常见铝和铝合金焊接缺陷产生原因及预防

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一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。为此，本文针对无损探伤焊接缺陷产生的原因及解决对策进行探讨。
　　在锅炉、压力容器、压力管道制造和安装过程中，焊接质量非常重要。焊接部位最容易产生焊裂、未熔合、未焊透、咬边、夹杂物和晶界开裂等缺陷，这些缺陷又可能是裂纹源。因此，正确地做好焊接缺陷等级评定工作不仅能保证产品质量，而且能保证产品的安全经济运行。但目前焊接缺陷等级评定情况去不尽人意，存在着这样那样的问题，焊接工艺中缺陷的名称与无损探伤中缺陷也没有统一，观念的陈旧，规范的严格，安全与经济的矛盾，不利于无损检测工作的进一步开展。
　　1 缺陷等级评定中存在的问题
　　1.1 规范标准不统一 焊接检测标准实在太多，五花八门，不同的标准在缺陷定量及评定方法上都有差别，如焊缝超声波探伤，有的标准采用长横孔进行灵敏度调节，有的标准采用短横孔或柱孔进行灵敏度调节，不同的反射体反射当量均个有差异。在定量上，不同标准对同一级别规定的允许缺陷数量也不相同。造成这种现象，一方面是因为标准的制定没有建立在一个统一的试验和理论分析基础上，另一方面则是因为检测技术上认识不统一造成的检测方法不统一。焊接检测标准的不统一，使得验收工作带来不便，也不便于产品质量的相互认可，这一矛盾在商检，电站锅炉验收方面特别突出。
　　1.2 标准的认为因素 焊接上产生的缺陷对材料的性能会发生很大影响，其影响程度随着缺陷的性质、大小、位置、厚度的不同而不同。有人作了研究，用相同材料制成大小不同的具有相似外形轮廓的一对焊缝试样，每一试样含有成比例尺寸的裂纹，进行断裂韧行计算，结果大尺寸试样产生破坏的应力低于小尺寸试样产生破坏所需要的应力。但现行标准对缺陷等级评定并不能实际地反映这些特点，却带着明显的人为因素。如射线探伤对点状缺陷等级评定，规定不同级别允许缺陷点数随工件壁厚成几何级数变化，显然这不是缺陷大小对产品危害程度的体现，而是工作中记忆方便的数字规律，是人为加上去的。
　　1.3 缺陷等级评定只注重大小、长度，不注重自身高度和深度
　　现行缺陷评定标准只记录缺陷平面大小、长度，不注重自身高度和深度，缺陷的返修也只依据大小和长度。常规射线探伤要记录缺陷的三维空间尺寸困难，有的超声波探伤对深度也不作要求。实际上缺陷自身高度和深度是影响工件性能的两个重要指标，这两个尺寸是缺陷安全评定的关键尺寸。根据断裂力学理论，埋藏裂纹的等效缺陷尺寸，主要取决于埋藏裂纹的半高a和裂纹形貌系数Ω、Ψ。缺陷深藏不同对材料性能的影响也不同。研究表明，当两种裂纹尺寸相同时，表面裂纹试样的断裂强度约为埋藏裂纹的60%。因此，忽视缺陷的高度和深度，不便于对产品的全面评价。另外，也容易放过自身高度尺寸大于规定长度尺寸的缺陷，这实在是极不合理的现象。
　　1.4 缺陷等级评定与材料的关系 大家知道，在进行焊缝检测前我们需要掌握材质、坡口形式、壁厚等原始数据，但目前掌握这些数据的主要目的是帮助我们制定正确的检测工艺，协助我们对缺陷进行分析（特别是定性），我们在了解材质的同时，并考虑缺陷对不同材质的不同影响，其实，各种材质抵抗破坏的能力是不同的，在同样应力状态下，相同尺寸的裂纹在有些材质中会开裂、扩展、造成危害；而在另一些材质中则不会开裂，不会扩展，不会造成危害。但是，在焊接检测标准中，对同一类材料不同材质的产品，对缺陷的定级我们采用的是同一种标准。
　　2 无损探伤焊接缺陷产生的原因及防治措施
　　对于内部缺陷的性质的估判以及缺陷的产生的原因和防止措施大体总结了以下几点：
　　2.1 气孔：单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。
　　产生这类缺陷的原因主要是焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长；埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大；气体保护焊时保护气体纯度低等。如果焊缝中存在着气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使得焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显降低。
　　防止这类缺陷防止的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。
　　2.2 夹渣：点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。
　　这类缺陷产生的原因有：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，其本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷较多等。
　　防止措施有：正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净，多层焊时必须层层清除焊渣；并合理选择运条角度焊接速度等。
　　2.3 未焊透：反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射波幅。这类缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。
　　其产生原因一般是：坡口纯边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口角度小，运条角度不对以及电弧偏吹等。
　　防止措施有：合理选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。
　　2.4 未熔合：探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。
　　其产生的原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。
　　防止措施：正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操作防止焊偏等。
　　2.5 裂纹：回波高度较大，波幅宽，会出现多峰，探头平移时反射波连续出现波幅有变动，探头转时，波峰有上下错动现象。裂纹是一种危险性最大的缺陷，它除降低焊接接头的强度外，还因裂纹的末端呈尖销的缺口，焊件承载后，引起应力集中，成为结构断裂的起源。裂纹分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹三种。
　　热裂纹产生的原因是：焊接时熔池的冷却速度很快，造成偏析；焊缝受热不均匀产生拉应力。
　　防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害杂质的含量，主要限制硫含量，提高锰含量；提高焊条或焊剂的碱度，以降低杂质含量，改善偏析程度；改进焊接结构形式，采用合理的焊接顺序，提高焊缝收缩时的自由度。
　　冷裂纹产生的原因：被焊材料淬透性较大在冷却过程中受到人的焊接拉力作用时易裂开；焊接时冷却速度很快氢来不及逸出而残留在焊缝中，氢原子结合成氢分子，以气体状态进到金属的细微孔隙中，并造成很大的压力，使局部金属产生很大的压力而形成冷裂纹；焊接应力拉应力并与氢的析集中和淬火脆化同时发生时易形成冷裂纹。
　　防止措施：焊前预热，焊后缓慢冷却，使热影响区的奥氏体分解能在足够的温度区间内进行，避免淬硬组织的产生，同时有减少焊接应力的作用；焊接后及时进行低温退火，去氢处理，消除焊接时产生的应力，并使氢及时扩散到外界去；选用低氢型焊条和碱性焊剂或奥氏体不锈钢焊条焊丝等，焊材按规定烘干，并严格清理坡口；加强焊接时的保护和被焊处表面的清理，避免氢的侵入；选用合理的焊接规范，采用合理的装焊顺序，以改善焊件的应力状态。