整體式焊接車架焊接裂紋產生的原因分析

毛秋英，孫金輝，張 光，王 力

（泰安航天特種車有限公司，山東泰安271000）

整體式焊接車架焊接裂紋產生的原因分析

毛秋英，孫金輝，張 光，王 力

（泰安航天特種車有限公司，山東泰安271000）

針對整體式焊接車架在焊接過程中出現的裂紋，從人員、設備、材料、工藝和環境五大因素逐一分析，找出導致焊接裂紋產生的要因和非要因，發現焊絲質量欠佳是導致該底盤車架產生焊接裂紋的重要原因。焊絲成分中Mn含量偏低，導致焊接過程中脫氧不足；焊絲退火不均勻造成焊接飛濺大，降低氣體保護作用，增大氣孔產生幾率；焊接時脫氧不足和氣體保護作用不佳共同導致了焊接裂紋的產生。

車架焊接；焊接裂紋；700 MPa級低合金鋼焊絲

0 前言

焊接裂紋是焊接結構中危險性較大的焊接缺欠，直接影響產品質量，甚至引起突發事故。在焊接結構發生的事故中，除少數是因設計不當和產品運行不規范造成，絕大多數是由焊接裂紋導致[1]。焊接生產中由于鋼種和結構的類型不同，可能出現各種裂紋，焊接裂紋產生的條件和原因也各不相同。有些裂紋在焊后立即產生，有些在焊后延續一段時間才發生，有的在一定外界條件誘發下才產生。焊接裂紋既出現在焊縫和熱影響區表面，也可能產生在其內部。

1 車架底盤焊接裂紋

圖1、圖2為實際生產中整體式焊接車架出現的焊接裂紋，裂紋均沿焊縫軸線方向，為縱向裂紋。使用手電筒、10倍放大鏡、鋼卷尺（5 m）對焊接裂紋進行外觀檢查，用電動磨光機打磨焊縫后觀察裂紋內部情況。圖1為焊接完成后立馬出現的焊接裂紋，裂紋位于焊縫中心，焊縫表面的裂紋處有光亮的氧化色彩，初步判定為熱裂紋。圖1中焊縫長200 mm，裂紋長度約130mm，大于焊縫長度的50％，為嚴重的焊接缺陷，必須打磨后重焊。由圖1b可見，經打磨后發現焊縫中間存在較多氣孔，裂紋穿過大部分氣孔，少數氣孔位于裂紋附近。

圖1 位于焊縫中心的焊接裂紋

圖2中的焊縫全長400 mm，裂紋長約120 mm，占焊縫長度的30％，需要打磨重焊。裂紋位于熔合區附近，打磨后可見裂紋的一端有一個尺寸較大的氣孔（實測直徑3 mm，氣孔深度目測＞2 mm），此裂紋不是焊后立即出現的，初步判定為焊接冷裂紋。若要精確定義裂紋的類型，需要對裂紋進行微觀分析（穿晶、沿晶或混合型斷裂以及裂紋源等），由于無法從焊接結構中截取試樣，只能從影響裂紋產生的幾個外在因素進行分析。

圖2 位于熔合區的焊接裂紋

2 焊接裂紋產生的原因

綜合考慮所有可能導致焊接裂紋產生的因素（包括焊接人員、焊接設備、焊接工藝、焊接材料、施焊環境），進行分析和相應試驗，確認導致焊接裂紋產生的要因，進一步驗證并提出防止問題再次發生的有效措施。

2.1 人員、設備和工藝情況確認

參與該車架焊接的人員均取得了電焊工技師職業資格證書，具有多年的焊接經驗，曾參與多種型號車架的焊接，具備良好的焊接技術。焊接時所用設備為YD-500FR氣體保護焊機，通過現場焊接發現設備性能穩定。該車架工藝已經定型，不是首次焊接。在首次焊接時已通過焊接技藝評定試驗確定了焊接參數，評定試樣達到了一級焊縫要求，焊接接頭各項力學性能均滿足要求。焊接人員在焊接過程中嚴格按照工藝規范執行，進行焊前清理，多層焊時，每一層焊后進行清理，并按照工藝要求的焊接參數進行焊接。沒有不利外在因素存在時，一般不會出現焊接裂紋；同時結合車間焊接人員的反饋，本批次焊絲在焊接時飛濺大、焊縫成形性不佳、焊縫表面發黑，重點對本批次的焊絲質量進行試驗和分析。

2.2 焊絲質量確認

焊絲質量對焊縫成形性、焊縫金屬成分、焊縫力學性能有重要的影響。焊絲的化學成分通過焊接冶金反應過渡到焊縫中，成為焊縫金屬的重要組成部分，進而影響焊縫的組織和性能。焊絲的殘余應力消除、表面鍍銅情況則直接影響焊接送絲的均勻性，進而影響焊接電弧的穩定性[2]。該底盤車架焊接母材為700MPa級鋼板，焊絲為φ1.2mm的700MPa級低合金鋼焊絲，屬于等強匹配。

2.2.1 焊絲成分

低合金鋼焊絲中Mn、Si為重要的脫氧元素，也起到增加焊縫強度的作用；V、Ti作為焊縫金屬的重要合金成分，具有細晶強化和沉淀強化的作用；Ni元素可以提高焊接接頭的低溫沖擊韌性。對公司20140905入廠的本批次及上批次700 MPa級低合金鋼焊絲進行成分測定，按照GB/T 25777-2010《焊接材料熔敷金屬化學分析試樣制備方法》制備焊絲熔敷成分測定試樣，如圖3所示。

采用移動式電火花光譜儀PMI-MASTER進行測試，每個試樣測試兩點得出平均值，結果如表1

所示。該焊絲的化學成分及性能均無相應國家標準，因此采用焊絲生產企業的標準（涉及焊絲生產企業的技術信息，只列出標準中的部分元素）。企業標準所給焊絲成分是通過測定拉拔前的鋼絲盤獲得，在此測定的是焊絲熔敷金屬的化學成分。在焊絲熔敷過程中，C、Mn、Si元素會有一定程度的燒損，由于稀釋作用，Mo、Ni元素的濃度也略微降低，因此用熔敷金屬測定的這幾種元素含量比焊絲成分低，而其他元素基本沒有變化。

圖3 焊絲熔敷金屬成分測定的試樣

表1中的本批次為車間焊接人員反映焊接效果不佳的焊絲，上批次為之前使用的焊絲。本批次焊絲除Si、Mn兩種元素外，其他元素含量均在企業標準要求的范圍內；由表1可知，本批次焊絲的Si、Mn元素含量低于上批次焊絲。CO2氣體保護焊時，焊絲中Mn、Si元素的最大燒損量約40％，公司焊接采用的富氬氣體保護焊（φ（Ar）80％+φ（CO2）20％），熔敷金屬化學成分與焊絲化學成分差別不大。按照40％的燒損補償計算，本批次焊絲的Mn含量仍低于企業標準的下限值，其他元素則符合要求，由此可以確定本批次焊絲的Mn含量不達標。

表1 焊絲化學成分測定結果％

本批次焊絲的Mn含量偏低，在焊接過程中導致脫氧能力降低，增加焊縫產生氣孔的概率。焊縫中的氣孔會造成應力集中從而誘發裂紋，降低焊接接頭的力學性能，破壞焊縫的氣密性。該車架的兩條焊接裂紋中均有氣孔，這與焊絲中Mn元素含量偏低有關。具體分析如下：①MAG焊時，CO2在電弧作用下分解：2CO2→2CO+O2，生成氣體具有強烈的氧化性。②焊絲中脫氧元素不足時，就會發生Fe的氧化反應：[Fe]+CO2=CO+FeO。③熔滴金屬與熔池金屬由于增加FeO，會發生碳的氧化：[FeO]+ [C]=CO↑+[Fe]，創造了生成氣孔的條件[3]。為了防止生成CO，焊絲或熔敷金屬中應有足夠的脫氧元素Mn、Si等。

2.2.2 焊絲表面質量

熱處理和鍍銅是焊絲制備的關鍵工藝，嚴重影響焊絲成品的質量。盤條經過反復拉拔會導致金屬出現加工硬化，所以通過熱處理（退火工藝）來促使組織均勻、消除內應力、降低硬度[4]。焊絲鍍銅的主要目的則是提高焊絲導電性，增加潤滑性，保證焊接送絲的穩定性[5]。圖4為該焊絲鍍銅質量的檢測，通過纏繞焊絲，焊絲斷裂呈現枝杈狀，表明焊絲在制造過程中退火不均勻。焊絲退火不均勻、存在殘余應力，導致焊接過程中送絲不均勻，影響電弧的穩定性，增大焊接飛濺。本批次焊絲焊接飛濺大、焊縫表面發黑的情況與焊絲退火不均勻有直接關系，焊接飛濺大導致氣體保護作用減弱，外界空氣混入，從而增加了焊縫中氣孔產生的概率。

綜上可知，焊接時脫氧不足和氣體保護作用不佳，導致熔池中含有較多CO、N2、H2氣體，熔池凝固時氣體沒有及時逸出，就殘留在焊縫中形成氣孔。圖1所示的焊接裂紋中的氣孔數量較多，沿裂紋成串分布，氣孔處容易產生應力集中，促使裂紋產生，較多氣孔連接在一起加速裂紋的擴展。影響焊接冷裂紋產生的三大因素是鋼材的淬硬傾向、擴散氫、焊接接頭的拘束應力。首先，熔合區容易產生粗大的馬氏體淬硬組織；其次，氫在鐵素體、奧氏體中的溶解度和擴散速度不同，熔合區組織的變化容易形成氫聚集；所以在熔合區附近比較容易產生冷裂紋[5]。當熔合區存在微觀缺欠（如氣孔）時，氫就會在缺欠處聚集擴散，直至形成宏觀裂紋。圖2所示的熔合區焊接裂紋中的大氣孔，為氫聚集提供了有利條件，在其他影響因素的共同作用下，導致裂紋產生。

經過與該焊絲生產企業溝通獲知，本批次焊絲所使用的鋼絲盤廠家與上批次不同。不同企業生產

相同強度級別的鋼絲盤，其成分和性能也有差異。鋼絲盤作為焊絲制作的原材料，后續需要經過多道次的拉拔，既要具有較低的抗拉強度、較高的韌性，又要保證焊縫的質量，因此需要嚴格控制其化學成分和力學性能。焊絲生產企業應采購成分和性能穩定的鋼絲盤，才能保證焊絲成分和性能的穩定。為防止后續再出現焊絲質量問題，編制了700 MPa級低合金鋼焊絲專用的材料規范及焊材入廠檢驗規范，并對本批次焊絲施焊的所有車架進行焊縫外觀質量復查。

圖4 焊絲鍍銅質量簡單檢測

2.3 保護氣體質量確認

該車架焊接所用氣體為管道混合氣φ（Ar）80％ +φ（CO2）20％，高壓儲氣罐中Ar純度為99.999％，CO2純度為99.9％，氣體純度符合焊接工藝要求。Ar和CO2經配比器混合后，進入氣體輸送管道。配比后CO2的體積分數為20％，如圖5a所示。公司設備維修人員每天巡查高壓儲氣罐中氣體壓力、配比器中各氣體壓力和配比濃度，保證混合氣中各氣體所占比例的穩定。

圖5 配比器中氣體壓力和配比濃度

為進一步確定焊接裂紋是否由管道混合氣質量不合格導致，本批次700 MPa級低合金鋼焊絲熔敷成分中Mn元素偏低是否由焊接使用的混合氣導致。采用管道混合氣和瓶裝混合氣φ（Ar）80％+φ（CO2）20％進行焊絲熔敷成分測定，使用合格焊絲即上批次焊絲，保證同一焊工在相同的焊接參數下焊接，測定的焊絲熔敷成分如表2所示。可見兩種情況下合金元素的成分均符合企業標準且成分差別不大，說明管道混合氣的質量合格，焊絲成分問題與所使用的混合氣無明確關系，因此，保護氣體與焊接裂紋無直接關系。

2.4 母材和施焊環境情況確認

根據公司規定，700 MPa級鋼板有入廠復驗程序，各項性能指標滿足要求后才允許使用。為進一步確認母材質量，查閱了該鋼板成分和力學性能入廠檢測記錄表，結果表明均符合標準要求。該鋼板為低碳微合金的焊接高強鋼，材料的抗拉強度大于685 MPa。為了提高鋼的綜合性能，鋼中加入了多種合金元素，如Mo、Cr、Ni、V、Ti等。隨合金元素的

增加，材料的碳當量增加，材料產生焊接冷裂紋的敏感性提高。冬季施焊環境溫度低，也會導致焊接冷裂紋的產生。工藝要求環境溫度低于0℃，濕度大于50％時，需要進行焊前預熱。該車架焊接時的平均溫度為15℃，平均濕度為27％，施焊環境并不苛刻。施焊環境更苛刻的情況下焊接的該車架并未出現焊接裂紋，可以排除焊接母材和施焊環境對焊接裂紋的影響。

表2 不同氣體焊接下焊絲熔敷成分測定結果％

3 結論

（1）整體式焊接車架出現的兩條焊接裂紋長度均大于焊縫長度的25％，為嚴重焊接缺陷，需要打磨重焊。焊縫中存在的大量氣孔，是促使焊接裂紋產生的重要因素。

（2）焊接設備、工藝、母材及保護氣等不是影響焊接裂紋產生的要因，本批次700 MPa級低合金鋼焊絲質量欠佳是導致焊接裂紋產生的要因。本批次700 MPa級低合金鋼焊絲成分中Mn含量偏低，導致脫氧不足；焊絲退火不均勻，造成焊接飛濺大，降低氣體保護作用，增大氣孔產生幾率。焊接時脫氧不足和氣體保護作用不佳是促使焊接裂紋產生的直接原因。

（3）為保證公司采購的焊絲能夠滿足產品的焊接質量要求，公司針對700 MPa級低合金鋼焊絲編制了專用的材料規范及焊材入廠檢驗規范。

[1]趙強．金屬熔焊原理[M]．北京：北京理工大學出版社，2012：119-120．

[2]朱樹清．CO2氣保焊絲送絲不均勻原因分析[J]．金屬制品，2000，26（1）：19-21．

[3]李亞江．焊接缺陷分析與對策[M]．北京：化學工業出版社，2011：89-93．

[4]喻蘭英，羅宏，羅昌森．實芯焊絲拉拔過程中的熱處理工藝介紹[J]．大型鑄鍛件，2010（3）：46-47．

[5]張文鉞．焊接冶金學（基本原理）[M]．北京：機械工業出版社，1999：237-264．

Analysis on welding cracks in the integral welded automotive chassis

MAO Qiuying，SUN Jinhui，ZHANG Guang，WANG li
（Taian Areospace Special Vehicle Co.，Ltd，Taian 271000，China）

In this paper，the cause of welding cracks in the integral welded automotive chassis was analyzed in five aspects：technician，equipment，material，process and condition.The main cause leading to welding cracks was found and further studied by experiment.It showed that the poor-quality of welding wire was the key factor to cause welding cracks.Firstly，the content of manganese in the welding wire was below the standard values，thus reduced the ability of weld metal deoxidation.Secondly，the increased weld spatter，caused by uneven annealing of welding wire，reduced the gas protection，enhanced stomatal occurrence probability.Insufficient deoxidation during weldingand poor gas protectingtogether would lead tothe weldingcracks.

welded automotive chassis；welding cracks；low-alloy welding wire of 700 MPa

TG441.7

A

1001－2303（2016）07－0067-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.16

2015-10-24

毛秋英（1987—），女，山東菏澤人，焊接工程師，碩士，主要從事特種車車架底盤和駕駛室焊接工藝的研究工作。