焊缝的深/宽比值较高时，易在溶池中心线上聚集低熔点相，导致发生裂纹。

另一种形式热裂是溶池（火口）裂纹，由于焊逢金属结晶具有方向性特点，因此在火口区域的金属材料在焊逢冷却后比在其他部位含有更多的杂质，因此极易开裂。

控制这种形式热裂纹的良好方法是采用低微元素，如硫、磷、铜含量低的焊接材料，以减少偏析倾向。

如果这一点难以作到，另一个好方法是避免慢的冷却速度。

因为慢速冷却有助于有液化线和固化线温度之间的偏析结晶。

但在某些场合，降低运条速度能够改变焊缝金属中的结晶方向，因此降低产生热裂纹的可能性。

2.5 冷裂纹或称氢致裂纹，它是在焊缝金属完全凝固之后形成的裂纹。

在钢中冷裂纹的形成与拉伸应力（或拘束应力）、卒硬组织和存在氢离子有关。

拉伸应力可由构件中其他元件的拘束造成，也可由焊接中的热应力形成。

微观组织对冷裂纹的敏感性与其对氢的溶解度和氢的过饱和的可能性有关。

奥氏体对氢具有高的溶解度，因而对冷裂纹最少敏感性；马氏体的氢溶解度最低，对氢裂纹最敏感。

从奥氏体向马氏体的转变时，如施以快速冷却，可使氢得以在马氏体内以过饱和形式存在，这又促进了冷裂纹的产生。

由于过饱和状态的氢向高应力区扩展需要时间，这意味着由氢引发冷裂纹也与时间有关。

这也表明焊后产品检查时没有裂纹发生，但检查以后则可能出现可以检查出的裂纹。

防止氢致裂纹方法是尽可能减少氢的来源，如水、油、润滑油、铁锈等。

焊前、焊后加热，有助于氢的逸出和降低剩余拉伸应力，因而对防止冷裂纹也是有效的措施。

氢致裂纹可以在热影响区或焊缝金属中发生；它可以是横向的，也可以是纵向的。

预热温度和其他防止冷裂纹的措施将依赖于焊缝抑是热影响区对氢裂纹倾向性较大。

在常用的碳-锰中低强度结构钢种，热影响区对氢致裂纹最为敏感，而焊缝问题较少；最近发展起来的低碳型钢材具有良好的抗氢裂性能，此时焊缝就成为控制冷裂纹的注意点。

焊缝金属中的氢致裂纹同样与氢含量、微观组织和拉伸应力存在有关。

实际中的控制参量是材料强度级别、氢含量和拘束或拉伸应力水平。

在单道焊或多层焊的底层焊道中，根部间隙是横向应力的应力集中处，因而易导致焊缝金属中的纵向裂纹。

根部焊道具有较高的由基本金属造成的稀释性，它可导致较硬的焊道，因而易在此处形成裂纹，这是管道结构中开裂的主要形式。

在有横向缺口存在时，纵向应力成为主要控制因素，此时易产生横向裂纹。

在大型的多层焊缝中，裂纹多为横向裂纹，它可以垂直表面，也可与表面成一定例如45°角度。

一般将其称为八字裂纹，减少这类裂纹的方法同样是控制氧含量，具体方法是短弧操作、烘干焊条焊剂、预热等。

2.6 焊缝外形不良焊瘤-引起的原因是熔池温度过低，不易熔合；或温度太高，使液态焊缝金属溢出焊趾和焊根处之后才结晶凝固。

咬边-焊接电流过高或焊接速度太慢引起，余高太大由于电流太小或运条速度太快所致。

可见焊缝外形与电流大小有关，应合理控制。

此外，采用摆动方法有助于获得良好外形，但是需要注意采用良好的摆动技术，否则会导致焊缝金属的韧性降低。

应当指出采用自动埋弧焊接工艺时，焊缝外形与焊剂层关系密切。

如焊剂层太厚，将会造成不规则（ropey）焊接外形，焊剂层太窄时，将形成较窄的焊缝余高等。

2.7 脆性焊前预热和焊后加热常被用来消除焊接剩余应力和除氢，但是要谨慎地选择和确定加热程度。

碳钢和许多合金钢，在加热到一定极限温度区间时，缺口韧性要下降。

另外，在采用钨极氩弧焊工艺时，在某些情况下，例如焊接电流过大或钨极过尖，保护气体的氧气污染或钨极与熔池接触，此时电极的钨粒子可能进入焊缝金属中，钨粒子极脆，容易在应力作用下断裂，因而成为断裂根源。

2.8 未焊透和未熔合在电弧焊中不恰当的装配工艺、接头坡口设计不良和不佳的焊接工艺均会引起上述缺陷，这是一个急需注意的问题，因为它除导致有效横截面减少以外，在某些情况下还起到和尖锐裂纹相同的作用。

在焊接某些合金时，未焊透和未熔合可能由于接头上有氧化物层引起。

另外气体保护焊在短路过渡时，也极易产生未熔
合缺陷。

2.9 夹渣焊接工艺不佳造成。

另外在采用药芯焊丝时，固体熔渣层有时依附在焊缝金属，清理不够时，也有产生夹渣缺陷的倾向。

2.10 随意引弧和火焰挖眼、开孔它对许多金属是有害的，因而力求避免。

尤其对有淬硬倾向的金属随意引弧的弧坑，灼伤表面和随意火焰开孔均改变材料的热物理性能，降低基本金属力学性能，导致缺陷（特别是热裂纹和气孔）和造成产生裂纹的应力集中因素等，因而成为失效的根源。