鋼結構加工中焊接質量缺陷的防止方法
焊接是較複雜的工藝過程，影響質M的因素很多，在焊接的過程中不可避免會出現這樣和那樣的質量缺陷。焊接質量缺陷會影響鋼結構工件的結構要求，導致應力集中，降低鋼結構承載能力，縮短其使用壽命，甚至造成脆斷，所以鋼結構生產技術規程中對焊接缺陷做出了嚴格限制，對於超標缺陷必須進行徹底去除和焊補。熔化焊接缺陷冇焊縫內部缺陷、氣孔、夾渣、裂紋等。焊縫形狀缺陷主要有焊縫尺寸不符合要求、咬邊、未焊透、未熔合、燒穿、焊瘤、弧坑、電弧擦傷、飛濺等，焊縫形狀缺陷的產生是由於工藝因紊造成的，通過採取適當的焊接規範及工藝都可以避免。氣孔、夾渣、裂紋的產生除與工藝因素有關外，還與焊接冶金過程有重要關係。
(1)氣孔
氣孔是指焊縫表面或內部形成的連續的或不連續的孔洞。氣孔的形成是由於熔池金屬中的氣體在金屬結晶凝固前未能及時逸出，從而以氣泡的形式殘留在凝固的焊縫金屬內部或出現在焊縫表面。
氣孔的存在不僅減少了焊縫金屬的有效工作截面，顯著地降低金屬的強度和塑性，而且還可能造成應力集中，引起裂紋，嚴重地影響到動載強度和疲勞強度。此外，彌散小氣孔雖然對強度影響不顯著，但會引起金屬組織疏鬆，導致塑性、氣密性和耐腐蝕性降低。
①氣孔的種類分佈和形成焊縫氣孔可按不同的特徵分為不同的型別。按分佈位置及特徵，有表面氣孔，也有焊縫內部氣孔，有時以單個分佈，有時成堆密集；按形成氣孔的氣體來源不同可分為析出型和反應型氣孔。總之，氣孔型別繁多。研究表明，氣孔的形成是多種氣體（包括c()、H2和N2)共同作用的結果，但通常其中一種氣體是氣孔內氣體的主要成分。
由於產生氣孔的氣體不同，因而氣孔的形態和特徵也有所不同。
a.氫氣孔對於低碳鋼和低合金鋼的焊接來講，在大多數情況下，氫氣孔出現在焊縫的表面上，氣孔的端面形狀如同螺釘狀，在焊縫的表面上呈喇叭口形，而氣孔的四周有光滑的內壁。
但這類氣孔有時也會出現在焊縫的內部。如焊條藥皮中含有較多的結晶水，使焊縫中的含氫量過高，因而在凝固時來不及上浮而殘存在焊縫內部。
氫氣孔是在結晶過程中形成的，但氫又具有較大的擴散能力，極力掙脫現成表面，上浮逸出，兩者綜合作用的結果，最後形成了具有喇叭口形的表面氣孔。
b.氮氣孔其機理一般認為與氫氣孔相似，氣孔的型別也多在焊縫表面，但多數情況下是成堆出現，與蜂窩相似。在焊接生產中由氮引起氣孔較少。氮的來源，主要是由於保護不好，有較多的空氣侵人熔池所致。
c.CO氣孔這類氣孔主要是在焊接時，由於冶金反應產生了大量的CO，在結晶過程中來不及逸出而殘留在焊縫內部形成氣孔。氣孔沿結晶方向分佈，有些像條蟲狀，臥在焊縫內部。
因為各種結構鋼總是含有一定的碳元素，焊接時，由於冶金反應而產生了大量的CO，此時產生的CO就不易逸出，很容易被圍困在晶粒之間。
此外，某些情況下還有可能形成水蒸氣氣孔。
各種氣體形成的氣孔都有各自的形狀分佈和特點，但無論哪一種氣孔都是在熔池內形成的氣體，在一定條件下發生聚集而形成氣泡，氣泡長大到一定程度便會上浮，如果氣泡受到熔池內部結晶的阻礙，就可能在焊縫內部形成氣孔。
②影響氣孔形成的因素焊縫中生成氣孔的因素是多方面的，有時是幾種因素共同作用的結果，但冶金因素和工藝因素起主導作用。
a.冶金因素的影響冶金因素主要指與焊接化學冶金過程有關的因素，如熔渣的化學性質、焊條藥皮或焊劑的成分、保護氣體的種類、鐵鏽和水分等。
焊接時，熔渣的氧化性強弱，對生成氣孔的傾向有明顯的影響。試驗證明，熔渣的氧化性增強，CO氣孔的傾向就增強，而氫氣孔的傾向減小；熔渣的還原性增強則相反。
焊條藥皮和焊劑的組成都比較複雜，所以對生成氣孔的影響也比較複雜。現僅介紹焊接低碳鋼和低合金鋼時的影響。CaF2可以去氫，所以用鹼性焊條或加CaF2的焊劑焊接低碳鋼，可以有效地防止氫氣孔。
焊接區內的鐵鏽、氧化皮、水分、油汙等對生成氫氣孔的影響是很大的。’
b.工藝因素的影響工藝因素是指與焊接有關的因素，如焊接工藝引數、電流種類和操作技能等。為了減小焊縫中的氣孔，應適當增加熔池的存在時間“增加t可通過增大電弧功率或降低焊接速度來實現。實踐證明，提高電弧電壓會使熔池保護效能變差，氮氣孔傾向增加。提高焊接速度，會使結晶速度增加，氣孔傾向也增加。
定位焊是固定結構尺寸和減小結構變形的焊縫。由於焊縫尺寸短、氣體保護性差、母材溫度低、冷卻速度快，所以定位焊縫處出現氣孔傾向大。為此，定位焊應按正式焊縫來要求。
③氣孔控制措施氣孔是焊縫中常見一種缺陷，產生的因素是多方面的，它的存在會使焊縫截面減小、強度降低，還會使腐蝕加劇，導致結構過早失效。因此，對氣孔要給予足夠的重視，根據生產條件採取相應措施。從形成氣孔的原因和條件分析，防止焊縫氣孔的措施如下。
a.控制氣體的來源焊前嚴格清理母材及焊材表面的油汙、鐵鏽，對焊接材料進行烘乾（一般鹼性焊條的烘乾溫度為350〜450°C，酸性焊條的為200°C左右），正確選擇焊接材料、加強對焊接區的保護。對焊條電弧焊，關鍵是保證引弧時的電弧穩定性和藥皮的完好；氣體保護焊時，要保證足夠的氣體流量、氣體純度。
b.排除熔池中已溶人的氣體採用適當的焊接工藝引數，優化焊接工藝，如對低氫型焊條，應儘量採用短弧焊，並適當配合擺
動，有利氣體的逸出。
(2)熱裂紋
焊接熱裂紋即在焊接過程中，焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區產生的裂紋。不同的金屬材料焊接熱裂紋的形態、產生機理以及產生的溫度區間各不相同，為此，熱裂紋又可分為結晶裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋。
①結晶裂紋的形成和控制結晶裂紋又稱凝固裂紋，是焊接裂紋中常見的一種，產生於焊縫凝固過程中，一般沿著焊縫樹枝狀晶的交界處發生和發展，大多數呈縱向分佈在焊縫中心，裂紋與焊波呈垂直分佈。
a.結晶裂紋的形成機理無論是縱向裂紋還是弧形裂紋，最常見的情況是沿焊縫中心長度方向開裂。結晶裂紋的這種分佈說明了焊縫的結晶過程中晶界是個薄弱地帶。在焊縫金屬結晶後期，熔點較高的純金屬已凝固成晶粒，殘留的低熔點共晶被排擠到晶粒的交界處，存在於晶粒之間形成了液態薄膜，隔開了晶粒之間的聯絡，山於先凝固的焊縫金屈收縮，使焊縫中心部位受到一定的拉伸應力，焊縫中心部位液態薄膜在拉伸應力的作用下形成結晶裂紋。
b.影響結晶裂紋的因素影響結晶裂紋的因素很多，但從本質上來看，主要可歸納為兩個方面，即冶金因素和工藝因素。
•冶金因素結晶裂紋形成的冶金因素主要是合金狀態的型別和結晶溫度區間對結晶裂紋的影響，研究表明，結晶裂紋傾向的大小隨合金狀態結晶溫度區間增大而增加。隨合金元素的增加，結晶溫度區和脆性溫度區也增大，因此結晶裂紋的傾向也是增加的。當合金元素進一步增加時，結晶區和脆性溫度區反而減小，所以裂紋傾向也隨之降低。
此外，初生相的晶粒大小‘、形態和方向也都會影響結晶裂紋產生的傾向。當對金屬進行變質處理後，不僅打亂了柱狀晶的方向性，而且晶粒細化後晶界明顯增多，減少了雜質的集中程度，有效地降低了結晶裂紋的傾向。改善焊縫凝固結晶、細化晶粒是提高抗裂性的重要途徑。
合金元素對結晶裂紋的影響十分複雜，是影響裂紋最本質的因素。硫、磷幾乎在各類鋼中都會增高結晶裂紋的傾向，即使是微量存在，也會使結晶溫度區間大為增加。
碳在鋼中是影響結晶裂紋的主要元素，並能加劇其他元素（如s、P等）的有害作用，所以用碳當量來評價鋼種焊接性的難易。
錳具有脫硫作用，能置換Fes為MnS，同時也能改善硫化物的分佈形態，使薄膜狀FeS改變為球狀分佈，從而提高了焊縫的抗裂性。
•工藝因素主要是合理選擇焊接材料和控制焊接引數。
熔合比的影響：對於一些易於向焊縫轉移某些有害雜質的母材，焊接時，必須儘量減小熔合比，或者開大坡口，或者減小熔深，焊接中碳鋼、高碳鋼以及異種金屬時，限制熔合比具有極重要的意義。
冷卻速度的影響：一般來說，接頭冷卻速度越大，變形速率越大，越易於促進產生熱裂紋。如冬季在室外進行不預熱焊接時，就難以防止產生熱裂紋。
拘束度的影響：為防止接頭產生熱裂紋。從結構設計時就應考慮接頭的剛度或拘束度，如儘可能減小板厚和合理佈置焊縫。因為這些焊縫所承受的壓力正好作用在焊縫的結晶面上，故易於引起裂紋。
還應注意控制合理的焊接順序，施焊順序不合理時，最後幾條焊縫可能處於被拘束狀態，不能自由伸縮，從而增大應變數，易促使裂紋產生。在一般情況下，儘可能採用對稱施焊，以利分散應力，減少裂紋傾向。
②液化裂紋液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，尺寸很小，一般都在0.5mm以下。
a.液化裂紋的形成機理一般認為，由於焊接時在高溫下使近縫區或焊縫層間金屬的奧氏體晶界上的低熔點共晶被重新熔化，在拉伸應力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。另外，在不平衡的加熱和冷卻條件下，由於金屬間化合物分解和元素的擴
散，造成區域性地區共晶成分偏高而發生區域性晶間液化，同樣也會產生液化裂紋。山此可知，液化裂紋也是由冶金因素和力學因素共同作用的結果。.
b.影響液化裂紋的因素液化裂紋的形成機理與結晶裂紋基本一致，因此影響因素也大致相同，即冶金因素和工藝因素共同作用的結果。
•化學成分的影響液化裂紋主要出現在合金元素較多的高強鋼、不鏽鋼和耐熱合金鋼的焊接件中，化學成分C、S、P的影響與對結晶裂紋的影響基本一致。
Ni是高強鋼和不鏽耐熱鋼以及耐熱合金中的主要合金元素，但Ni也是液化裂紋敏感的元素。一方面Ni是強烈的奧氏體形成元素，可顯著降低有害元素（S、P)的溶解度。另一方面，Ni易與許多元素形成低熔點共晶，故易於產生液化裂紋。
•工藝因素的影響工藝因素中焊接線能量對液化裂紋有很大影響，線能W：越大，由於輸人的熱暈多，晶界低熔相的熔化就越嚴重，晶界處於液態的時間就越長，液化裂紋的傾向也就越大。因此，線能暈增加，不僅促使晶界液化，而且也增加了焊縫的應力，使液化裂紋傾向增大。
c.防止液化裂紋的措施
•選擇合適化學成分的鋼材母材對含鎳量高的鋼應選用精煉的方法，提高鋼材的純度，降低雜質的含量。
•控制焊縫的凹度焊縫凹度是產生液化裂紋的重要因素，控制凹度，是凹度d
•採用小的焊接線能量焊接熱影響區的粗晶粒區是產生液化裂紋的主要部位，降低線能量可減小過熱，進而減小裂紋傾向。
(3)冷裂紋
冷裂紋是由於材料在常溫下脆化而形成的裂紋。產生熱裂紋的脆性溫度區間往往高於其工作溫度範圍，而冷裂紋往往是在其工作溫度區間產生的，故一旦產生後在工作應力的作用下，冷裂紋有可能迅速擴充套件，造成災難性事故。
①冷裂紋的分佈特徵冷裂紋的分佈特徵主要有以下幾種典型情況。
a.焊道下裂紋其特徵是在距熔合線0.1〜0.2mm的近縫區中形成微小的裂紋。這種裂紋經常發生在淬硬傾向大、含氫量較高的焊接熱影響區，裂紋走向大體與熔合線平行，但也有垂直於熔合線的。
b.焊恥和焊根裂紋這種裂紋起源於母材與焊縫交界，且有明顯應力集中的缺口部位，一是焊縫的焊趾，二是焊縫根部，組織均為粗大的馬氏體，裂紋經常與焊縫方向一致。前者稱為焊趾裂紋，後者稱為焊根裂紋。
c.生成溫度冷裂紋生成溫度上限通常在50〜100°C,其下限則為一75°C左右，超出此溫度範圍就不易形成。發生時間：有些裂紋焊後不立即出現，而是有一段時間的潛伏期（孕育期），即經過一段時間之後才出現。焊道下裂紋最為典型，這種有潛伏期的冷裂紋因延遲開裂，故可稱延遲裂紋。冷裂的臨界應力：最典型的延遲裂紋的形成及擴充套件與所受應力之間有一定關係，當應力高於上臨界應力時，立即斷裂，無延遲現象，但此時的強度低於無氫試樣的缺口拉伸強度，低於下臨界應力時，不發生斷裂。
②冷裂紋形成機理焊接冷裂紋的形成與接頭中的含氫量、被焊鋼材的淬硬傾向以及接頭所處的拘朿應力狀態具有密切的聯絡，這三者可稱為形成裂紋的三大要素。
a.氫的作用氫在金屬中有兩種形式，一是可以運動的擴散氫；二是不可運動的殘留氫。擴散氫在冷裂紋的形成中起著重要的作用。它決定了裂紋形成過程中的延遲特點及其斷口上的氫脆開裂特徵。焊接時，氫要極力逸出，但由於冷卻速度很快，使一部分氫來不及逸出，因此冷卻下來後會有大量的氫以過飽和形式存在於焊縫金屬中。這一部分有活動能力的過飽和氫成為擴散氫。擴散氫對冷裂紋的形成和擴充套件起著重要的作用。
b.組織硬化作用通常焊接熱影響區的近縫區淬硬程度越大或脆硬馬氏體數量越多，越易形成冷裂紋。合金化程度越高的鋼，
就越易淬硬，所以，微合金化高強鋼已廣泛應用於焊接結構的製造。
C.應力的作用應力（內應力和外拘束應力）是產生裂紋的又一個重要因素。所以目前主要用表徵不同外拘束條件的巨集觀拘束應力來作為評價影響冷裂紋的力學條件。這種外拘朿條件可用拘束度來表徵，當焊接時產生的拘束度不斷增大，直接形成裂紋時的應力稱為臨界拘束應力。•
根據以上分析可知，氫、組織硬化和應力三者對冷裂紋的影響是非常複雜的，它們的影響不是孤立的，相互之間有著密切的關係。含氫量越高，組織氫脆敏感性越大，應力越大，則產生冷裂紋的傾向越大。
③冷裂紋的防止冷裂紋的影響因素很多，也很複雜，因此防止冷裂紋總的原則就是控制影響冷裂紋的三大因素，即儘可能降低拘束應力、消除一切氫的來源，並改善組織。以下就是從冶金和工藝兩個方面闡述冷裂紋的防止。
a.冶金方面
•選擇抗裂性好的鋼材。採用先進的冶煉技術可大大提高鋼材的質最，降低鋼中雜質含量。近年開發的低碳微合金化鋼具有良好的抗裂效能，如國產CF鋼和Q420鋼等，採用相應的低氫焊條焊接，即使焊前不預熱，焊後不進行熱處理，也不會產生冷裂紋。
•焊接材料的選用如下。
選用低氫或超低氫焊條：從焊條本身看，選用低氫或超低氫焊條是防止冷裂紋的有效措施之一。但必須注意，低氫焊條應嚴格限制藥皮含水量，焊條的烘乾十分重要。
選用低強焊條：為防止接頭產生冷裂紋，一般高強鋼均不允許焊縫中有馬氏體相變發生，因此，選用低強焊條（使焊縫強度低於母材強度）焊接易於達到這一要求。
選用奧氏體焊條：採用奧氏體焊條的優點是可避免採取預熱措施，而又能防止冷裂紋的產生。此外，採用奧氏體焊條時，必須儘可能限制焊接電流，以減少熔合比，防止冷裂紋的產生。•
選用低氫的焊接方法：co2氣體保護焊由於保護氣體具有一定的氧化性，故可以獲得低氫焊縫，可以顯著改善抗冷裂的能力。
b.焊接工藝方面控制預熱溫度、線能量以及採用多焊道工藝，以防止奧氏體晶粒粗化，均有利氫的逸出和減輕硬化，從而可以顯著降低接頭冷裂紋傾向。
各種防止冷裂紋的措施固然重要，但實際生產中有一些工藝細節可能對冷裂紋的產生有相當大的影響，而這些細節又常常易被忽視。其中特別要強調的是設計上和施工過程中造成的應力集中，這常是冷裂紋形成和發展為破壞事故的重要原因之一。
(4)其他焊接缺陷及防止
金屬熔化焊焊接缺陷一般分為裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透、形狀缺陷和其他缺陷幾類。其中裂紋屬於嚴重缺陷；其他缺陷屬於一般缺陷，但裂紋以外的其他缺陷表現到一定程度時也可轉化成嚴重缺陷。嚴重缺陷危及產品質量，一旦發現應採取措施處理。無論是一般缺陷還是嚴重缺陷都應積極進行防止。
①夾渣夾渣是焊接後焊縫內有殘留的固體夾雜物。夾渣是由於焊接規範不當，如焊接電流過小、焊速過快，使焊縫金屬冷卻太快，夾渣物來不及浮出；運條不正確，使熔化金屬和熔渣混淆不清；工件焊前清理不好，多層焊的前一層熔渣未清理乾淨等原因而產生。夾渣減弱焊縫強度，在內應力作用下，易形成冷裂紋。
防止措施：
a.焊前應對焊件認真清理；
b.多層焊時應對前一層熔渣清除乾淨；
c.正確選用焊接規範，焊接電流不應過小，焊接速度不宜過快；
d.運條方法要正確，操作時要注意觀察熔渣的流動方向，以防止夾渣形成。
②咬邊咬邊是在焊接中母材被熔化後未能填充金屬形成焊縫或母材“缺肉”現象。咬邊的產生，是由於工件被熔化下去一定深度，而填充金屬又未能及時流過去補充所致。因而在電流過大，
電弧拉得太長以及焊條角度不當時均會形成咬邊。平對接焊一般不易出現，而平角焊、立焊、橫焊和仰焊時，則容易產生咬邊。
咬邊分間斷和連續咬邊兩種。咬邊減弱焊縫強度並極易發生冷熱裂紋。
防止措施：
a.電流和焊速要適當；
b.焊條角度和運條方法應正確，電弧不要太長。
③未熔合未熔合是在焊接金屬與母材之間或各層焊道金屬之間未完成熔化結合的部分。未熔合是由於母材坡口或先焊的焊縫金厲表面有鐵鏽、熔渣或髒物未清除乾淨，焊接時又未能將其熔化而蓋上熔化金屬；電流過小或焊速太快，由於熱量不足，致使母材坡口或先焊的焊縫金屬未得到充分熔化；焊件散熱速度太快，或起焊處溫度低，使母材的開始端未熔化，從而產生未熔合；操作不當或磁偏吹，使電弧熱偏於一方，電弧作用較弱處覆蓋上熔化金屬也易產生未熔合。未熔合實際上就是焊接接頭中的裂紋，危害極大。
防止措施：
a.焊前應對坡口表面仔細清理，清除鐵鏽、油汙等髒物；
b.正確選擇焊接規範，焊接電流不應過小、焊速不應太快，但焊接電流也不宜過大，否則焊條過度發紅而造成熔化太快，在母材邊緣還沒有達到熔化溫度時，焊條的熔化金屬已覆蓋上去而造成未熔合；
c.對於散熱速度太快的焊件，可採取焊前預熱或焊接的同時用火焰加熱；
d.操作要正確或避免產生磁偏吹現象，使電弧不要偏於一方，保證各處均勻加熱等均有利於防止未熔合現象的發生。
④未焊透未焊透是焊接時焊接接頭根部未完全熔透的現象。未焊透產生的原因是焊件坡口表面清理不乾淨，如有比較厚的漆、氧化皮等雜質，焊接坡U太小、鈍邊太大或應幵坡口的未開坡口，組對時未留間隙或留間隙太小；焊接電流小，焊條移動快，焊條角度不對，焊條直徑過大均易造成根部未焊透。未焊透部位其實是嚴
重的裂紋缺陷。
防止措施：
a.正確確定坡口形式和裝配間隙；
b.認真清除坡口邊緣兩側的汙物；
c.合理選擇焊接電流，焊條角度要正確，運條速度要根據焊接電流大小、焊件的薄厚以及焊接位H來選擇，不應移動過快，隨時注意不斷調整焊條角度；
d.對於導熱快、散熱面積大的焊件，可在焊前預熱或焊接的同時用火焰加熱，焊縫的起頭處與接頭處，可選用長弧預熱後再焊接；
e.對於要求全焊透的焊縫，如果是根部未焊透，條件允許時可將反面熔渣和焊瘤等清除後再焊一遍，應儘量採用單面焊雙面成形工藝。
⑤形狀尺寸不符合要求焊縫形狀尺寸不符合要求屬於形狀缺陷。造成的主要原因是：
a.焊件坡口開得不當或裝配間隙不均勻；
b.焊接規範選用不適當，如電流過大或過小，焊接速度過快或過慢；
c.焊接操作不熟練，如運條手法不正確，焊條與工件夾角太大或太小。
防止措施：
a.選擇恰當的坡口角度及裝配間隙；
b.正確選擇焊接規範；
c.提高焊工的操作技術水平，使焊縫形狀尺寸符合要求。
如果出現焊縫尺寸不符合要求的情況，應認真修補。對於某些
重要焊接結構的角焊縫和平焊縫，應保證焊縫向母材有平滑的過渡，減少應力集中，滿足焊縫的強度要求。
其他焊接缺陷還有焊瘤、弧坑、偏析和應力腐蝕裂紋等。其中應力腐蝕裂紋產生機理複雜、潛伏期較長，但危害極大，在鋼結構產品中應注意防止，並在使用時定期檢測，防止應力腐蝕開裂的
發生。
焊接缺陷發生後應採取措施處理。特別是嚴重缺陷，應編制返修處理方案，按方案要求進行返修處理。