焊接缺陷及其防护
焊接过程中，由于多种原因，往往在焊接接头产生焊接缺陷，这是人们所不希望的。了解焊接缺陷的特征和它的产生原因，对采取相应的预防措施和处理方法，提高焊接质量是十分有益的。
第一节 焊接缺陷的种类
焊接的常见缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、气孔、夹渣和表面缺陷等。 一 裂纹
裂纹是带有锐利尖角缺口的缺陷。在所有焊接缺陷中它是最严重的。通常分为三大类：热裂纹、冷裂纹、和再热裂纹。
1 热裂纹
热裂纹是指金属在高温下（从凝固温度范围附近至A，以上）所产生的裂纹，有时又称高温裂纹。
（1） 形态与特征
热裂纹多半发生在焊缝中，也有出现在热影响区，常见热裂纹的发生部位和形态如图1所示。
热裂纹的微观特征一般是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。当裂纹与外界空气相通时，沿裂纹的折断口表面呈蓝灰的氧化色，有的焊接表面的宏观热裂纹内部充满熔渣。
（2） 产生的原因
焊接时，熔池的冷却是相当快的，因此焊缝金属如在结晶时化学成分来不及均匀化，容易造成严重的晶内偏析和晶间偏析。偏析的结果是低熔点的共晶物质在结晶的过程中以液态间层形式存在，最后凝固在晶界上。这种低熔点杂质在高温时强度很低，抵制不了焊接过程中的拉伸应力，其液态间层被拉开而形成裂纹。
（3）防止措施
预防热裂纹产生的措施有六个主要方面： ① 选择偏析元素和有害杂质含量低的钢材和焊接材料，特别是要求含碳、硫、磷量低。
② 调节焊缝金属的化学成分、改善焊缝金属的化学成分、改善焊缝组织、细化焊缝晶粒，以提高焊缝金属的塑性。减少或分散偏析程度，控制低熔点共晶物质的有害影响。例如，焊接奥氏体不锈钢，选用奥氏体加铁素体的双相组织焊缝可以提高焊缝的抗热裂纹性能。
③ 改善工艺因素，控制焊接规范，适当提高焊缝的形状系数。例如，采用多层多道焊法可以避免焊缝中心的偏析；宽而浅的焊缝有利于低熔点共晶杂质渗入到熔渣中，从而避免热裂纹产生的可能性。
④ 操作时采用收弧板，逐渐断弧、衰减焊接电流等，将弧坑填满，预防弧坑裂纹。 ⑤ 避免产生应力集中的焊接缺陷，如未焊透、夹渣等。 ⑥ 采用各种降低焊接应力的工艺措施，尤其是预热和焊后热处理。 2 冷裂纹
冷裂纹是指在焊后（A3以下温度）冷却过程中产生的裂纹。这种裂纹常在焊后一段时间发生，所以也称延迟裂纹。
冷裂纹一般有焊层下裂纹、焊趾裂纹和焊根裂纹三种，如图2所示。 （1） 形态与特征
冷裂纹是无分枝的裂纹形态，常为穿晶形的，但在不易淬硬钢中存在混合组织时，有时也呈现为晶间型裂纹。
（2） 产生的原因
冷裂纹产生的机理尚不十分清楚，但形成的基本条件的论点较为一致。即由于焊接接头形成的淬硬组织、扩散氢的存在和浓集、具有较大的焊接拉伸应力的三个因素的共同作用，可能导致冷裂纹的产生。焊趾裂纹和焊根裂纹完全是因缺口处高度应力集中而造成的，它们与氢的存在与含量无关。
（3） 防止措施
冷裂纹的预热措施主要根据它的形成条件来决定，基本有如下五个方面：
① 选用低氢型焊接材料和低氢型焊接方法，减少焊缝金属中的扩散氢含量。这种措施主要指采用低氢型焊接材料和使用前的烘干，以及焊丝与坡口的清理和氩弧焊的应用等。
② 选择合理的焊接规范。如焊前预热，控制层间温度和缓冷措施等，避免产生淬硬组织。
③ 焊后即时热处理。如即时低温退火、去氢处理、消除焊接残留应力，并使氢即时扩散到外界空气中。
④ 采用降低焊接残留应力的工艺措施。 ⑤ 操作时，加强焊接熔池的保护和被焊表面的清理，避免氢的侵入。 3 再热裂纹
再热裂纹指一些含钒、铬、钼、硼等多元合金高强钢或耐热钢，经受一次焊接热循环后，在再次热循环过程中（如消除应力退火、层多道焊、高温下工作等）焊接接头所产生的裂纹。
（1） 形态和特征
再裂纹起源于影响区的粗晶部位，具有晶界断裂的特征。 （2） 产生原因
再热裂纹产生机理还处于初级研究阶段，但一般认为：在再加热时，由于第一次热过程中过饱和固熔的碳化物再次析出，造成内强化，使滑移应变集中于奥氏体晶界。当晶界的塑性应变能力不足以承受松弛应力过程中所产生的应变时，就会产生再热裂纹。
（3） 防止措施
① 减少焊接残留应力和应力集中，如果提高预热温度、焊后缓冷、保证焊缝外形尺寸平缓过渡等。
② 在满足性能要求的前提下，选用强度等级稍低于母材的焊接材料，使焊接应力借助于焊缝金属的塑性储备得到松弛。 ③ 在保证室温强度性能的同时，提高消除应力的退火温度和在再热敏区的冷却速度，尽量时热处理工艺规范不在再热敏区停留。在可能满足焊缝综合性能时，还可取消焊后热处理工序。
二
未焊透及未熔合
未焊透及未熔合是金属之间未被焊接热能量充分熔化所造成的缺陷，根据产生的部位，它们的含义是有区别的。未焊透是指焊道根部未熔化的缺陷；未溶合是指坡口边缘及焊道层间的未熔化缺陷。
未熔化缺陷的产生主要有操作手法、对口准备和焊接规范三个方面的因素，使缺陷处的金属熔化热量不足。如在操作上：运条速度过快、焊条或焊炬角度不当、电弧偏吹、溶池与氧化物和溶渣分离不充分等；在对口上，间隙过小或钝边过大、焊接起始温度过低、焊件散热过快等；在焊接规范上：焊接电流或火焰的能率过小等等。
因此防止未熔化缺陷的措施就要从产生的原因入手，即控制接头的坡口尺寸，选择较大的焊接电流或火焰、减低焊接速度、调整焊条或焊炬的角度、采取预热措施等。
三
夹渣
所谓夹渣，即是焊缝金属中含有的非焊缝金属杂质物。
由于坡口角过小，熔渣粘度大，熔渣浮不出熔池表面残留在焊缝中，这是造成夹渣的基本原因。
在电弧焊和气电焊中，焊条药皮成块状脱落到熔池里，且未被充分熔化；钨极与焊丝或与熔池短路接触产生钨极烧损；多层多道焊层间清理不彻底；焊条、焊炬角度不当；横向摆动的两侧停留时间不够，气焊时，工件清理不周、火焰类型发生了变化，缺乏对熔池金属的搅拌等等，都会导致夹渣的产生。
防止产生夹渣的基本原则时：创造条件，使熔渣充分浮到熔池表面。首先注意减少夹渣的外来因素、对焊丝、坡口、层间清理应予以足够的重视。调整焊接电流或火焰大小、使熔池保持长时间的高温状态，熔渣就容易上浮。有规律地运条，搅拌熔池，使熔渣与熔池金属充分分离；保持正常的中性焰；氩弧焊时手法要稳，避免钨极短路等。
四
气孔
气孔是焊缝金属中具有一定形状（圆球、条状、椭圆体等）的孔洞性缺陷。根据气孔的部位可分为表面气孔和内部气孔两种；根据分布特征可分为单个气孔、连续气孔（链条式气孔）和密集气孔等多种。
气孔产生的基本原因是：由于焊接熔池在高温时含有过多的气体；在冷却时这些气体由于溶解度积聚下降，但又来不及逸出而造成的。
从操作工艺上考虑，其产生的原因如下：
手工电弧焊：使用的焊接电流过大，焊条发红，失去保护；焊条潮湿，碱性焊条操作电弧过长。氩弧焊：氩气的流量不足，手法不稳定，电弧忽长忽短；另外氩气含氧、氮过多，接头结构不合理等，引起氩气保护不良。气焊：火焰成分调整不准确；焊炬摆动幅度大、速度快；焊丝搅拌缓慢等，
排除气孔的方法如下：
1 不使用药皮开裂、剥落、变质、偏心和焊心锈蚀的焊条； 2 各类焊条、焊剂要按技术规定烘干； 3 破口及焊丝表面要彻底除去油锈污物；
4 选用合适的电流规范、焊接速度和电弧长度；
5 运条不宜太快，焊接施工要有屏风挡雨措施。如焊件尺寸过大或施焊环境温度过低应采取预热措施，适当增加熔池在高温的停留时间。
6 气焊时选用中性焰，并且在操作时加强熔池的搅拌。
7 氩弧焊时，使用纯度高的氩气，调整适度的氩气流量和钨极或熔化极的伸出长度，加强氩气的保护效果。
五
表面缺陷
表面缺陷是指在焊缝表面以肉眼可直接观察到的缺陷：如气孔（缩孔或砂眼）、表面裂纹、咬边、满溢（覆盖）、焊瘤、根部内凹（塌腰）、弧坑、烧焦（过烧）、电弧擦伤等。
1 咬边
咬边是焊缝两侧与基本金属交界的表面被烧熔后而未填满的凹槽。它可成点状、或长短不等的线状形态出现。
咬边的产生主要是操作工艺不恰当、焊接规范不合适。如手工电弧焊时，焊接电流过大；电弧拉得太长；焊条角度和运条手法没有使液态焊着金属铺开；焊接速度较快，使接头脱节等都可能产生咬边。气焊时火焰太大；焊炬倾角不当；焊炬与焊丝摆动手法不熟练等也形成咬边。手工钨极氩弧焊一次成型，或盖面时，焊炬倾角没有指向母材，焊丝在焊缝两侧填加量不足也会产生这种咬口缺陷。
因此，需在操作技术上，针对产生的原因，采取相应的措施，防止咬边缺陷的产生。 2 满溢（覆盖）
满溢是流敷（覆盖）在坡口两侧末熔化金属上的熔敷金属。满溢与焊瘤不同，形似类同，但实际上与基本金属没有熔合，是一种应注意的缺陷。
产生满溢的主要原因是坡口边缘附近的油污没有清理干净；电流过大或火焰能率过大，使焊条（焊丝）熔化过快，而基本金属却没有得到充分的熔化。要防止它的发生，就要彻底清理坡口边缘，焊接热能量不要太大。运条时，应控制焊条（焊丝）和熔池的熔化，尽量使基本金属能得到充分熔合。
3 焊瘤
把正常焊缝内表面上显得多余的金属凸出叫做焊瘤。焊瘤内部往往含有其他缺陷。 焊瘤是由于熔池温度过高，液态金属凝固较慢，在自重作用力下淌形成的。焊接电流偏大，或火焰能率过大，焊接速度太慢是造成熔池温度过高、液态金属在高温停留时间过长的基本原因。同时焊接位置不同，液态金属下淌的趋势也不同。立焊、横焊和仰焊操作时，如运条动作慢，就会明显地产生熔敷金属的下坠，下坠的金属冷却后就成为焊瘤。
为了防止焊瘤的产生，应注意熔池的控制，按不同焊接位置选择恰当的焊接规范。在坡口间隙处不宜停留得过长，焊接热能量不宜太大，立焊、横焊和仰焊比平焊尤要小一些。在焊件温度较高或接头处，运条手法要快，焊条（焊炬）角度应随位置作相应的变化。
4 根部内凹
根部内凹习惯称呼塌腰。这种缺陷在第一道焊缝得背面出现，它是低于基本金属表面的凹陷。仰焊焊缝这种缺陷最为显著。
在仰焊第一层施焊时，坡口根部母材金属虽被熔化，但熔池在高温时的表面张力很小，液态金属在自重作用下下坠，容易使焊道背面产生凹弧形的表面。如在气焊操作中，由于焊丝的伸入和火焰地吹力不足，则顶托力不够；在电弧焊操作中，焊条伸进坡口不够，或焊接电流过大，则下坠趋势较为严重；氩弧焊时，钨极和焊丝伸进坡口位置不恰当（偏下时），就会加剧内凹的形成。
防止或减少内凹地程度，应在操作工艺上采取措施。与防止焊瘤产生的基本原理一样，要防止液态金属的流淌，不同的是要使熔池金属顶入坡口根部的最深处。可选择较小的坡口和间隙，但钝边不宜过小（以防止未焊透为宜）；热源的能率不宜偏大；焊条、焊丝和钨极尽量伸入坡口根部；运条时要上顶，利用电弧或火焰的吹力托住熔池金属，并应快速运条，加速熔池冷却，缩短液态金属的下淌时间。
5 弧坑
弧坑是操作过程中（尤其是停弧时）在焊道表面所留下的凹陷。这种凹陷常伴随着裂纹、缩孔、夹渣等缺陷，因此是一种非常有害的焊接缺陷。
产生弧坑的主要原因在于停弧或收尾时没有填满熔坑。因此按照收弧和接头的操作要领进行施焊，才能防止弧坑缺陷的形成。
手工电弧焊的要领之一是转移法：即将电弧逐渐引向坡口的斜前方，同时慢慢抬高焊条，或者使焊接电流逐步衰减，使熔池缩小；要领之二是叠堆法：即在熔坑处以灭弧法连续焊接，或横向摆动点焊，使熔池填满，然后将电弧引向坡口一侧收弧。气焊收尾法是在收尾处多停留时间，一方面加快填丝，一方面提高火焰与熔池表面的距离，待填满熔坑后，再将火焰脱离收尾处。
氩弧焊收尾方法，这里不单独讲解。 6 电弧擦伤
焊件表面留下地电弧疤痕叫做电弧擦伤。这种缺陷是由于偶然不慎、或工艺粗糙，随便引弧；或把线与工件接触引起短路电弧而造成的。电弧擦伤与其他焊接缺陷一样，应该引起施工中的注意。
电弧擦伤处，由于冷却速度快，硬度较高，具有脆性破坏的作用，尤其在易淬火或低温钢中，它可能形成裂纹，成为发生脆性破坏的根源。
防止电弧擦伤缺陷的重要措施是：在施工中要养成良好的工艺作风，经常检查地线、把线与焊件的接触情况，采取绝缘包扎的措施，不使焊件接触把线，确保地线接触良好。操作时，不要在坡口以外的焊件表面上引弧、试电流等等。
7 过烧
过烧常称烧焦。在焊道金属中，或在焊缝表面上，发黑发渣的金属即为过烧。它是焊缝金属受长时间的焊接高温作用，晶粒长大，晶粒边界强烈氧化的结果。这种缺陷一般发生在气焊和氩弧焊打底的焊道上。
过烧的金属脆化倾向严重，一旦产生，无法修正，发现后必须铲除。
防止过烧的方法随焊接方法不同而不同。在气焊操作时，根据工件厚度选用恰当的焊嘴，使用中性焰，焊速以快为宜，焊道厚度以薄为好，避免焊缝在高温下停留的时间过长；在氩弧焊接操作时，在管内充氩，加强焊接过程中的气体保护；与氩弧焊打底焊道相接的电焊填充层（尤以
一、二层焊道）宜选用小焊条、小规范进行施焊。
8 焊缝外形尺寸不符合要求
焊缝外形尺寸不符合要求的原因是工艺技术不高和不作认真检查，因此需要在提高技艺的基础下，养成注意焊缝成形的良好作风，加强焊后自检工作。
第二节 焊接缺陷的危害
焊接缺陷种类不同，其危害程度是有区别的。凡是有尖角缺口的缺陷危害性最大，特别是裂纹，次之如未焊透等。所以在许多规程中，将它们限定在严格的范围中。对重要构件裂纹是根本不允许的。无尖角缺口或尖角缺口敏感性小的缺陷危害性小些，如气孔、局部夹渣及一些表面缺陷，在一定条件下或范围内是可以允许的。但是无论哪种缺陷都是不希望具有的，因为它们都有一定的危害性。
1 直接危害——爆管与脆性断裂：
脆性断裂属一种低应力破坏，是结构在无塑性变形的情况下产生的快速突发性的断裂现象。这种断裂总是从焊接接头缺陷开始的。当缺陷超标，如有裂纹等严重缺陷、压力容器及其管道在水压试验或机组试运中，可能引起泄露、脆性断裂，甚至发生爆管，造成停机停炉的巨大经济损失。
2 降低焊缝强度：
缺陷在焊缝中占有一定的体积，它的存在减小了焊缝的有效截面，降低了焊缝的承载能力。缺陷越大，这种影响越严重。往往因焊接缺陷的截面尺寸过大，使焊接部件发生断裂事故也屡见不鲜的。
3 引起应力集中：
焊接接头中的应力分布十分复杂。凡是结构截面有突变的部位，应力分布就很不均匀。焊接缺陷造至截面尺寸变化，特别是裂纹、未焊透及其它带有尖角的夹渣等，在外力的作用下，将产生很大的应力集中，可能使某点的应力峰值高出平均应力许多。当应力超过缺陷前沿金属的断裂强度时，就会引起开裂。接着开裂的端部又产生应力集中，依次继续使缺陷不断扩展，直至构件破坏。
4 缩短构件使用寿命
锅炉和压力容器以及汽机的高压缸等在运行过程中，承受着低周脉动载荷和蠕变应力。当这些部件存在着焊接缺陷时，对承受疲劳应力的能力和蠕变性能都有影响，将会缩短构件的使用寿命。
第三节 焊接缺陷的返修
手工操作的焊接，往往会出现这种或那种焊接缺陷。凡超标的缺陷均须通过返修予以消除，返修时的工艺、返修焊缝的质量要求是十分严格的。
安装现场对于超标焊口原则上割去重焊，对于个别操作不便的不合格小径管焊口，或大径管焊口的局部超标缺陷才结合具体情况挖补返修。但是同一部位不得进行多次挖焊，因为每一次补焊，焊接接头的材料塑性储备会有一定的消耗。多次补焊后，接头的综合机械性能将显著下降。所以补焊应争取一次成功。
一
补焊方案的确定
这里主要讲述补焊方法和补焊工艺的制定原则。选择补焊方法的主要根据是缺陷的几何尺寸和分布的疏密程度、补焊坡口的尺寸、工件的厚薄及补焊时操作位置等一系列因素。补焊工艺的制定主要包括如何补法、工艺要点和注意事项等。
补焊方法一般以手工电弧焊为主，它适用各种复杂的补焊坡口、各种焊接位置及各种材料。钨极氩弧焊由于生产率低，所以应用于补焊上不多。但当补焊工作量小、材料冷裂纹敏感性较大、焊后不希望作热处理的场合下，采用填加焊丝的钨极氩弧焊会达到预期效果；对穿透性缺陷的补焊，作为打底层也往往使用氩弧焊法；薄件的补焊以氩弧焊也适宜。
如何补法，根据缺陷性质可按如下具体情况考虑：
1 缺陷尺寸不大、补焊处数量不多、间距又较大，则一般用单个坡口逐一分别补焊。 2 需补焊的部位为数处，且它们的间距又较小（小于20~30毫米），为不使两坡口中间金属受补焊应力——应变过程的影响，可将诸缺陷挖凿成一个坡口，连接起来进行补焊。
3 缺陷有好几个，且大小不
一、分布不均匀，挖成的补焊坡口形状不规则，可能局部很深或很宽。在这种情况下补焊的次序应是：先将深处补妥，使该处
同其他部位坡口一样平齐；或者先在坡口宽的部位补焊，使整条补焊坡口宽度趋于均匀，然后将整条坡口补焊妥当。
4 在大管径的环焊缝中，对多而长的缺陷，挖制的坡口已占环焊缝周长的大部分时，宜将无缺陷部位的焊缝金属也去除，使之成为全周型的补焊坡口。这种做法可使焊接应力均匀，防止局部补焊产生过大的挠曲变形。
补焊时，也应先补坡口较深或较宽相处，达到基本规定时，再焊圆周焊缝。
补焊工艺包括：补焊坡口的挖制、补焊方法的选择、焊接材料的选择、预热、后热及层间温度的控制、焊后热处理
