鋼結構焊接施工中裂紋和氣孔的形成原因及預防措施

陳臨泉，劉余濤

中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710000

1 裂紋

它是焊接施工中比較普遍的而又十分嚴重的缺陷，它是在焊接應力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區域的金屬原子結合力遭到破壞而使焊接面產生裂紋，實質上，就是焊接后焊口在冷卻過程產生的熱應力超過材料強度所導致的裂紋。裂紋的分類：裂紋的分法多，按其產生溫度可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋。按部位可以分為縱裂紋、橫裂紋、根部裂紋、弧坑裂紋、熔合線裂紋等等。這里主要介紹一下冷裂紋和熱裂的產生、特點和預防。

1.1 熱、冷裂紋的產生原因

因為焊件及焊條內含硫、銅等低熔點雜質或多或少的存在，使得結晶凝固晚，凝固后的塑性和強度又極低。因此，在焊接熔池在結晶過程中存在偏析現象，偏析出的這些低熔點共晶和雜質，由于低熔點共晶熔點低，往往是最后結晶，在晶界以液態夾層的方式存在，這時，當外界結構約束應力足夠大和焊縫金屬的凝固收縮作用下，熔池中低熔點雜質在凝固過程中被拉開，被拉開的液態夾層產生的間隙己沒有足夠的低熔點液態金屬來填充形成了裂紋，或在是在凝固后不久被拉開，造成開裂，這就是熱裂紋產生的機理。

冷裂紋主要產生在中碳鋼、高碳鋼、低合金鋼和中合金高強度鋼中。產生冷裂的原因主要有三個方面：鋼的淬硬傾向，焊接應力，較多的氫的存在和聚集。許多情況下，氫是誘發冷裂紋最活躍因素之一。當焊縫中淬硬傾向和焊接應力過大，使熱影響區存在顯微缺陷時，氫會在這些缺陷處聚集，并由原子態轉為分子態，加上焊接應力的作用，使顯微缺陷擴大，從而形成冷裂紋。

1.2 熱裂紋的特征

熱裂紋多貫穿在焊縫表面，斷口有被氧化色彩，裂紋末端略呈圓形；多在焊縫中心位置，沿焊縫長度方向分布，極少數也產生在熱影響區；微觀特征一般是沿晶界開裂，故又稱之為晶間裂紋；在焊后立即可見，多可以用肉眼看見。

冷裂紋它是較低溫度產生的，（200℃～300℃以下）一般不可以用肉眼看到，要做著色才可以看到，冷裂紋斷面表面沒有氧化色彩。冷裂紋一般產生在熱影響區或焊縫與熱影響區的熔合線上，也有極少數產生在焊縫上。冷裂紋一般為穿晶裂紋，少數也有可能沿晶界發生。冷裂紋一般在焊后并不立即出現，而是在焊后幾小時、幾天甚至更長時間才出現。

1.3 裂紋的防止措施

熱裂紋的防止限制或減小硫、磷等有害元素的含量，用含碳量較低的焊條焊接。改善熔池的一次結晶，由于細化晶粒可以提高焊縫中的抗裂性，所以廣泛采用向焊縫中加入細化晶粒的元素，如鈦、鋁、鋯、硼、或稀土金屬鈰等。控制焊接工藝參數，適當提高焊縫成形系數，如采用多層多道焊，避免偏析的產生等；采用堿性焊條和焊劑，由于堿性焊條脫硫、磷效果好，抗熱裂紋的效果好，一般對于熱裂紋傾向較大的構件，一般都采用堿性焊條進行焊接。采用適當的斷弧方式，如埋弧焊采用斷弧板，焊條電弧焊采用斷弧焊或填滿弧坑的方法來防止熱裂紋的產生。合理選用焊接規范，嚴格控制焊接工藝參數，并采用預熱和后熱，減慢冷卻速度，適當提高焊縫形狀系數，盡可能采用小電流多層多道焊，以避免焊縫中心產生裂紋；采用熔深較淺的焊縫，改善散熱條件使低熔點物質上浮在焊縫表面而不存在于焊縫中；采用合理的裝配次序，減小焊接應力，降低殘余應力，避免應力集中。

冷裂紋的防止措施很多，常通過選用堿性低氫型焊條，減少焊縫中擴散氫的含量；嚴格遵守焊接材料（焊條、焊劑）的保管、烘焙、使用制度，焊條和焊劑應按規定烘干，隨用隨取，謹防受潮；保護氣體要控制其純度，嚴格清理焊條、焊件的油、銹、水分并控制焊接環境的濕度，從而減少氫的來源；改善焊縫金屬性能。如加入一些合金元素可以提高焊縫中的塑性。根據材料等級、碳當量、構件厚度、施焊環境等，正確的選擇焊接工藝參數和線能量，例如：采用焊前預熱，焊后緩冷，采取多層多道焊接，控制一定的層間溫度等，改善焊縫熱影響區的組織，去氫和消除焊接應力。焊后緊急熱處理，以去氫、消除內應力和淬硬組織回火，改善接頭韌性；采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，減少焊接變形和焊接應力。

2 氣孔

氣孔是焊接缺陷之一，對一般非壓力容器構件來說不認為是重要缺陷，往往被人們所忽視，但氣孔會降低焊接接頭的機械性能產生應力集中，它的存在減少了焊縫有效工作截面，降低了接頭的機械強度。嚴重時會造成脆性破壞影響產品質量。若是有穿透性或連續性氣孔存在，將會嚴重影響焊件的密封性。可是在鋼制結構的焊接中，若在幾米或十幾米乃至更長的焊縫上，要保證不出一個氣孔，只有通過采取采性氣體對焊縫正面形成良好保護，保證一次焊透，或采用帶背面止口的接頭形式，才可防止氣孔的產生。

2.1 氣孔的產生原因

焊縫內部易形成氣孔，主要原因是從熔池上方和熔池底部卷入空氣所致。具體的講，就是在鋼結構焊接施工中，由于焊件表面的油、污、銹、垢及氧化膜沒有清除干凈、焊條受潮或質量不好、焊炬擺幅快而大、焊接現場周圍風力較大、焊接速度過快、焊絲和母材的化學成分不匹配等諸多因素，造成焊縫金屬在高溫時，吸收了過多環境中的氣體（如O2、H2、N2）或由于溶池內部冶金反應產生的氣體（如CO），在溶池冷卻凝固時來不及排出，而在焊縫內部或表面形成孔穴。

2.2 氣孔的防止措施

在焊接施工中，如何控制好過多的環境氣體（如O2、H2、N2、）及時排除才是氣孔預防措施的關鍵之所在，下面逐一介紹各種有害氣體的來源、危害以及具體的控制措施。

2.2.1 氧在焊縫中的作用

氧主要來源于焊接區電弧中的氧化性氣體（如CO2、O2、H2O等）、焊劑、藥皮中的水分和焊件表面的鐵銹、水分。氧對焊縫質量的影響較大，它能加速焊縫中有益元素的燒損而使焊縫的強度、塑性、沖擊韌性降低和焊縫的物理性能和化學性能，如導電性、導磁性和抗腐蝕性等。O2與H2、C反應易形成不溶于金屬的氣體，若結晶時來不及逸出焊縫就形成氣孔。氧氣孔主要發生在碳鋼焊縫中，一般情況下存在于焊縫的內部，氣孔沿結晶方向分布，呈條狀或不規則形狀，表面光滑。具體控制措施有：加強保護，如采用短弧焊，選用合適的氣體流量，防止空氣入侵，清理焊件表面的水分、油污、鐵銹，按規定烘干焊條、焊劑等焊接材料，對焊縫采用一定的脫氧措施。如采用含脫氧元素較高的焊條、焊劑。

2.2.2 氫對焊縫的作用

氫的來源：焊縫中的氫主要來自受潮的藥皮或焊劑中水分、焊條、焊劑中的有機物、空氣中的水分、焊件表面的鐵銹、油脂及油漆。氫對焊縫的影響主要是形成氣孔，焊縫中飽和的氫來不及逸出焊縫時，就形成了氣孔；產生氫白點和氫脆。在焊接碳鋼和低合金鋼時，氫氣孔主要出現在焊縫表面，以單個出現，在返修磨刨時明顯感覺很深，氣孔內壁光滑，焊接鋁、鎂等有色金屬時，主要了產生在焊縫的內部，這是氫氣孔在焊縫中的特征，它也是產生冷裂紋的主要原因之一。控制氫的措施主要有：清理焊件及焊絲表面的油污，鐵銹、水分。焊前按規定烘烤焊條、焊劑。氣體保護焊對氣體進行去水分、干燥處理。盡量選用低氫型焊條，焊接時采用直流反接、短弧操場作。對焊縫進行消氫處理，如焊前預熱，焊后緩冷。

2.2.3 氮對焊縫的作用

熔池中的氮主要來自空氣中，氮對焊縫質量的影響主要是導致焊縫中飽和的氮來不及逸出焊縫時而形成氣孔，同時也影響焊縫的力學性能。其特征是一般發生有焊縫的表面（多層焊在每層的表面）成堆、蜂窩狀出現，焊條電弧焊一般在接頭引弧處出現較多，也是生產中常見的氣孔。控制氮的措施主要有清理焊件及焊絲表面的油污、鐵銹、水分，焊前按規定烘烤焊條、焊劑，氣體保護焊對保護氣體進行去水分、干燥處理，氣體純度要達到要求，有風時要有防風措施，不得使用藥皮開裂、藥皮脫落、變質、偏心或生銹的焊條，選用合適的焊接工藝參數，堿性焊條時要采用短弧焊，電流采用直反接等。

3 結論

綜上所述：鋼結構焊接施工中，裂紋和氣孔缺陷均會導致焊縫出現應力集中，縮短使用壽命，造成脆裂降低結構斷面尺寸，影響焊縫的力學性能危及安全。因此，在重要乃至關鍵部位的鋼結構制作安裝中，必須加強焊接工作中裂紋及氣孔缺陷的數量控制，遵守焊接規范，嚴格施工工藝，保證焊縫質量，避免危及到結構穩定和人民生命財產的事故發生。

[1]鄧文英主編金屬工藝學（上下）[M].3版.高等教育出版社，1994，3.

[2]陳云祥主編焊接工藝（焊接專業）[M].機械工業出版社，2004，3.