焊接质量及其控制

第2章　焊接质量及其控制

2.1　焊接接头的组织和性能

熔化焊是局部加热过程，焊缝及其附近的母材都经历一个加热和冷却的热过程。焊接热过程要引起焊接接头组织和性能的变化，影响焊接的质量。

焊接时焊件的加热和冷却有两个特点：一是接头上各点的最高加热温度不同，焊缝金属加热到熔点以上，紧邻焊缝的母材加热到接近熔化的高温，离焊缝越远，温度越低；二是金属良好的导热性使接头的冷却速度比较快。因此，接头各处相当于进行了不同加工和热处理。焊缝金属相当于受到金属型铸造；紧邻焊缝的母材相当于受到不同的热处理。焊缝两侧呈固态的母材因受热的影响而组织和性能发生变化的区域，称为热影响区。焊缝和热影响区之间的过渡区称为熔合区。焊接接头就是由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成的。

2.1.1　焊缝的组织和性能

焊缝热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶。金属的结晶开始于熔池和基本金属的边界线上，以半熔化状态的基本金属晶粒作为结晶核，然后这些晶粒沿着垂直于散热方向生长，成为柱状晶粒。

焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是，由于焊接熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，还通过渗合金调整焊缝化学成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊接金属的性能问题不大，可以满足性能要求，特别是强度容易达到。

2.1.2　热影响区与熔合区的组织和性能

热影响区各点的最高加热温度不同。因此，其组织变化也不相同。图4.2.1为低碳钢焊接接头的组织变化。左图为焊接接头各点最高加热温度曲线，右图为简化的碳钢相图。低碳钢的热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

图4.2.1　低碳钢焊接接头的组织变化

（1）过热区

最高加热温度1 100℃以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织，称为过热区。过热区的塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。

（2）正火区

最高加热温度从A c3至1 100℃的区域，焊后空冷得到晶粒较细的正火组织，称为正火区。正火区的力学性能较好。

（3）部分相变区

最高加热温度从A c1至A c3的区域，只有部分组织发生相变，称为部分相变区。此区晶粒不均匀，性能也较差。

熔合区是被加热到固相线和液相线之间的区域。焊接过程中，母材是部分熔化，熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化金属因加热温度过高而成为过热粗晶。该区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织和铸态组织的混合组织，其性能常是焊接接头中最差的。

总之，熔合区和热影响区中的过热区是焊接接头中力学性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量。因此，应尽可能地减小其范围。

2.1.3　改善熔合区和热影响区性能的方法

熔合区和热影响区在焊接过程中是不可避免的。对一般的低碳钢结构，用手弧焊或埋弧自动焊方法进行焊接时，熔合区和热影响区较窄，危害性较小，焊后不必进行热处理即可使用。但对于其他金属材料或重要的钢结构，特别是采用电渣焊时，焊后常需要进行正火处理，以细化晶粒，改善焊接接头的性能。对于不能实施焊后热处理的焊件或结构，可通过正确选择焊接方法和焊接规范的途径来尽可能减小熔合区和热影响区的范围。

2.2　焊接应力与变形

构件焊接以后，内部会产生焊接残余应力，同时产生焊接变形。当构件承受外载后，焊接应力与外载应力相叠加，造成局部区域应力过高，使构件产生新的塑性变形、生成裂缝，甚至导致整个构件断裂。焊接变形超过允许数值，有的要经过矫正才能满足使用要求，但要占用很多矫正工时，有的因矫正不当或失败而报废。

设计和制造焊接结构时，必须设法减小焊接应力和防止产生超过允许数值的变形。

2.2.1　焊接应力与变形产生的原因和典型示例

在焊接过程中，对焊件不均匀加热，会产生焊接应力与变形。图4.2.2为平板对接焊缝的应力。焊接时，焊缝和近缝区的金属处于高温状态；焊后，金属冷却沿焊缝纵向收缩时，受到焊件低温部分的阻碍，因此，焊缝和近缝区纵向受拉应力，远离焊缝区受压应力。整个工件纵向（及横向）尺寸有一定量的收缩。如果在焊接过程中，焊件能够较自由地伸缩，则焊后焊件的变形较大而焊接应力较小；反之，如果焊件厚度或刚度较大不能自由伸缩，则焊后焊件变形较小而焊接应力较大。

图4.2.2　对接焊缝的应力分布

图4.2.3　钢板边缘焊接时的变形

在长方形钢板边缘焊接时（图4.2.3），焊接以后，焊缝区纵向收缩受阻产生拉应力，因收缩产生在钢板一侧，使整个工件产生弯曲变形。

圆筒形工件环焊缝焊接以后产生的焊接应力如图4.2.4所示，其切向应力的大小与圆筒直径D、工件厚度S有关，直径越大、厚度越厚，则焊接应力也越大。

因焊接而产生焊接变形是多种多样的，最常见的几种基本形式如图4.2.5所示。

图4.2.4　圆筒环焊缝的焊接应力分布

图4.2.5　焊接变形的基本形式

（1）收缩变形

构件焊接后，因焊缝纵向和横向收缩，使构件的纵向和横向尺寸缩小。

（2）角变形

V形坡口对接焊时，因焊缝截面形状上下不对称，焊后横向收缩不均匀而引起角变形。

（3）弯曲变形

丁字梁焊接时，由于焊缝不对称，焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲。

（4）扭曲变形

由于在构件横截面上不对称布置的焊缝的焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形。

（5）波浪形变形

焊接薄板结构时，薄板在焊接应力作用下，在厚度方向因丧失稳定性而引起波浪形变形。

2.2.2　减小焊接应力与变形的工艺措施

减小焊接应力与变形的措施，应按焊接结构的具体情况来决定。例如，焊接厚度较大的钢板或补焊刚性较大的铸件缺陷时，焊件不易变形而产生较大的应力，此时就要设法减小或消除焊接应力，以防止裂缝的产生；若焊接厚度不大的低碳钢钢板时，焊件易变形而焊接应力较小，此时则需要采取预防或矫正变形的措施，使构件获得所需要的形状和尺寸。在实际生产中采用的主要工艺措施如下：

（1）防止和减小焊接变形的工艺措施

1）反变形法

用试验或计算方法，预先确定焊后可能发生的变形大小和方向，将工件安放在相反位置上（图4.2.6），或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊后所发生的变形（图4.2.7）。

图4.2.6　平板焊的反变形

图4.2.7　防止壳体焊接局部塌陷的反变形

2）加裕量法

根据经验，在工件下料尺寸上加一定裕量，通常为0.1%～0.2%，以补充焊后的收缩。

3）刚性夹持法

焊前将工件固定夹紧，焊后变形即可大大缩小。固定夹紧的方法较多，可用简单的夹具或刚性支撑，甚至可将工件临时点固焊在工件平台上。批量生产时，则常用装配焊接专用胎夹具。但刚性夹持法只适用于塑性较好的低碳钢结构，对淬硬性较大的钢材及铸铁不能使用，以免焊后产生裂缝。

4）选择合理的焊接次序

如构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱。例如，如图4.2.8所示X形坡口多层焊工件，图（a）所示次序可以减小焊接变形；如果像图（b）那样先把一面的坡口全部焊满，则工件已经产生较大的角变形、再翻转焊另一面时，因刚性已经很大，就无法纠正已产生的角变形了。工字梁与矩形梁四条焊缝的次序，应按如图4.2.9所示那样进行，否则也要向先焊完的一侧产生大的弯曲变形。

（2）矫正焊接变形的方法

在实际生产中，即使采用上述措施，焊后有时仍会产生超过允许值的变形，为确保结构形状与尺寸要求，常需进行矫正。矫正的实质是使结构产生新的变形，以抵消焊接时已经产生的变形。生产中常用的矫正方法有两种，即机械矫正法与火焰加热矫正法。

图4.2.8　X形坡口焊接次序

　　　
图4.2.9　梁的焊接次序

1）机械矫正法

利用机械外力的矫正变形，可采用辊床、压力机、矫正机等机械外力，也可用手工锤击矫正。

2）火焰加热矫正法

利用氧-乙炔火焰在焊件适当部位上加热，使工件在冷却收缩时产生新的变形，以矫正焊接所产生的变形。如图4.2.10所示，焊后已经产生上拱的丁字梁，可用火焰在图示腹板位置进行加热，加热区呈三角形，一般加热到600～800℃，然后冷却使腹板收缩引起反向变形，可使工件矫直过来。火焰加热矫正变形方法主要用于低碳钢和部分普通低合金结构钢。

图4.2.10　火焰矫正法

（3）减少焊接应力的工艺措施

1）选择合理的焊接次序

焊接平面形工件上的焊缝，应保证焊缝的纵向与横向收缩能够比较自由，如变形受阻，焊接应力就要加大。焊接交叉焊缝时，例如图4.2.11所示三块钢板的拼接焊缝，按图（a）的次序1，2进行，可减少内应力；反之，如按图（b）的次序进行就要增大内应力，特别是在交叉处（A的位置）易发生裂缝。

图4.2.11　焊接次序对焊接应力的影响

2）预热法

最有效地减少焊接应力是焊前预热，即在焊前将工件预热到350～400℃，然后再进行焊接。预热可使焊缝区金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时缓慢冷却收缩，因此可显著减小焊接应力，同时可减少焊接变形。

3）焊后退火处理

焊后退火是最常用也是最有效的消除焊接应力的一种方法。它是焊后将工件均匀加热到600～650℃，保温一定时间（≥1 h），而后缓慢冷却。整体退火处理一般可消除80%～90%的焊接残余应力。

2.3　焊接接头的主要缺陷及检验

2.3.1　焊接接头的主要缺陷

焊接缺陷主要有焊接裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、烧孔和焊瘤等。现将几种主要的缺陷介绍如下：

（1）焊接裂纹

在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏，形成新的界面，从而产生缝隙，该缝隙成为焊接裂纹。在使用过程中，裂纹会扩大，甚至使结构突然断裂，因而，裂纹是接头中最危险的缺陷，是不允许存在的。

图4.2.12　常见的焊接缺陷

常见的焊接裂纹主要有两类：热裂纹和冷裂纹。

1）热裂纹

一般是指在固相线附近的高温产生裂纹，如图4.2.12（d）所示。裂纹经常发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中产生。也有发生在热影响区的，在加热到过热温度时，晶间低熔点杂质发生熔化，产生裂纹。热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，其断口具有氧化色。当钢中杂质（如硫、磷等）较多时，易形成低熔点共晶体，在拉应力作用下就会产生热裂纹。

2）冷裂纹

对钢来说通常是指在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹。它主要发生在易淬硬钢的热影响区，个别情况下也出现在焊缝上。冷裂纹通常在焊后延迟一段时间才发生，称延迟裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。表面冷裂纹无氧化色彩。冷裂纹是由于焊接应力和氢共同作用于淬硬组织而产生的。

（2）未焊透

焊接时接头根部未完全熔透的现象为未焊透，如图4.2.12（a）所示。未焊透部位相当于存在一个裂纹，它不仅削弱了焊缝的承载能力，还会引起应力集中形成一个开裂源。导致产生该缺陷的原因有：坡口角度或间隙太小、钝边过厚、坡口不洁、焊条太粗、焊接电流太小、焊接过快以及操作不当所致。

（3）未熔合

焊接时是指焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分；点焊时是指母材与母材之间未完全熔化结合的部分，统称为未熔合，如图4.2.12（a）所示。其危害同于未焊透。当坡口不洁、焊条直径过大及操作不当时皆可产生此缺陷。

（4）夹渣

焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣，其影响同于气孔。产生的原因有坡口角度小，焊件表面不清洁、电流小、焊接速度过大等。预防夹渣的措施是：仔细清理待焊表面；多层焊时层间要彻底清渣；减缓熔池的结晶速度。

（5）气孔

焊接气孔的产生是由于在熔池液体金属冷却结晶时产生气体，同时冷却结晶速度快，气体来不及逸出熔池表面所造成的。焊接气孔有3种：氢气孔、一氧化碳气孔和氮气孔，如图4.2.12（b）所示。防止气孔的措施主要有：焊条、焊剂要烘干；焊丝和坡口及两侧母材要清除锈、油、水；焊接时采用短弧焊（尤其是碱性焊条），注意操作技术，控制焊接速度，使熔池中气体逸出来等。

（6）咬边

由于焊接参数选择不当或操作工艺不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷称为咬边，如图4.2.12（c）所示。一般结构中咬边深度不允许超过0.5 mm，重要结构（如高压容器）中不允许存在咬边。在电流过大、电弧过长、焊条角度不当等情况下均会产生咬边。对不允许存在的咬边，可将该处清理干净后进行补焊。

2.3.2　焊接缺陷检验

焊接质量检验是焊接结构工艺过程的组成部分，通过对焊接质量的检验和分析缺陷产生的原因，以便采取有效措施，防止焊接缺陷，保证焊件质量。质量检验包括焊前检验、工艺过程中检验、成品检验三部分。

焊前和焊接过程中，对影响质量的因素进行检查，以便防止和减少缺陷。

成品检验是在全部焊接工作完毕后进行。常用的方法有外观检验和焊缝内部检验。

外观检验是用肉眼或低倍（小于20倍）放大镜及标准焊板、量规等工具，检查焊缝尺寸的偏差和表面是否有缺陷，如咬边、烧穿、气孔、未焊透等缺陷。对于要求密封和承受压力的容器或管道，应进行焊缝的致密性检验。常用的方法有X射线、γ射线和超声波探伤等。