焊材对焊接质量的影响及焊接缺陷分析_胡波.pdf

210管理及其他Management and other焊材对焊接质量的影响及焊接缺陷分析胡波1，范延峰1，王孟伟1，鞠红1，李军东2摘要：焊接技术是加工制造行业中的重要应用技术，焊接质量的好坏直接决定着加工件的整体质量、加工作业的施工进度、企业的生产成本等。其中，焊接材料研究、焊接缺陷分析及解决是焊接技术中的重要内容。论文通过探究焊缝材质主要添加化学成分、有害杂质对焊缝特性的影响，给出焊缝材质的选取方案；通过总结常见焊接缺陷，并剖析焊接缺陷的危害与形成因素，探讨缺陷解决措施，最终实现提高焊接质量的目的。关键词：焊接材料；焊接缺陷；焊接质量焊接是加工制造的重要方法，在各种加工方式中不可或缺。据统计，我国经焊接加工的钢材重量占钢材总量的50%以上。焊接效率和焊接质量的提升需求是推动焊接技术快速发展的重要动力，焊接技术的相关研究一直是国内外学者的研究热点。采用适宜的焊材和合理的焊接工艺，可以使加工件能够具有较长的使用寿命、良好的稳定性、优良的焊缝性能。因此，在焊接工作的整个流程中，合理选择焊接材料、避免焊接缺陷产生，是保证焊接质量的重要技术研究内容。通过对焊接材料和焊接工艺进行细致研究，实现提高焊接质量的目的。1 焊接材料对焊接质量的影响研究金属加工过程受到金属材料密度、导热率、熔点，以及其他各种因素的影响，对不同金属材料的性能及焊接工艺造成不同影响。金属性能和质量会受到材料中各种化学元素含量的直接影响，一旦化学成分不合适，会对焊接性造成不利影响。另外不同类型的金属材料将会发生不同化学反应，并且会对金属组织、成分及性能造成直接影响。因此在焊接加工时，需要先与母材匹配后再进行焊接，能够使焊接质量提高。从以上分析结果可以看出，提升焊接质量首先要了解焊材各化学成分对材料性能、焊接效果的影响，然后根据焊接要求以及各化学成分的特点，合理匹配合金元素，选择焊接材料。同时，还要努力控制焊接材料中的有害杂质含量，以保证焊接材料质量优良。1.1 常用化学成分对焊接性能的影响1.1.1 碳碳是焊缝材质中的主要强化物质，接头的强度伴随C数量的增加而提升，但焊缝的塑韧性也会相应减弱。C的主要加强方法为间隙固溶强化，这种强化方式下基体容易产生微裂纹，裂纹扩展会使焊缝金属的冲击功显著下降。所以，为了保证焊缝的低温韧性，必须严格控制焊材中的C含量，一般焊接材料C0.20%。1.1.2 硅硅具有固溶增强功能，有助于提高焊接性能。焊接板中的Si可和O反应形成SiO2，Si也是最主要的脱氧剂；但Si在提高焊接硬度的同时，也会使焊接韧性降低，通常情况，将焊条中的Si浓度限制在0.25%0.35%范围，对焊缝的韧性最为有利。1.1.3 锰锰也是提高焊接材料强度主要合金元素，还能降低材料脆性，改善加工性能。焊缝金属中的Mn可以起到固溶强化组元的作用，这是Mn能有强化作用的原因。由于Mn浓度提高，以及焊缝金属材料中的针状铁素体量的提高，Mn可与钢中的S生成MnS；Mn的脱氧能力也比较好，可以和钢中的FeO置换为MnO，MnS和MnO都是塑性非金属夹杂物，因此Mn能起到提高材料韧性、降低脆性的作用。焊接材料中，Mn含量一般宜控制在1%2%。1.1.4 铬铬含量对焊接硬度的影响和Mn值相似，Cr浓度的提高，焊接金属强度、硬度也相应提高。但Cr的作用并没有Mn强烈，当Cr浓度0.5%时，由于Cr浓度的提高，将形成脆性的侧板条铁素体，产生焊接塑性变坏。所以，如果对焊接韧性的要求比较高，添加Cr时要谨慎。1.1.5 镍镍是弱强化合金元素，能增加针状铁素体析出，从而提高焊缝的强度和冲击韧性。Ni与Cr按一定比例匹配，改善焊接性能的效果更好。由于Ni的熔点较高，如果钢中Ni含量较高，焊接时容易产生热裂纹，将直接造成焊接性能恶化。1.1.6 钛钛是强脱氧剂，Ti和N亲和力极高，在焊材中加入Ti，不仅可降低焊缝中N含量，还可以形成Ti（C、N）化物和钛氧化物颗粒，显著改善焊接性能。焊材中若添加了少量Ti，则焊接的显微组织、热力学性能等也会出现变化。焊缝金属中Ti浓度超过0.01%时，显微组织即由原来80%的双侧板条铁素体含量变成了60%的针状铁素体含量。1.1.7 硼硼能强烈控制铁素体在奥氏体颗粒界限上形核大小，使焊板可以在大冷却区域内获得贝氏体结构。随着焊板的B浓度提高，针状铁素体含量随之增多，因此焊接结构也就更加细小。B与Ti组合，有互相促进强化的作用，因此焊接时如果只加Ti，或只加B，则强化作用不明显。1.1.8 钼钼既能提高焊材强度，还能改善焊缝韧性。Mo若与Ti同时或少量加入，则焊缝组织将比较平整，显著增加了材料冲击韧性，因此Mo的有益效果也会更加明显。一般Mo-Ti系焊211管理及其他Management and other材，一般建议的Mo含量在0.20%0.35%范围，而Ti含量则在0.03%0.05%范围，这样的比例配合才能使焊接组织中颗粒更加细微、均匀分布，焊缝韧性更好。1.2 有害杂质元素对焊接质量的影响杂质元素对焊接质量也有着非常重要的影响，其中影响较大的有害杂质元素主要有P、S、N、O、H等。1.2.1 引起热脆的元素硫硫在钢中和铁生成的化合物，常以FeS形态出现。FeS和Fe形成了温度较低的共晶组织。而当钢在1000 1200进行热加工时，分布在奥氏体晶界中的低于温度的共晶组织将由于熔融而引起破裂，这是硫导致的材料高温脆性。为减少S的不利影响，需要提高钢中的Mn浓度。Mn和S可优先生成熔点很高的MnS，同时由于MnS呈小颗粒散布在晶粒内，比一般钢铁热加工温度控制高，因而减少了高温脆断的产生。1.2.2 引起冷脆的元素磷磷较其他微量元素，拥有更强的固溶强化能力。在通常情况下，钢中的P能全面溶于铁素体中，使钢的强度显著增加，但塑韧性也大幅下降，特别是在低温时期更为严重，这是磷导致的材料低温脆性。P在结晶过程中有强烈的热偏析趋势，因此在局部出现了低温脆性。1.2.3 引起蓝脆的元素氮氮在奥氏体中的溶解性很大，但在铁素体中的溶解性却很少，并伴随室温的下降而减少。当钢铁经由高热较快淬火时，物质中过剩的N由于没有分解便太饱和地溶化于铁素体中。然后在200 250之间升温（或是钢铁在室温下静置，由于持续时间的拉长），将会产生氮系化合物的析出，从而强度提高，而材料塑韧性大大降低，这个情况称之为蓝脆（时效脆性）。1.2.4 引起氢脆的元素氢氢是钢中最有害的成分，钢中若含有H会使钢铁变脆。H也会使钢中产生白点或缺陷，此类情况在合金钢中最为严重。施工时H一般来自于焊缝材料上的水份、电极附近室内空气中的水汽、母材斜坡处表层上的铁锈、油污等。1.2.5 产生夹杂物的元素氧氧以金属氧化物形态出现在非金属夹杂物中时，对钢的机械性能有不良的危害。O浓度增加会使钢铁的坚硬、塑性降低，导致焊缝金属脆化、产生气孔和裂纹，降低金属的塑性和韧性。氧化物掺杂对钢铁的热动力学特性（尤其是疲劳强度）也有很大的影响，当钢铁中的FeO和其他掺杂物质所组成的低温度复合物质集中在同一晶界上时，就会引起钢铁的高温脆性。焊缝中含O量通常是指总含O量，它既包含已溶解的O，又包含了非金属夹杂物中的O。S、P等杂质都是在焊接中极易产生偏析的成分，可产生低熔点共晶，从而促使在焊接中产生的热裂或脆化。焊接金属中P浓度的管理，主要是从控制焊缝金属材料中的S、P等杂质浓度开始，通常应该分别控制在0.02%和0.03%以内。2 焊接材料的选择焊接材料有焊丝、焊条、焊接剂等。焊接材料选型是否正确，对焊接质量有着重大影响。在焊缝工作中，涉及焊缝的各种因素有许多，焊缝要求、特性不同，选用的焊缝材质也不同，所以在选用焊缝材质上应从多角度考虑。一般来说，选择焊材要考虑以下因素或条件：（1）被焊接金属的钢材种类。（2）焊接接头的使用性能要求（如：强度、冲击韧性、硬度、耐热性、耐蚀性、切削性能等）。（3）焊接工艺及制造工艺上的要求（如：坡口形状、焊接板厚、焊接工艺条件、焊接位置、焊接操作等待、焊后热处理等）。（4）焊接作业率、生产成本等综合因素。（5）焊丝的母材质量，重点是检查母材与焊缝材料中所含的化学成份是否相同；母材的热力学与焊接特性是否能满足要求。在选择焊接材料时，除了上述需要关注的因素外，还应当了解焊接设备与焊接材料匹配是否良好，以避免在使用焊接设备时产生焊接缺陷。明确选择焊接材料需要考虑的因素后，实际操作时可按照如下顺序进行：（1）确定被焊接金属的钢材种类。通常，低普通碳钢和低合金高强度钢都是按照等强配合原则进行准备，即要求材料的强度、冲击韧性等与被焊金属材料相似。对于特殊性质和要求的钢，比如：耐热钢、耐候钢等，为达到其耐热性和耐腐性等特殊要求，在选择材质时要将焊缝金属和母材结构之间的统一性，作为材料选用的重要依据。（2）确定焊接接头的性能要求。为了保证被焊接金属的质量要求，在确定焊接金属钢种后，需要明确对焊接接头的性能要求，例如：强度、冲击韧性、硬度等。（3）确定焊接施工要求。选用的焊缝材料必须充分考虑焊缝施工要求，比如：坡口造型、焊缝要求、焊接的防护气体、焊缝位置等，这些工艺条件都会直接影响焊接质量。（4）在焊缝接头性能可以得到充分保证的前提下，选用能够获得最高焊缝效果和减少焊缝成本的焊缝材料。3 焊接缺陷分析及其控制措施裂纹、焊接外观缺陷、气孔、夹渣缺陷等都是常出现的焊接问题。这种问题会导致焊缝截面积的减小，抗拉强度、疲劳硬度都减小，最终导致焊件不合格甚至报废。3.1 裂纹缺陷3.1.1 热裂纹缺陷热裂是在焊接中常发生的问题，是由焊接金属材料和热影响区金属材料在高温冷却至固相线周围时造成的。在焊接不同的焊接金属材料时，由于热裂产生形式有所不同，因此产生热裂的因素和温度变化范围也各有不同。热裂通常包括三类，主要有高热液化性断裂、结晶断裂、多边化断裂。212管理及其他Management and other为了避免热裂纹的产生，首先应对熔池纯净度加强重视。施工人员在进行金属材料焊接作业时，对熔池纯净度予以保证，避免出现杂质掉落的情况，同时应使金属冷却速度减缓。在此基础上，为了进一步预防此缺陷的形成，相关施工人员应根据实际焊接情况及要求，对金属焊接成型过程中的焊接方式进行合理选择，提高工艺合理性和科学性。另外需要对焊接各项指标参数加强控制，特别是作业工序及电流，避免焊接过程中出现人为失误。3.1.2 冷裂纹缺陷冷裂是焊接金属在较低温度（200 300以下）产生的，处于马氏体转变温度范围。冷裂一般发生在焊接热影响区，但有些金属也发生在焊缝中。冷裂纹有时在焊接后就能出现，但有时要经过较长的时间才出现，所以冷裂纹也称延迟裂纹。冷裂纹和材料中的氢含量有很大关系，另外钢的淬硬性和焊接接头所承受的拉应力、拘束应力也是引起冷裂纹的重要因素。减少冷裂首先需要根据焊接要求对焊条进行合理选择。通常冷裂产生会受到氢气含量的影响，因此需要利用有效的先进技术对氢气含量加强控制，确保其在焊接过程中含量处于允许范围内。另外为了有效保障焊接质量，相关管理人员应对焊接材料质量加强管理，同时对周围环境湿度加强控制，一旦环境中湿度过高，也对焊接质量造成不利影响。3.2 焊瘤缺陷焊瘤缺陷通常发生在焊接过程中，当金属焊接时在局部高温下熔融，液态金属会流在母材或结构件上，冷却后并不会与母材或结构件相融，反而凝结为瘤。焊瘤非常影响焊接件的整体美观，同时焊瘤还往往伴有未焊透、夹渣等问题，这些缺陷改变了焊缝实际尺寸，导致应力集中。加工管路时，焊瘤降低了管路内径，会引起阻塞。焊瘤大都是由于焊接操作错误、钝边厚度限制不正确、给定电流过大等因素而引起的。所以，在焊接过程中，要采取科学合理的焊接工艺规程，并制订合理的工艺技术保护措施。比如，当熔池温高，或者熔池底部发生鼓肚现象时，可以通过焊丝上下晃动和挑弧的方法输送焊丝，同时，熔池尽可能采用椭圆形。3.3 咬边缺陷咬边现象是金属焊缝中比较严重的表面问题，形貌为沿融合线走向的沟槽或塌陷。由于咬边降低了加工母材的有效截面积，导致所加工件应力在咬边部的位置集中，并且咬边的边缘部分更易被淬硬，易产生裂纹。主要问题是焊条运行不准确，以及焊接规