鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中裂紋和氣孔的形成原因及預(yù)防措施

陳臨泉，劉余濤

中國(guó)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(yán)重的缺陷，它是在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而使焊接面產(chǎn)生裂紋，實(shí)質(zhì)上，就是焊接后焊口在冷卻過(guò)程產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度所導(dǎo)致的裂紋。裂紋的分類(lèi)：裂紋的分法多，按其產(chǎn)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(chǎn)生、特點(diǎn)和預(yù)防。

1.1 熱、冷裂紋的產(chǎn)生原因

因?yàn)楹讣昂笚l內(nèi)含硫、銅等低熔點(diǎn)雜質(zhì)或多或少的存在，使得結(jié)晶凝固晚，凝固后的塑性和強(qiáng)度又極低。因此，在焊接熔池在結(jié)晶過(guò)程中存在偏析現(xiàn)象，偏析出的這些低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)，由于低熔點(diǎn)共晶熔點(diǎn)低，往往是最后結(jié)晶，在晶界以液態(tài)夾層的方式存在，這時(shí)，當(dāng)外界結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力足夠大和焊縫金屬的凝固收縮作用下，熔池中低熔點(diǎn)雜質(zhì)在凝固過(guò)程中被拉開(kāi)，被拉開(kāi)的液態(tài)夾層產(chǎn)生的間隙己沒(méi)有足夠的低熔點(diǎn)液態(tài)金屬來(lái)填充形成了裂紋，或在是在凝固后不久被拉開(kāi)，造成開(kāi)裂，這就是熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理。

冷裂紋主要產(chǎn)生在中碳鋼、高碳鋼、低合金鋼和中合金高強(qiáng)度鋼中。產(chǎn)生冷裂的原因主要有三個(gè)方面：鋼的淬硬傾向，焊接應(yīng)力，較多的氫的存在和聚集。許多情況下，氫是誘發(fā)冷裂紋最活躍因素之一。當(dāng)焊縫中淬硬傾向和焊接應(yīng)力過(guò)大，使熱影響區(qū)存在顯微缺陷時(shí)，氫會(huì)在這些缺陷處聚集，并由原子態(tài)轉(zhuǎn)為分子態(tài)，加上焊接應(yīng)力的作用，使顯微缺陷擴(kuò)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(zhǎng)度方向分布，極少數(shù)也產(chǎn)生在熱影響區(qū)；微觀特征一般是沿晶界開(kāi)裂，故又稱之為晶間裂紋；在焊后立即可見(jiàn)，多可以用肉眼看見(jiàn)。

冷裂紋它是較低溫度產(chǎn)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(méi)有氧化色彩。冷裂紋一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)或焊縫與熱影響區(qū)的熔合線上，也有極少數(shù)產(chǎn)生在焊縫上。冷裂紋一般為穿晶裂紋，少數(shù)也有可能沿晶界發(fā)生。冷裂紋一般在焊后并不立即出現(xiàn)，而是在焊后幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)。

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(jié)晶，由于細(xì)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(xì)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(shù)，適當(dāng)提高焊縫成形系數(shù)，如采用多層多道焊，避免偏析的產(chǎn)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(duì)于熱裂紋傾向較大的構(gòu)件，一般都采用堿性焊條進(jìn)行焊接。采用適當(dāng)?shù)臄嗷》绞?，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(lái)防止熱裂紋的產(chǎn)生。合理選用焊接規(guī)范，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，并采用預(yù)熱和后熱，減慢冷卻速度，適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)，盡可能采用小電流多層多道焊，以避免焊縫中心產(chǎn)生裂紋；采用熔深較淺的焊縫，改善散熱條件使低熔點(diǎn)物質(zhì)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(yīng)力，降低殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。

冷裂紋的防止措施很多，常通過(guò)選用堿性低氫型焊條，減少焊縫中擴(kuò)散氫的含量；嚴(yán)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(yīng)按規(guī)定烘干，隨用隨取，謹(jǐn)防受潮；保護(hù)氣體要控制其純度，嚴(yán)格清理焊條、焊件的油、銹、水分并控制焊接環(huán)境的濕度，從而減少氫的來(lái)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(jù)材料等級(jí)、碳當(dāng)量、構(gòu)件厚度、施焊環(huán)境等，正確的選擇焊接工藝參數(shù)和線能量，例如：采用焊前預(yù)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(qū)的組織，去氫和消除焊接應(yīng)力。焊后緊急熱處理，以去氫、消除內(nèi)應(yīng)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(yīng)力。

2 氣孔

氣孔是焊接缺陷之一，對(duì)一般非壓力容器構(gòu)件來(lái)說(shuō)不認(rèn)為是重要缺陷，往往被人們所忽視，但氣孔會(huì)降低焊接接頭的機(jī)械性能產(chǎn)生應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成脆性破壞影響產(chǎn)品質(zhì)量。若是有穿透性或連續(xù)性氣孔存在，將會(huì)嚴(yán)重影響焊件的密封性?？墒窃阡撝平Y(jié)構(gòu)的焊接中，若在幾米或十幾米乃至更長(zhǎng)的焊縫上，要保證不出一個(gè)氣孔，只有通過(guò)采取采性氣體對(duì)焊縫正面形成良好保護(hù)，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(chǎn)生。

2.1 氣孔的產(chǎn)生原因

焊縫內(nèi)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(jié)構(gòu)焊接施工中，由于焊件表面的油、污、銹、垢及氧化膜沒(méi)有清除干凈、焊條受潮或質(zhì)量不好、焊炬擺幅快而大、焊接現(xiàn)場(chǎng)周?chē)L(fēng)力較大、焊接速度過(guò)快、焊絲和母材的化學(xué)成分不匹配等諸多因素，造成焊縫金屬在高溫時(shí)，吸收了過(guò)多環(huán)境中的氣體（如O2、H2、N2）或由于溶池內(nèi)部冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體（如CO），在溶池冷卻凝固時(shí)來(lái)不及排出，而在焊縫內(nèi)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(guò)多的環(huán)境氣體（如O2、H2、N2、）及時(shí)排除才是氣孔預(yù)防措施的關(guān)鍵之所在，下面逐一介紹各種有害氣體的來(lái)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(lái)源于焊接區(qū)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(duì)焊縫質(zhì)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(qiáng)度、塑性、沖擊韌性降低和焊縫的物理性能和化學(xué)性能，如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和抗腐蝕性等。O2與H2、C反應(yīng)易形成不溶于金屬的氣體，若結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出焊縫就形成氣孔。氧氣孔主要發(fā)生在碳鋼焊縫中，一般情況下存在于焊縫的內(nèi)部，氣孔沿結(jié)晶方向分布，呈條狀或不規(guī)則形狀，表面光滑。具體控制措施有：加強(qiáng)保護(hù)，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(guī)定烘干焊條、焊劑等焊接材料，對(duì)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(duì)焊縫的作用

氫的來(lái)源：焊縫中的氫主要來(lái)自受潮的藥皮或焊劑中水分、焊條、焊劑中的有機(jī)物、空氣中的水分、焊件表面的鐵銹、油脂及油漆。氫對(duì)焊縫的影響主要是形成氣孔，焊縫中飽和的氫來(lái)不及逸出焊縫時(shí)，就形成了氣孔；產(chǎn)生氫白點(diǎn)和氫脆。在焊接碳鋼和低合金鋼時(shí)，氫氣孔主要出現(xiàn)在焊縫表面，以單個(gè)出現(xiàn)，在返修磨刨時(shí)明顯感覺(jué)很深，氣孔內(nèi)壁光滑，焊接鋁、鎂等有色金屬時(shí)，主要了產(chǎn)生在焊縫的內(nèi)部，這是氫氣孔在焊縫中的特征，它也是產(chǎn)生冷裂紋的主要原因之一?？刂茪涞拇胧┲饕校呵謇砗讣昂附z表面的油污，鐵銹、水分。焊前按規(guī)定烘烤焊條、焊劑。氣體保護(hù)焊對(duì)氣體進(jìn)行去水分、干燥處理。盡量選用低氫型焊條，焊接時(shí)采用直流反接、短弧操場(chǎng)作。對(duì)焊縫進(jìn)行消氫處理，如焊前預(yù)熱，焊后緩冷。

2.2.3 氮對(duì)焊縫的作用

熔池中的氮主要來(lái)自空氣中，氮對(duì)焊縫質(zhì)量的影響主要是導(dǎo)致焊縫中飽和的氮來(lái)不及逸出焊縫時(shí)而形成氣孔，同時(shí)也影響焊縫的力學(xué)性能。其特征是一般發(fā)生有焊縫的表面（多層焊在每層的表面）成堆、蜂窩狀出現(xiàn)，焊條電弧焊一般在接頭引弧處出現(xiàn)較多，也是生產(chǎn)中常見(jiàn)的氣孔?？刂频拇胧┲饕星謇砗讣昂附z表面的油污、鐵銹、水分，焊前按規(guī)定烘烤焊條、焊劑，氣體保護(hù)焊對(duì)保護(hù)氣體進(jìn)行去水分、干燥處理，氣體純度要達(dá)到要求，有風(fēng)時(shí)要有防風(fēng)措施，不得使用藥皮開(kāi)裂、藥皮脫落、變質(zhì)、偏心或生銹的焊條，選用合適的焊接工藝參數(shù)，堿性焊條時(shí)要采用短弧焊，電流采用直反接等。

3 結(jié)論

綜上所述：鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中，裂紋和氣孔缺陷均會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)應(yīng)力集中，縮短使用壽命，造成脆裂降低結(jié)構(gòu)斷面尺寸，影響焊縫的力學(xué)性能危及安全。因此，在重要乃至關(guān)鍵部位的鋼結(jié)構(gòu)制作安裝中，必須加強(qiáng)焊接工作中裂紋及氣孔缺陷的數(shù)量控制，遵守焊接規(guī)范，嚴(yán)格施工工藝，保證焊縫質(zhì)量，避免危及到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)的事故發(fā)生。

[1]鄧文英主編金屬工藝學(xué)（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(zhuān)業(yè)）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004，3.