焊接缺陷及预防措施
王露露
（延安职业技术学院，陕西 延安 717100）
摘要：焊接缺陷的产生过程是十分复杂的，既有冶金的原因，也受到应力和变形的，缺陷对焊接结构承载能力有非常显著影响，更为重要的是应力和变形与缺陷同时存在。焊接缺陷容易出现在焊缝及附近地区，而那些地方正是结构中拉伸残余应力最大的地方。焊接缺陷是平面的或是立体的，平面类型的缺陷比立体类型的缺陷对应力增加的影响大的多，因而也危险的多。为此，在分析焊接缺陷对结构产生影响的基础上，结合焊接实际提出了相应的预防措施。
关键词：焊接缺陷；气孔；裂纹；预防措施
焊接缺陷英文名welding defect，指焊接过程中在焊接接头中产生的未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、焊瘤、烧穿、偏析、未填满、焊接裂纹等金属不连续、不致密或连接不良的现象。
一、外观缺陷：
外观缺陷(表面缺陷)是指不用借助于仪器,从工件表面可以发现的缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等,有时还有表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透等。
二、内部缺陷
焊接的内部缺陷主要有气孔、夹渣、裂纹、未熔合等现象。
（一）气孔：
气孔是指焊接时,熔池中的气体未在金属凝固前逸出,残存于焊缝之中所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的,也可能是焊接冶金过程中反应生成的。
(1)气孔的分类气孔从其形状上分,有球状气孔、条虫状气孔;从数量上可分为单个气孔和群状气孔。群状气孔又有均匀分布气孔,密集状气孔和链状分布气孔之分。按气
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前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。
另外，氢是以离子形态溶解于熔池的。直流反极性时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子的数量。所以直流反极性时，焊缝中含氢量为正极性时的1/3～1/5，产生氢气孔的倾向也比正极性时小。
3、氮气孔
氮气的来源：一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。试验表明：在短路过渡时CO2气体中加入φ（N2）=3%的氮气，射流过渡时CO2气体中加入φ（N2）=4%的氮气，仍不会产生氮气孔。而正常气体中含氮气很少，φ（N2）≤1%。由上述可推断，由于CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大，焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。
造成保护气层失效的因素有：过小的CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。因此，适当增加CO2保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。
另外，工艺因素对气孔的产生也有影响。电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，就越可能产生气孔。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。焊接速度慢，熔池结晶也慢，气体容易逸出；焊接速度快，熔池结晶快，则气体不易排出，易产生气孔。
（二）裂纹：焊接件中最常见的一种严重缺陷。金属的焊接性中包括了两大类的问题：一类是焊接引起的材料性能变坏，使焊件失掉了材料原来特有的性能，如不锈钢焊后失掉其耐蚀性等；另一类是在焊接接头或其附近的母材内产生裂纹和气孔等缺陷.裂纹影响焊接件的安全使用，是一种非常危险的工艺缺陷。焊接裂纹不仅发生于焊接过程中，有的还有一定潜伏期，有的则产生于焊后的再次加热过程中。焊接裂纹根据其部位、尺寸、形成原因和机理的不同，可以有不同的分类方法。按裂纹形成的条件，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等四类。
热裂纹多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界分布的特征；但有时也能在低于固相线的温度下，沿“多边形化边界”形成。热裂纹通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属（母材）内。按其形成过程的特点，又可分为下述三种情况。
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在严重应力集中的焊件根部和缝边，以及过热区。防止的措施包括：①降低焊缝中的含氢量，例如采用低氢焊条，严格烘干焊接材料等；②合理的预热及后热；③选用碳当量较低的原材料；④减小拘束应力，避免应力集中。
变形裂纹这种裂纹的形成不一定是因为氢含量偏高，在多层焊或角焊缝产生应变集中的情况下，由于拉伸应变超过了金属塑性变形能力而产生。
（3）再热裂纹
产生于某些低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金焊后的再次高温加热过程中。其主要原因一般认为当焊后再次加热到 500～700℃时，在热影响区的过热区内,由于特殊碳化物析出引起的晶内二次强化，一些弱化晶界的微量元素的析出，以及使焊接应力松弛时的附加变形集中于晶界，而导致沿晶开裂。因此，这种裂纹具有晶间开裂的特征，并且都发生在有严重应力集中的热影响区的粗晶区内。为了防止这种裂纹的产生，首先在设计时要选择再热裂纹敏感性低的材料，其次从工艺上要尽量减少近缝区的内应力和应力集中问题。
（4）层状撕裂
主要产生于厚板角焊时，见附图。其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向塑性低于沿轧制方向，另外由于厚板角焊时在板厚方向造成了很大的焊接应力，所以引起层状撕裂。通常认为片状硫化物夹杂危害最大，而层状硅酸盐和过量密集的氧化铝夹杂物也有影响。防止这种缺陷，主要应在冶金过程中严格控制夹杂物的数量和分布状态。另外，改进接头设计和焊接工艺，也有一定的作用
裂纹的危害：
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c.再热裂纹为晶界开裂(沿晶开裂)。 d.最易产生于沉淀强化的钢种中。 e.与焊接残余应力有关。 (2)再热裂纹的产生机理
a.再热裂纹的产生机理有多种解释,其中模形开裂理论的解释如下:近缝区金属在高温热循环作用下,强化相碳化物(如碳化铁、碳化饥、碳化镜、碳化错等)沉积在晶内的位错区上,使晶内强化强度大大高于晶界强化,尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时, 阻碍晶粒内部的局部调整,又会阻碍晶粒的整体变形,这样,由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担,于是,晶界应力集中,就会产生裂纹,即所谓的模形开裂。
(3)再热裂纹的防止a.注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响。b.合理预热或采用后热,控制冷却速度。c.降低残余应力避免应力集中。d.回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区或缩短在此温度区内的停留时间。
冷裂纹：
(1)冷裂纹的特征 a.产生于较低温度,且产生于焊后一段时间以后,故又称延迟裂纹。b.主要产生于热影响区,也有发生在焊缝区的。c.冷裂纹可能是沿晶开裂,穿晶开裂或两者混合出现。d.冷裂纹引起的构件破坏是典型的脆断。
(2)冷裂纹产生机理a.瘁硬组织(马氏体)减小了金属的塑性储备。b.接头的残余应力使焊缝受拉。c.接头内有一定的含氢量。
含氢量和拉应力是冷裂纹(这里指氢致裂纹)产生的两个重要因素。一般来说,金属内部原子的排列并非完全有序的,而是有许多微观缺陷。在拉应力的作用下,氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,金属内就出现一些微观裂纹[3]。应力不断作用,氢不断地聚集,微观裂纹不断地扩展,直致发展为宏观裂纹,最后断裂。决定冷裂纹的产生与否,有一个临界的含氢量和一个临界的应力值o当接头内氢的浓度小于临界含氢量,或所受应力小于临界应力时,将不会产生冷裂纹(即延迟时间无限长)。在所有的裂纹中,冷裂纹的危害性最大。
(3)防止冷裂纹的措施 a.采用低氢型碱性焊条,严格烘干,在100~150℃下保存,随取随用。b.提高预热温度,采用后热措施,并保证层间温度不小于预热温度,选择合理的焊接规范,避免焊缝中出现洋硬组织c.选用合理的焊接顺序,减少焊接变形和焊接应力d.焊后及时进行消氢热处理。
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