整體式焊接車架焊接裂紋產(chǎn)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(chǎn)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(duì)整體式焊接車架在焊接過程中出現(xiàn)的裂紋，從人員、設(shè)備、材料、工藝和環(huán)境五大因素逐一分析，找出導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的要因和非要因，發(fā)現(xiàn)焊絲質(zhì)量欠佳是導(dǎo)致該底盤車架產(chǎn)生焊接裂紋的重要原因。焊絲成分中Mn含量偏低，導(dǎo)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(hù)作用，增大氣孔產(chǎn)生幾率；焊接時(shí)脫氧不足和氣體保護(hù)作用不佳共同導(dǎo)致了焊接裂紋的產(chǎn)生。

車架焊接；焊接裂紋；700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲

0 前言

焊接裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)性較大的焊接缺欠，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至引起突發(fā)事故。在焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生的事故中，除少數(shù)是因設(shè)計(jì)不當(dāng)和產(chǎn)品運(yùn)行不規(guī)范造成，絕大多數(shù)是由焊接裂紋導(dǎo)致[1]。焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)的類型不同，可能出現(xiàn)各種裂紋，焊接裂紋產(chǎn)生的條件和原因也各不相同。有些裂紋在焊后立即產(chǎn)生，有些在焊后延續(xù)一段時(shí)間才發(fā)生，有的在一定外界條件誘發(fā)下才產(chǎn)生。焊接裂紋既出現(xiàn)在焊縫和熱影響區(qū)表面，也可能產(chǎn)生在其內(nèi)部。

1 車架底盤焊接裂紋

圖1、圖2為實(shí)際生產(chǎn)中整體式焊接車架出現(xiàn)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(duì)焊接裂紋進(jìn)行外觀檢查，用電動(dòng)磨光機(jī)打磨焊縫后觀察裂紋內(nèi)部情況。圖1為焊接完成后立馬出現(xiàn)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(yán)重的焊接缺陷，必須打磨后重焊。由圖1b可見，經(jīng)打磨后發(fā)現(xiàn)焊縫中間存在較多氣孔，裂紋穿過大部分氣孔，少數(shù)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(qū)附近，打磨后可見裂紋的一端有一個(gè)尺寸較大的氣孔（實(shí)測(cè)直徑3 mm，氣孔深度目測(cè)＞2 mm），此裂紋不是焊后立即出現(xiàn)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(duì)裂紋進(jìn)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(jié)構(gòu)中截取試樣，只能從影響裂紋產(chǎn)生的幾個(gè)外在因素進(jìn)行分析。

圖2 位于熔合區(qū)的焊接裂紋

2 焊接裂紋產(chǎn)生的原因

綜合考慮所有可能導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的因素（包括焊接人員、焊接設(shè)備、焊接工藝、焊接材料、施焊環(huán)境），進(jìn)行分析和相應(yīng)試驗(yàn)，確認(rèn)導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的要因，進(jìn)一步驗(yàn)證并提出防止問題再次發(fā)生的有效措施。

2.1 人員、設(shè)備和工藝情況確認(rèn)

參與該車架焊接的人員均取得了電焊工技師職業(yè)資格證書，具有多年的焊接經(jīng)驗(yàn)，曾參與多種型號(hào)車架的焊接，具備良好的焊接技術(shù)。焊接時(shí)所用設(shè)備為YD-500FR氣體保護(hù)焊機(jī)，通過現(xiàn)場焊接發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能穩(wěn)定。該車架工藝已經(jīng)定型，不是首次焊接。在首次焊接時(shí)已通過焊接技藝評(píng)定試驗(yàn)確定了焊接參數(shù)，評(píng)定試樣達(dá)到了一級(jí)焊縫要求，焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足要求。焊接人員在焊接過程中嚴(yán)格按照工藝規(guī)范執(zhí)行，進(jìn)行焊前清理，多層焊時(shí)，每一層焊后進(jìn)行清理，并按照工藝要求的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。沒有不利外在因素存在時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)焊接裂紋；同時(shí)結(jié)合車間焊接人員的反饋，本批次焊絲在焊接時(shí)飛濺大、焊縫成形性不佳、焊縫表面發(fā)黑，重點(diǎn)對(duì)本批次的焊絲質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

2.2 焊絲質(zhì)量確認(rèn)

焊絲質(zhì)量對(duì)焊縫成形性、焊縫金屬成分、焊縫力學(xué)性能有重要的影響。焊絲的化學(xué)成分通過焊接冶金反應(yīng)過渡到焊縫中，成為焊縫金屬的重要組成部分，進(jìn)而影響焊縫的組織和性能。焊絲的殘余應(yīng)力消除、表面鍍銅情況則直接影響焊接送絲的均勻性，進(jìn)而影響焊接電弧的穩(wěn)定性[2]。該底盤車架焊接母材為700MPa級(jí)鋼板，焊絲為φ1.2mm的700MPa級(jí)低合金鋼焊絲，屬于等強(qiáng)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(qiáng)度的作用；V、Ti作為焊縫金屬的重要合金成分，具有細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用；Ni元素可以提高焊接接頭的低溫沖擊韌性。對(duì)公司20140905入廠的本批次及上批次700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲進(jìn)行成分測(cè)定，按照GB/T 25777-2010《焊接材料熔敷金屬化學(xué)分析試樣制備方法》制備焊絲熔敷成分測(cè)定試樣，如圖3所示。

采用移動(dòng)式電火花光譜儀PMI-MASTER進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試兩點(diǎn)得出平均值，結(jié)果如表1

所示。該焊絲的化學(xué)成分及性能均無相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，因此采用焊絲生產(chǎn)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)（涉及焊絲生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)信息，只列出標(biāo)準(zhǔn)中的部分元素）。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所給焊絲成分是通過測(cè)定拉拔前的鋼絲盤獲得，在此測(cè)定的是焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分。在焊絲熔敷過程中，C、Mn、Si元素會(huì)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(cè)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(cè)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)；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(hù)焊時(shí)，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(hù)焊（φ（Ar）80％+φ（CO2）20％），熔敷金屬化學(xué)成分與焊絲化學(xué)成分差別不大。按照40％的燒損補(bǔ)償計(jì)算，本批次焊絲的Mn含量仍低于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)標(biāo)。

表1 焊絲化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果％

本批次焊絲的Mn含量偏低，在焊接過程中導(dǎo)致脫氧能力降低，增加焊縫產(chǎn)生氣孔的概率。焊縫中的氣孔會(huì)造成應(yīng)力集中從而誘發(fā)裂紋，降低焊接接頭的力學(xué)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(guān)。具體分析如下：①M(fèi)AG焊時(shí)，CO2在電弧作用下分解：2CO2→2CO+O2，生成氣體具有強(qiáng)烈的氧化性。②焊絲中脫氧元素不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生Fe的氧化反應(yīng)：[Fe]+CO2=CO+FeO。③熔滴金屬與熔池金屬由于增加FeO，會(huì)發(fā)生碳的氧化：[FeO]+ [C]=CO↑+[Fe]，創(chuàng)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(yīng)有足夠的脫氧元素Mn、Si等。

2.2.2 焊絲表面質(zhì)量

熱處理和鍍銅是焊絲制備的關(guān)鍵工藝，嚴(yán)重影響焊絲成品的質(zhì)量。盤條經(jīng)過反復(fù)拉拔會(huì)導(dǎo)致金屬出現(xiàn)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(nèi)應(yīng)力、降低硬度[4]。焊絲鍍銅的主要目的則是提高焊絲導(dǎo)電性，增加潤滑性，保證焊接送絲的穩(wěn)定性[5]。圖4為該焊絲鍍銅質(zhì)量的檢測(cè)，通過纏繞焊絲，焊絲斷裂呈現(xiàn)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(yīng)力，導(dǎo)致焊接過程中送絲不均勻，影響電弧的穩(wěn)定性，增大焊接飛濺。本批次焊絲焊接飛濺大、焊縫表面發(fā)黑的情況與焊絲退火不均勻有直接關(guān)系，焊接飛濺大導(dǎo)致氣體保護(hù)作用減弱，外界空氣混入，從而增加了焊縫中氣孔產(chǎn)生的概率。

綜上可知，焊接時(shí)脫氧不足和氣體保護(hù)作用不佳，導(dǎo)致熔池中含有較多CO、N2、H2氣體，熔池凝固時(shí)氣體沒有及時(shí)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(shù)量較多，沿裂紋成串分布，氣孔處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋產(chǎn)生，較多氣孔連接在一起加速裂紋的擴(kuò)展。影響焊接冷裂紋產(chǎn)生的三大因素是鋼材的淬硬傾向、擴(kuò)散氫、焊接接頭的拘束應(yīng)力。首先，熔合區(qū)容易產(chǎn)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(kuò)散速度不同，熔合區(qū)組織的變化容易形成氫聚集；所以在熔合區(qū)附近比較容易產(chǎn)生冷裂紋[5]。當(dāng)熔合區(qū)存在微觀缺欠（如氣孔）時(shí)，氫就會(huì)在缺欠處聚集擴(kuò)散，直至形成宏觀裂紋。圖2所示的熔合區(qū)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(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

經(jīng)過與該焊絲生產(chǎn)企業(yè)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(yè)生產(chǎn)

相同強(qiáng)度級(jí)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(xù)需要經(jīng)過多道次的拉拔，既要具有較低的抗拉強(qiáng)度、較高的韌性，又要保證焊縫的質(zhì)量，因此需要嚴(yán)格控制其化學(xué)成分和力學(xué)性能。焊絲生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采購成分和性能穩(wěn)定的鋼絲盤，才能保證焊絲成分和性能的穩(wěn)定。為防止后續(xù)再出現(xiàn)焊絲質(zhì)量問題，編制了700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲專用的材料規(guī)范及焊材入廠檢驗(yàn)規(guī)范，并對(duì)本批次焊絲施焊的所有車架進(jìn)行焊縫外觀質(zhì)量復(fù)查。

圖4 焊絲鍍銅質(zhì)量簡單檢測(cè)

2.3 保護(hù)氣體質(zhì)量確認(rèn)

該車架焊接所用氣體為管道混合氣φ（Ar）80％ +φ（CO2）20％，高壓儲(chǔ)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(jīng)配比器混合后，進(jìn)入氣體輸送管道。配比后CO2的體積分?jǐn)?shù)為20％，如圖5a所示。公司設(shè)備維修人員每天巡查高壓儲(chǔ)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(wěn)定。

圖5 配比器中氣體壓力和配比濃度

為進(jìn)一步確定焊接裂紋是否由管道混合氣質(zhì)量不合格導(dǎo)致，本批次700 MPa級(jí)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(dǎo)致。采用管道混合氣和瓶裝混合氣φ（Ar）80％+φ（CO2）20％進(jìn)行焊絲熔敷成分測(cè)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(shù)下焊接，測(cè)定的焊絲熔敷成分如表2所示?？梢妰煞N情況下合金元素的成分均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且成分差別不大，說明管道混合氣的質(zhì)量合格，焊絲成分問題與所使用的混合氣無明確關(guān)系，因此，保護(hù)氣體與焊接裂紋無直接關(guān)系。

2.4 母材和施焊環(huán)境情況確認(rèn)

根據(jù)公司規(guī)定，700 MPa級(jí)鋼板有入廠復(fù)驗(yàn)程序，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求后才允許使用。為進(jìn)一步確認(rèn)母材質(zhì)量，查閱了該鋼板成分和力學(xué)性能入廠檢測(cè)記錄表，結(jié)果表明均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該鋼板為低碳微合金的焊接高強(qiáng)鋼，材料的抗拉強(qiáng)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(dāng)量增加，材料產(chǎn)生焊接冷裂紋的敏感性提高。冬季施焊環(huán)境溫度低，也會(huì)導(dǎo)致焊接冷裂紋的產(chǎn)生。工藝要求環(huán)境溫度低于0℃，濕度大于50％時(shí)，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。該車架焊接時(shí)的平均溫度為15℃，平均濕度為27％，施焊環(huán)境并不苛刻。施焊環(huán)境更苛刻的情況下焊接的該車架并未出現(xiàn)焊接裂紋，可以排除焊接母材和施焊環(huán)境對(duì)焊接裂紋的影響。

表2 不同氣體焊接下焊絲熔敷成分測(cè)定結(jié)果％

3 結(jié)論

（1）整體式焊接車架出現(xiàn)的兩條焊接裂紋長度均大于焊縫長度的25％，為嚴(yán)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(chǎn)生的重要因素。

（2）焊接設(shè)備、工藝、母材及保護(hù)氣等不是影響焊接裂紋產(chǎn)生的要因，本批次700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲質(zhì)量欠佳是導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的要因。本批次700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲成分中Mn含量偏低，導(dǎo)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(hù)作用，增大氣孔產(chǎn)生幾率。焊接時(shí)脫氧不足和氣體保護(hù)作用不佳是促使焊接裂紋產(chǎn)生的直接原因。

（3）為保證公司采購的焊絲能夠滿足產(chǎn)品的焊接質(zhì)量要求，公司針對(duì)700 MPa級(jí)低合金鋼焊絲編制了專用的材料規(guī)范及焊材入廠檢驗(yàn)規(guī)范。

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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。