焊接缺陷危害分析及其采取的工藝措施

孫浩

摘 要 本文系統地討論和分析了焊接缺陷的定義，分類，焊接工程中缺陷形成的一般條件，缺陷影響和缺陷修復。涉及焊接應力與變形、接頭性能變化（強韌性、疲勞強度、蠕變斷裂強度與耐蝕性等）、各類裂紋和氣孔等。重點分析了各種影響因素的作用，強調缺陷形成的有關基本概念。金屬構件如果存在焊接缺陷，將直接影響到產品的和性能.因此，采取措施，避免焊接缺陷。

關鍵詞 金屬構件 焊接缺陷 工藝措施

中圖分類號：TV547.6文獻標識碼：A

1焊接缺陷概述

1.1焊接缺陷定義

焊接過程中，在焊接接頭上產生的金屬不連續、不致密或鏈接不良的現象稱為焊接缺陷。焊接缺陷的產生原因十分復雜，既有冶金因素，也有工藝因素，還有應力因素。有時環境因素影響也很大。因此，焊接缺陷各種類較多。焊接檢測人員必須熟悉缺陷的種類、特征，才能及時發現缺陷，保證生產順利進行。

焊接缺陷基本上可以分為三類：

（1）尺寸上的缺陷：包括焊接結構的尺寸誤差和焊縫形狀不佳等。

（2）結構上的缺陷：包括氣孔、夾渣、非金屬夾渣物、融合不良、未焊透、咬邊、裂紋、表面缺陷等。

（3）性質上的缺陷：包括力學性能和化學性質等不能滿足焊件的使用要求的缺陷。力學的性能值的是抗拉強度、屈服點、伸長率、硬度、沖擊吸收功、塑性、疲勞強度、彎曲角度等。化學性質指的是化學成分和耐腐蝕性等。

1.2常見的焊接缺陷

（1）未焊透：母體金屬接頭處中間（X坡口）或根部（V、U坡口）的鈍邊未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。未焊透降低了焊接接頭的機械強度，在未焊透的缺口和端部會形成應力集中點，在焊接件承受載荷時容易導致開裂。

（2）未熔合：固體金屬與填充金屬之間（焊道與母材之間），或者填充金屬之間（多道焊時的焊道之間或焊層之間）局部未完全熔化結合，或者在點焊（電阻焊）時母材與母材之間未完全熔合在一起，有時也常伴有夾渣存在。

（3）氣孔：在熔化焊接過程中，焊縫金屬內的氣體或外界侵入的氣體在熔池金屬冷卻凝固前未來得及逸出而殘留在焊縫金屬內部或表面形成的空穴或孔隙，視其形態可分為單個氣孔、鏈狀氣孔、密集氣孔（包括蜂窩狀氣孔）等，特別是在電弧焊中，由于冶金過程進行時間很短，熔池金屬很快凝固，冶金過程中產生的氣體、液態金屬吸收的氣體，或者焊條的焊劑受潮而在高溫下分解產生氣體，甚至是焊接環境中的濕度太大也會在高溫下分解出氣體等等，這些氣體來不及析出時就會形成氣孔缺陷。盡管氣孔較之其它的缺陷其應力集中趨勢沒有那么大，但是它破壞了焊縫金屬的致密性，減少了焊縫金屬的有效截面積，從而導致焊縫的強度降低。

（4）夾渣與夾雜物：熔化焊接時的冶金反應產物，例如非金屬雜質（氧化物、硫化物等）以及熔渣，由于焊接時未能逸出，或者多道焊接時清渣不干凈，以至殘留在焊縫金屬內，稱為夾渣或夾雜物。視其形態可分為點狀和條狀，其外形通常是不規則的，其位置可能在焊縫與母材交界處，也可能存在于焊縫內。另外，在采用鎢極氬弧焊打底+手工電弧焊或者鎢極氬弧焊時，鎢極崩落的碎屑留在焊縫內則成為高密度夾雜物（俗稱夾鎢）。

（5）裂紋：焊縫裂紋是焊接過程中或焊接完成后在焊接區域中出現的金屬局部破裂的表現。焊縫金屬從熔化狀態到冷卻凝固的過程經過熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應力存在，而且顯微組織也有從高溫到低溫的相變過程而產生組織應力，更加上母材非焊接部位處于冷固態狀況，與焊接部位存在很大的溫差，從而產生熱應力等等，這些應力的共同作用一旦超過了材料的屈服極限，材料將發生塑性變形，超過材料的強度極限則導致開裂。裂紋的存在大大降低了焊接接頭的強度，并且焊縫裂紋的尖端也成為承載后的應力集中點，成為結構斷裂的起源。

裂紋可能發生在焊縫金屬內部或外部，或者在焊縫附近的母材熱影響區內，或者位于母材與焊縫交界處等等。根據焊接裂紋產生的時間和溫度的不同，可以把裂紋分為以下幾類：

熱裂紋（又稱結晶裂紋）：產生于焊縫形成后的冷卻結晶過程中，主要發生在晶界上，金相學中稱為沿晶裂紋，熱裂紋的成因與焊接時產生的偏析（低熔點共晶體）、冷熱不均以及焊條（填充金屬）或母材中的硫含量過高有關;

冷裂紋：焊接完成后冷卻到低溫或室溫時出現的裂紋，或者焊接完成后經過一段時間才出現的裂紋。其成因與焊道熱影響區的低塑性組織承受不了冷卻時體積變化及組織轉變產生的應力而開裂，以及焊條（填充金屬）或母材中的磷含量過高等因素有關;

再熱裂紋：焊接完成后，如果在一定溫度范圍內對焊件再次加熱時有可能產生的裂紋，其成因與顯微組織變化產生的應變有關。

（6）偏析：在焊接時因金屬熔化區域小、冷卻快，容易造成焊縫金屬化學成分分布不均勻，從而形成偏析缺陷，多為條狀或線狀并沿焊縫軸向分布。

（7）咬邊與燒穿：這類缺陷屬于焊縫的外部缺陷。當母體金屬熔化過度時造成的穿透（穿孔）即為燒穿。在母體與焊縫熔合線附近因為熔化過強也會造成熔敷金屬與母體金屬的過渡區形成凹陷，即是咬邊。根據咬邊處于焊縫的上下面，可分為外咬邊（在坡口開口大的一面）和內咬邊（在坡口底部一面）。咬邊也可以說是沿焊縫邊緣低于母材表面的凹槽狀缺陷。

（8）其他的焊縫外部缺陷還有：焊瘤：焊縫根部的局部突出，這是焊接時因液態金屬下墜形成的金屬瘤。焊瘤下常會有未焊透缺陷存在，這是必須注意的;內凹或下陷：焊縫根部向上收縮低于母材下表面時稱為內凹，焊縫蓋面低于母材上表面時稱為下陷;弧坑：電弧焊時在焊縫的末端（熄弧處）或焊條接續處（起弧處）低于焊道基體表面的凹坑，在這種凹坑中很容易產生氣孔和微裂紋;焊偏：在焊縫橫截面上顯示為焊道偏斜或扭曲;余高（也稱為焊冠、蓋面）過高：焊道蓋面層高出母材表面很多，一般焊接工藝對于余高的高度是有規定的，高出規定值后，加強高與母材的結合轉角很容易成為應力集中處，對結構承載不利。

以上的外部缺陷多容易使焊件承載后產生應力集中點，或者減小了焊縫的有效截面積而使得焊縫強度降低，因此在焊接工藝上一般都有明確的規定，并且常常采用目視檢查即可發現這些外部缺陷。

2焊接缺陷分析

2.1常見缺陷產生原因

（1）未焊透：①由于坡口角度小，鈍邊過大，裝配間隙小或錯口;所選用的焊條直徑過大，使熔敷金屬送不到根部。②焊接電流小，遠條角度不當或焊接電弧偏向坡口一側;氣焊時，火焰能率過小或焊速過快。③由于操作不當，使熔敷金屬未能送到預定位置，或者未能擊穿形成尺寸一定的熔孔。④用堿性低氫型焊條作打底焊時，在平焊接頭部位也容易產生未焊透。主要是由于接頭時熔池溫度低，或采用單點焊接法以及操作不當引起的。

（2）未熔合：①手工電弧焊時，由于運條角度不當或產生偏弧，電弧不能良好地加熱坡口兩側金屬，導致坡口面金屬未能充分熔化。②在焊接時由于上側坡口金屬熔化后產生下墜，影響下側坡口面金屬的加熱熔化，造成“冷接”。③橫接操作時，在上、下坡口面擊穿順序不對，未能先擊穿下坡口后擊穿上坡口，或者在上、下坡口面上擊穿熔孔位置未能錯開一定的距離，使上坡口熔化金屬下墜產生粘接，造成未熔合。④氣悍時火焰能率小，氬弧焊時電弧兩側坡口的加熱不均，或者坡口面存在污物等。

（3）焊瘤：①由于鈍邊薄，間隙大，擊穿熔孔尺寸大。②由于焊接電流過大擊穿焊接時電弧燃燒，加熱時間過長，造成熔池溫度增高，溶池體積增大，液態金屬因自身重力作用下墜而形成焊瘤，焊瘤大多存在于平焊、立焊速度過慢等。

（4）冷縮孔：①由于鈍邊厚，間隙小，擊穿熔孔尺寸小。②鐵水過渡到背面較少，冷卻后收縮，由于凝結過程是由外而內，造成中間鐵水不足形成孔穴。

（5）氣孔：①因熔池溫度低，熔池存在時間短，氣體未能在有效時間內逸出，這種情況主要與焊接規范等因素有關。②打底擊穿焊時，熔敷金屬給送的過多，使熔池液態金原較厚，滅弧停歇時間長，造成氣體難以全部逸出。③由于運條角度不適當，影響了電弧氣氛的保護用用，或操作不熟練，不穩以及沿熔池前六坡口間隙方向滅弧都會導致產生氣孔。④堿性低氫型焊條的藥皮比酸性的薄干燥溫度又高，因此藥皮較脆。采用撞擊法引弧很容易將焊條引弧端藥皮撞掉，使熔滴失去或減電弧氣氛以及熔溢的保護作用，引起焊縫產生氣孔，此外，在焊條引弧端的粘接處，也會產生密集的氣孔。⑤氣焊或氬弧焊時，由于焊口清理不干凈，有銹、油污等，同時操作時，焊接速度過快，焊絲和焊炬的角度，以及擺動不適當等也會產生氣孔。

（6）夾渣：①手工電弧焊時，由于運條角度，或操作不當，使熔渣和熔池金屬不能良好地分離。②由于焊條藥皮受潮;藥皮開裂或變質，藥皮或坡脫落進入熔池又未能充分熔化或反應不完全，使熔渣不能浮出熔池表面，而造成夾渣。③在中間焊層作填充焊時，由于前層焊道過渡不平調、高低、凹凸不均或焊道清渣不徹底，焊接時熔渣未能熔化浮出而形成層間夾渣。④氣焊時火焰能率太小或氬弧焊時規范不適當;以及焊絲焊炬角度不適當，焊絲擺動、攪拌熔池操作不當等。

（7）咬邊：①主要是焊接電流過大，電弧過長，遠條角度不適當等。②運條時，電弧在焊縫兩側停頓時間短，液態金屬未能填滿熔池，橫焊時電弧在上坡口面停頓的時間過長，以及運條、操作不正確也會造成咬邊。③氣焊時火焰能率過大，焊嘴傾斜角度不當，焊炬和焊絲擺動不適當等。

（8）背面凹陷：產生背面凹陷，一般在板狀試件的仰、橫焊位置和管狀試件的仰焊、仰立焊位置焊接時產生，其主要原因有：①間隙過大，鈍邊偏小，熔池體積較大，液態金屬因自重而產生下墜。②條直徑或焊接電流偏大，滅弧慢或連弧焊接，使熔池溫度增高，冷卻慢，導致熔池金屬重力增加而使表面張力減小。③焊條角度不當，減弱了電弧對熔池金屬的壓力，或焊條未運送至坡口根部。

（9）焊道背面成形不良，焊道背面除了可能產生凹陷外，還可能出現寬窄不勻、凹凸不平，甚至形成焊瘤或呈竹節形狀等。①擊穿兩側坡口面所形成的熔孔尺寸大小不均，或者擊穿焊接速度不均勻。②擊穿焊接時的電弧加熱時間，電弧穿透過背面的多少控制不均勻等。

（10）其它：

除以上缺陷外，氣焊時由于火焰能率過大，焊接速度慢或炬在某處停留時間長，以及火焰性質不適當等，都會引起焊縫金屬過熱或過燒。

過熱的特征是金屬表面變黑，并起氧化皮，金屬晶粒粗大，性能變脆，赤燒時，金屬晶粒粗大，晶粒表面被氧化而破壞了晶粒之間的連接，使金屬變脆，產生過燒缺陷時，必須將其鏟除重新焊接。

為防止過熱和過燒，應選用適宜的火焰能率，注意火焰性質，掌握好焊接速度，適時拍起火焰不使熔池溫度過高。

手工鎢極氬弧焊時，由于焊接電流過大，氬氣純度低對鎢極保護不良等造成鎢極燒損;操作中鎢極碰觸焊絲或熔池等，都會使鎢過渡到焊縫金屬內引起夾鎢缺陷，夾鎢會使焊縫性能變壞，焊接時也應防止產生夾鎢缺陷。

2.2常見焊接缺陷危害

焊縫缺陷是造成鍋爐、壓力容器失效和事故的主要原因，因此，必須對焊縫缺陷的危害性有充分的認識。

（1）焊縫弧坑缺陷對焊接接頭的強度和應力水平有不利的影響。焊瘤不僅影響了焊縫的外觀，而且也掩蓋了焊瘤處焊趾的質量情況，往往會在這個部位上出現未熔會缺陷。

（2）咬邊是一種危險性較大的外觀缺陷。它不但減少焊縫的承壓面積，而且在咬邊根部往往形成較尖銳的缺口，造成應力集中，很容易形成應力腐蝕裂紋和應力集中裂紋。因此，對咬邊有嚴格的限制。

（3）氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面。介質積存在孔穴內，當介質有腐蝕性時，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而泄漏。夾渣邊緣如果有尖銳形狀，還會在該處形成應力集中。

（4）未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是應力集中的地方，在交變載荷作用下很可能生成裂紋。

（5）裂紋是最尖銳的一種缺口，它的缺口根部曲率半徑接近于零。尖銳根部有明顯的應力集中，當應力水平超過尖銳根部的強度極限時，裂紋就會擴展，以至貫穿整個截面而造成鍋爐壓力容器失效。特別是當焊接接頭處于脆性狀態時，裂紋的擴展速度極快，造成脆性破裂事故。裂紋還會加劇疲勞破壞和應力腐蝕破壞。

2.3常見焊接缺陷防止措施

（1）未焊透：①選擇合適的坡口角度，裝配間隙及鈍邊尺寸并防止錯口。②選擇合適的焊接電源，焊條直徑，運條角度應適當;氣焊時選擇合適的火焰能率。如果焊條藥皮厚度不均產生偏弧時，應及時更換。③掌握正確的焊接操作方法，對手工電弧焊的運條和氣焊，氬弧焊絲的送進應穩，準確，熟練地擊穿尺寸適宜的熔孔，應把熔敷金屬送至坡口根部。④如果將接頭處鏟成緩坡狀，效果更好。

（2）未熔合：①選擇適宜的運條角度，焊接電弧偏弧時應及時更換焊條。②操作時注意觀察坡口兩側金屬熔化情況，使之熔合良好。③橫焊操作時，掌握好上、下坡口面的擊穿順序和保持適宜的熔孔位置和尺寸大小，氣焊和氬弧悍時，焊絲的送進應熟練地從熔孔上坡口拉到下坡口。

（3）焊瘤：①選擇適宜的鈍邊尺寸和裝配間隙，控制熔孔大小并均勻一致，一般熔孔直徑為0.8～1.25倍的焊條直徑，平焊打底焊時不應出現可見的熔孔，否則背面會形成焊瘤。②選擇合理的焊接規范，擊穿焊接電弧加熱時間不可過長，操作應熟練自如，運條角度適當。③氣焊時焊絲角度、送絲速度及其擺動應適當，可利用氣體火焰的壓力來控制鐵水的溢出。

（4）冷縮孔：為防止冷縮孔的產生，主要應從操作工藝上采取措施，在更換焊條滅弧前應在原熔池上或池背面連續點弧二、三次，以填充滿熔池，然后將電弧向坡口面一側后拉，逐漸衰減滅弧，這樣可稍微提高熔池及周圍的溫度，減緩冷卻速度，從而防止冷縮孔產生。

（5）氣孔：①選擇稍強的焊接規范，縮短滅弧停歇時間，滅弧后，當熔池尚未全部凝固時，就及時再引弧給送熔滴，擊穿焊接。②輸送熔敷金屬不要太多，使熔池的液態金屬保持較薄，利于氣體的逸出。③運條角度要適當，操作應熟練，不要將熔渣拖離熔池，要換焊條后采用劃擦法引弧，用短弧焊接。④氣焊和氬弧焊操作時，焊絲和焊炬的角度應適當，擺勁正確，焊連保持均勻適宜。

（6）夾渣：①選擇適當的運條角度，操作應熟練，使熔渣和液態金屬良好地分離。②遇到焊條藥皮成塊脫落時，必須停止焊接，查明原因并更換焊條。③打底層焊道或中間層焊道成形成控制均勻，圓滑過渡，接頭或焊瘤應該用電弧割掉或用手砂輪磨隙。④選擇合適的火焰能率或規范，注意保持適宜的焊絲和焊炬角度，焊絲作正確擺，攪拌熔池，使熔渣順利地浮出溶池。

（7）咬邊：①選擇適宜的焊接電源、運條角度、進行短弧操作。②焊條擺動至坡口邊緣，稍作穩弧停頓，操作應熟練、平穩。③氣焊火焰能率要適當，焊炬和焊絲的角度及擺動要適宜。

（8）背面凹陷：①保證裝配尺寸符合要求，特別是間隙和純邊尺寸，操作要熟練、準確。②嚴格控制擊穿時的電弧加熱時間及運條角度，熔孔大小要適當，采用短弧施焊。

（9）焊道背面成形不良，焊道背面除了可能產生凹陷外，還可能出現寬窄不勻、凹凸不平，甚至形成焊瘤或呈竹節形狀等。①嚴格控制擊穿孔的尺寸大小，并使擊穿焊接的速度均勻一致。②嚴格控制電弧的穿透程度，掌握好電弧燃燒，加熱時間使之均勻一致。

3結論

焊接缺陷是造成焊件無法達到母材性質的原因。缺陷的形成隨著使用的材料、接頭方式或焊接方法而異，了解缺陷形成的原因有助于焊接工作者選用恰當的材料，決定最佳的接頭設計和擬定合適的焊接方法與程序來提高焊件品質，防止不正常的焊件破裂。

焊接缺陷可以分為兩大類：第一類是焊件使用時發生的缺陷。這種缺陷通常指焊接熱循環損傷到焊道或鄰近的熱影響區，造成焊件性質劣于母材。當焊件使用時，破裂起始于這些缺陷存在的位置。比較常見的缺陷有，碳鋼或低合金鋼的熱影響區晶粒受熱而成長，造成韌性顯著下降。析出硬化型材料的熱影響區因過度時效而使強度降低。冷作硬化型材料的熱影響區，因冷作效用消失而使強度降低。

第二類焊接缺陷是制程缺陷。這類缺陷發生于焊接進行中或緊接焊接完成后，常見的缺陷有裂紋、空孔、夾渣、凹陷、熔接不足或滲透不足等。這類缺陷的存在很可能造成焊件無法使用。這其中又以裂紋最為嚴重。

裂紋因發生的溫度不同有如下幾種：冷裂紋（氫裂紋）、焊后熱處理裂紋（再熱裂紋）、延性不足裂紋及熱裂紋。冷裂紋發生于碳鋼或合金鋼。雙相不銹鋼也有冷裂紋的情況。雖然冷裂紋發生的原因目前還沒有完全了解，這種裂紋已大部分可以控制。最有效的方法是減少氫含量、預熱，控制熱輸入及利用焊后熱處理。只要材料和接頭方式確定，目前已有簡單的方法可以查出預熱溫度、熱輸入范圍、焊后熱處理的溫度和時間來防止冷裂紋的發生。

焊后熱處理裂紋發生于焊后應力消除熱處理的加熱過程中。這種裂紋發生于鎳基合金、不銹鋼和少數合金鋼。

把機械化焊接方法同精密焊接設備結合使用，防止坡口發生位移、避免焊接區在集中能量作用產生明顯張應力。擴大射束能源利用范圍，制訂合理的焊接后熱處理規范，保證各種新型焊條的質量，以保證達到焊縫金屬特定的物理性能，滿足材料的可焊性。設計制造高效、真空擴散焊接裝置，以便焊接由各種材料制造的焊接結構，包括粉末冶金材料同金屬的焊接;為了降低擴散焊接的電力消耗，提高焊接效率，需要對焊接構件通電流加熱焊接區，為此要制訂適當工藝，開發新設備和制造中間塞熱的高電阻材料，以保證加熱區的必需釋熱量;組織用來制造金屬結構中間焊接件的雙金屬的生產，拓寬高強度（碳化硅、碳基等）纖維的應用范圍，以強化和簡化焊接結構。

參考文獻

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