金屬材料焊接主要缺陷及控制方法概述

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1、1 焊接缺陷對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響 1.1 對(duì)產(chǎn)品性能的影響 焊接過程中的缺陷將直接影響到產(chǎn)品的力學(xué)性能和使用壽命。具體來說，出現(xiàn)裂紋將導(dǎo)致產(chǎn)品承載能力的大幅減弱，使其在承受拉力或彎曲荷載時(shí)易發(fā)生斷裂。裂紋往往起自表面，沿著殘余應(yīng)力集中的方向擴(kuò)展，最終貫穿焊縫造成開裂。另外，未熔合和未焊透也會(huì)使焊縫斷面縮小，損害產(chǎn)品的整體強(qiáng)度。當(dāng)載荷作用時(shí)，應(yīng)力集中在未熔合處，將促使裂紋的形成發(fā)展。夾渣和氣孔等則會(huì)破壞焊縫的連續(xù)性，降低抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也成為疲勞源，縮短疲勞壽命。焊接時(shí)金屬熔池周圍區(qū)域的快速升溫與冷卻循環(huán)，將在熱影響區(qū)產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力，這增加了焊道沿冷裂紋和熱裂紋的傾向。除影響靜強(qiáng)度外，

2、焊接缺陷還會(huì)削弱產(chǎn)品的抗沖擊能力。表面及內(nèi)部的各種缺陷都可能使產(chǎn)品在承受沖擊載荷時(shí)產(chǎn)生斷裂。此外，焊接缺陷還會(huì)降低產(chǎn)品的韌性，增加脆性，使其更易發(fā)生斷裂。在振動(dòng)激勵(lì)下，缺陷處的動(dòng)力應(yīng)力集中將加速疲勞開裂的發(fā)展，大大縮短使用壽命。 1.2 對(duì)產(chǎn)品使用安全的影響 焊接過程中的各類缺陷不僅會(huì)損害產(chǎn)品的力學(xué)性能，更會(huì)對(duì)使用安全構(gòu)成嚴(yán)重隱患。具體來說，裂紋是最危險(xiǎn)的缺陷形式，它可以導(dǎo)致產(chǎn)品在使用中發(fā)生開裂或破斷。對(duì)承受內(nèi)壓的管道、容器等，裂紋很可能導(dǎo)致爆炸事故。即使裂紋尺寸很小，在反復(fù)載荷作用下也會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終造成致命破壞。除裂紋外，未熔合與未焊透也可能使焊縫無法良好密封，產(chǎn)生泄漏隱患。如用于液體

3、、氣體管道的焊接接頭存在未焊透，很可能在使用過程中發(fā)生泄漏。夾渣、氣孔等則會(huì)降低抗壓強(qiáng)度，同樣存在安全隱患。焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂，降低產(chǎn)品的靜態(tài)強(qiáng)度。在承受動(dòng)載荷時(shí)，殘余應(yīng)力還會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的生成。殘余應(yīng)力與外加載荷疊加效應(yīng)，將大幅減少產(chǎn)品的疲勞壽命?？梢哉f，焊接缺陷增加了產(chǎn)品發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)，使用過程中很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故及財(cái)產(chǎn)損失。焊接缺陷還會(huì)縮短產(chǎn)品壽命，需頻繁進(jìn)行維修或更換，增加使用成本。 2 焊接缺陷分類 2.1 裂紋 裂紋是最嚴(yán)重和最危險(xiǎn)的焊接缺陷，會(huì)對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能造成致命打擊。根據(jù)裂紋的生成機(jī)理，可分為熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋。

4、熱裂紋在焊接過程中所形成，主要是由于熔池及其周圍的大溫度梯度導(dǎo)致的熱應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度。焊接時(shí)，熔池邊緣受熱迅速而中間區(qū)域熱傳導(dǎo)緩慢，將產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，促使表面產(chǎn)生裂紋。此外，合金元素的損耗也會(huì)導(dǎo)致熱裂紋。冷裂紋則發(fā)生在焊接接頭冷卻階段，是由于金屬吸收了氫后產(chǎn)生的氫脆導(dǎo)致。焊接過程中不可避免會(huì)有少量氫吸收，冷卻時(shí)氫原子會(huì)聚集于微孔等處，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)將破壞晶間鍵合，使冷裂紋擴(kuò)展。再熱裂紋出現(xiàn)在焊接接頭經(jīng)歷再熱處理后，因此又稱回火裂紋。再熱會(huì)釋放焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力與再熱應(yīng)力疊加，超過材料強(qiáng)度而導(dǎo)致裂紋。焊接裂紋將嚴(yán)重削弱焊道的抗拉強(qiáng)度，使其無法承受設(shè)計(jì)應(yīng)力。表面裂紋還會(huì)導(dǎo)致腐

5、蝕介質(zhì)滲入，發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 2.2 未熔合與未焊透 未熔合和未焊透是焊接過程中常見的缺陷形式，都會(huì)嚴(yán)重削弱焊接接頭的機(jī)械性能。未熔合是指焊料與母材之間未能形成良好的熔合，產(chǎn)生了一個(gè)薄而脆弱的連續(xù)層。它往往是由于焊接熱輸入不足所致。熔化焊料與熔化母材之間存在明顯的液相線，斷口處可觀察到未充分熔化的焊料粒子。未熔合層強(qiáng)度低下，無法與母材形成高強(qiáng)度的金屬間鍵合，將成為裂紋的源頭。當(dāng)外力作用時(shí)，應(yīng)力集中在未熔合層，將導(dǎo)致界面開裂。未熔合還會(huì)造成焊縫密不封口，無法實(shí)現(xiàn)良好的密封效果。未焊透則是焊料未完全穿透兩側(cè)的母材，留有未熔化的母材。它使焊縫的有效截面積減小，承載能力降低，也無法實(shí)現(xiàn)完全的密封。與

6、未熔合相似，未焊透處同樣存在著薄弱的界面，應(yīng)力集中于此，很容易導(dǎo)致裂紋的生成?？梢哉f，未熔合與未焊透都是焊接熱輸入不足的結(jié)果，都將嚴(yán)重?fù)p害焊接質(zhì)量。必須通過參數(shù)優(yōu)化增加焊接熱輸入量，確保充分的熔穿及熔深，杜絕這兩種危害焊接強(qiáng)度的缺陷。 2.3 夾渣與氣孔 夾渣和氣孔是焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的兩類缺陷，都將損傷焊縫的連續(xù)性，削弱焊接接頭的力學(xué)性能。夾渣產(chǎn)生的原因是焊接時(shí)母材表面未去除干凈，存在油污、氧化皮、銹蝕產(chǎn)物等，這些雜質(zhì)在高溫下未能完全氧化或揮發(fā)，被困含在焊道中夾渣會(huì)破壞焊縫的連續(xù)性，并減小其承載荷載的截面積。氣孔是由焊接過程中大量產(chǎn)生的氣體無法排出形成，包括電弧氣化作用形成的氣體、母材中

7、吸附氣體的釋放、涂層濺射等。這些細(xì)小的夾渣顆粒和氣泡將嚴(yán)重削弱焊縫的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。在載荷作用下，應(yīng)力集中于這些微小裂隙處，將促進(jìn)裂紋的生成和擴(kuò)展。夾渣與氣孔還將損害焊道的密封性，使腐蝕介質(zhì)能夠滲入焊縫。此外，氣孔處的應(yīng)力集中也成為疲勞源，大幅降低疲勞強(qiáng)度。因此，要減少夾渣與氣孔的產(chǎn)生，必須在焊前對(duì)母材進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，同時(shí)優(yōu)化焊接參數(shù)，增加焊接穩(wěn)定性，確保熔池保護(hù)良好，氣體充分排出。 2.4 變形與殘余應(yīng)力 焊接過程中，金屬材料經(jīng)受局部區(qū)域的高溫加熱，且冷卻速度不均勻，這將在材料內(nèi)部引起復(fù)雜的熱應(yīng)力和熱變形。具體來說，焊縫及周邊區(qū)域首先受熱和冷卻，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度升降則較為緩慢。這

8、將導(dǎo)致焊件在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生明顯的彎曲、扭曲等變形。嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)扭曲后再扭曲回原位的“彈簧回彈”現(xiàn)象。焊接變形不僅會(huì)引起焊件形狀和尺寸的偏差，無法滿足設(shè)計(jì)要求，還可能導(dǎo)致焊接應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。此外，殘余應(yīng)力的存在也將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。在焊接過程中，由于金屬的熱脹冷縮性能不同，各部分的冷卻收縮量存在差異，使材料內(nèi)部存在應(yīng)力場(chǎng)。這些殘余應(yīng)力無法通過自由變形來釋放，將長(zhǎng)期存在于焊件中。在焊件使用過程中，外加負(fù)載將與殘余應(yīng)力疊加，當(dāng)超過材料屈服強(qiáng)度時(shí)，將引起應(yīng)力腐蝕開裂或疲勞開裂。殘余應(yīng)力還可能導(dǎo)致焊接產(chǎn)品表面出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂、微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生相變而力學(xué)性能降低等問題，大大縮短使用壽命。因此，必須

9、通過優(yōu)化焊接工藝，采取對(duì)稱棒料選擇、雙面焊接等措施，并進(jìn)行必要的后焊熱處理，來減輕和消除焊接過程中的變形與殘余應(yīng)力，確保產(chǎn)品質(zhì)量。 3 焊接缺陷控制方法 3.1 工藝措施 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)是減少焊接缺陷形成的重要措施之一。焊接時(shí)采用的電流、電壓直接決定了焊接熱量的輸入，影響熔池的形態(tài)、溫度分布及金屬的熔化和凝固過程。如果電流過小或電壓過低，會(huì)導(dǎo)致焊接熱量不足，熔深不夠，容易造成嚴(yán)重的未熔合與未焊透缺陷。反之，如果電流過大或電壓過高，會(huì)產(chǎn)生過度的焊接熱輸入，造成熔池過大、熔穿以及嚴(yán)重的燒損、燒蝕等缺陷。因此，必須根據(jù)不同的焊接材料及板厚情況，選擇匹配的焊接電參數(shù)組合。一般來說，

10、對(duì)鋼材采用直流電弧焊，鋼材板厚每增加1mm，焊接電流約需增加10A ～15A。同時(shí)，還需要綜合考慮焊條規(guī)格、焊接體位等因素，制定出優(yōu)化的焊接電參數(shù)方案。焊接速度也會(huì)直接影響熔池穩(wěn)定性、回填充實(shí)效果以及殘余應(yīng)力水平，快速焊接會(huì)加劇熔池流擠，產(chǎn)生多孔夾渣等缺陷。因此，焊接速度不能過快，需要與焊接位置、材質(zhì)相匹配。合理選擇焊接參數(shù)，不僅能夠提高熔壩成形質(zhì)量，也有利于減輕焊接應(yīng)力和變形，從而減少裂紋、殘余應(yīng)力等焊接缺陷的產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化焊接工藝方案，再嚴(yán)格控制作業(yè)過程中的參數(shù)，以達(dá)到良好的焊接質(zhì)量。 3.2 材料選擇與處理 合理選擇焊接材料與母材，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的焊前處理，是

11、確保焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。首先，焊條與母材的匹配直接影響熔池的流動(dòng)性。如果匹配不當(dāng)，將產(chǎn)生高粘性的熔池，形成大量氣孔與夾渣。一般來說，低合金鋼焊條用于碳鋼母材，不銹鋼焊條用于不銹鋼母材。選料時(shí)還要考慮焊條成分對(duì)母材成分的影響，避免損耗元素而引發(fā)熱裂紋。其次，母材表面情況會(huì)直接決定夾渣的數(shù)量。油污、銹蝕、氧化皮等會(huì)在高溫下釋放大量氣體，同時(shí)未能完全燃燒的雜質(zhì)也易生成夾渣。因此，必須進(jìn)行嚴(yán)格的母材焊前處理，包括脫脂清洗、噴射除銹、拋料除氧化皮等。一般采用清洗劑或有機(jī)溶劑進(jìn)行脫脂，使用細(xì)密的金屬光面也可有效去除油脂。對(duì)存在銹蝕的區(qū)域，需要先用砂輪打磨，再進(jìn)行噴砂除銹處理。最后通過噴丸、拋丸等物理方法除

12、去氧化皮。經(jīng)過系統(tǒng)焊前處理，可顯著減少母材表面殘留物，降低夾渣及氣孔缺陷的生成。因此，為獲得高質(zhì)量的焊接連接，必須綜合考慮材料配套性，并進(jìn)行規(guī)范化的焊前處理，從源頭上減少各類焊接缺陷的產(chǎn)生。 3.3 焊接設(shè)備與操作 焊接設(shè)備的性能直接決定了焊接過程的穩(wěn)定性，而焊工的操作技能也是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。先進(jìn)的焊接設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)精確的焊接參數(shù)控制，如電弧電壓穩(wěn)定度高、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣，能夠有效減少熔池動(dòng)態(tài)變化過大導(dǎo)致的焊接缺陷。與此同時(shí)，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)配合高性能的焊接設(shè)備，能夠有效降低焊工操作誤差的影響，保證焊接熱輸入的均勻性。這不僅提高了焊縫成形質(zhì)量，也減小了殘余應(yīng)力和變形的發(fā)生概率。另一方面，焊

13、工的操作技能決定了實(shí)際焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的一致性。熟練的焊工可以配合自身經(jīng)驗(yàn)，實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍操作方式和焊接速度，最大程度減少熔池動(dòng)態(tài)變化對(duì)成形的影響。同時(shí)，熟練焊工還可以根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整焊接參數(shù)，確保每一個(gè)焊道獲得充分而均勻的熱輸入。相反，操作不夠熟練的焊工可能會(huì)由于手持操作不穩(wěn)、焊接速度不均勻等原因?qū)е戮植咳廴诓怀浞?、留下氣孔與夾渣等缺陷。因此，選用性能優(yōu)異的自動(dòng)焊接設(shè)備，配備經(jīng)驗(yàn)豐富的熟練焊工，不僅能夠保證焊接工藝的穩(wěn)定重復(fù)性，還要根據(jù)具體情況調(diào)整參數(shù)，從而最大限度減少各類焊接缺陷，獲得優(yōu)質(zhì)的焊接連接。 3.4 焊接過程監(jiān)控與檢測(cè) 采用先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊接過程進(jìn)行在線監(jiān)控

14、，是保證焊接質(zhì)量的有效手段。例如，采集電弧聲信號(hào)并提取特征參數(shù)，可以對(duì)電弧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，反映出焊接過程的穩(wěn)定性。一旦檢測(cè)到電弧聲異常，能夠快速響應(yīng)并調(diào)整相關(guān)參數(shù)，避免產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。另外，應(yīng)用紅外測(cè)溫和圖像處理技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱場(chǎng)變化和熔池形態(tài)，反映焊接熱輸入是否充足。檢測(cè)到熱場(chǎng)異常時(shí)，可及時(shí)調(diào)整焊接速度或電流，減少未焊透、未熔合等缺陷的發(fā)生。此外，使用旋轉(zhuǎn)鏡頭攝像技術(shù)，可以全方位拍攝焊接過程，并輔以圖像識(shí)別算法判斷焊接形態(tài)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)熔滴過少、續(xù)弧不良等問題。對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還可以為焊接工藝優(yōu)化提供依據(jù)。焊后，通過射線、超聲波等無損檢測(cè)，可以進(jìn)一步找出存在的內(nèi)部缺陷，以便處理和控制。將這些檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)焊接過程的閉環(huán)控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過焊接過程的精準(zhǔn)監(jiān)控與檢測(cè)，不僅能夠減少缺陷的產(chǎn)生，還可持續(xù)優(yōu)化焊接工藝，確保獲得高質(zhì)量和高可靠性的焊接接頭。這對(duì)于提升自動(dòng)化生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量十分關(guān)鍵。