內(nèi)河船焊接缺陷成因及預防

1、內(nèi)河船舶焊接缺陷成因及預防摘 要 內(nèi)河船舶因其船體結構的特殊性,其對于焊接的要求較高,而在船舶焊接過程中,不可避免的都會存在一些焊接缺陷,從而對船舶致密性和使用強度產(chǎn)生較大甚至是致命的損害。因此,對內(nèi)河船舶焊接缺陷成因的了解,勢必會對實際焊接過程及工藝制定均有著非常重要的幫助和指導,從而通過相應措施的采取,對焊接缺陷的產(chǎn)生進行必要的預防,最終將焊接缺陷降低到最低點,最終確保船舶的致密和使用強度。 關鍵詞：內(nèi)河船舶焊接 焊接缺陷 成因 預防1 引言隨著內(nèi)河航運的日益繁榮,內(nèi)河船舶的建造數(shù)量也在與日俱增,而作為船舶制造關鍵工序之一的焊接工序,其在船舶建造過程中所發(fā)揮的作用是不言而喻的,優(yōu)良的焊接質(zhì)

2、量是船舶致密性和使用強度的最終保證,但目前內(nèi)河船舶制造者主要是民營船廠,焊接規(guī)?；妥詣踊谶@些制造單位中的使用程度和范圍并不是太多。因此,對于焊接缺陷的預防也就顯得尤為重要,而要達到預防和杜絕的目的,就必須對焊接缺陷的成因有著必要和充分的認識,從而才能夠為實際焊接過程和正確焊接工藝的制定打下良好的基礎,本文即針對以上內(nèi)容進行闡述和分析,從而為類似船舶焊接提供可資借鑒的實際作用。2 內(nèi)河船舶結構焊接特點分析內(nèi)河船舶顧名思義就是其航行和使用的范圍只局限于內(nèi)河航道,因此其結構較為單一,該類船舶結構一般包括外板和甲板結構、船底結構、舷側(cè)結構、艙壁結構、首尾端結構及尾軸架結構、上層建筑和機艙,各結構之

3、間對于焊接的質(zhì)量要求有著不同的要求,如外板及甲板和艙壁等結構對于致密性和強度要求較高,對于焊接缺陷的控制也是最為嚴格,而對于上層建筑等舾裝結構的焊接要求則確保致密即可,因此了解如上的結構特點,對于焊接缺陷預防的重點也就能夠得以明確,從而對重要結構進行重點預防,以確保船舶整體的致密和強度。3 焊接缺陷成因分析在焊接接頭中因焊接產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密、不均勻或連接不良的現(xiàn)象,簡稱焊接缺欠,而焊接缺陷則是超過規(guī)定限值的焊接缺欠,按照焊接缺陷的性質(zhì),金屬熔焊接頭常見的焊接缺陷共分為裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合與未焊透、形狀缺陷等等,下面就對以上焊接缺陷的成因進行詳細分析。3.1 焊接裂紋焊接裂紋是指

4、在焊接應力及其他致脆因素共同作用下,焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。裂紋是焊接結構中危害性較大的缺陷之一,按其產(chǎn)生的本質(zhì)可分為五大類:熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、應力腐蝕裂紋以及層狀撕裂,其中,熱裂紋和冷裂紋最為常見。焊縫常見裂紋如圖1所示:圖1 熱裂紋熱裂紋發(fā)生于焊縫金屬凝固末期,敏感溫度區(qū)大致在固相線附近的高溫區(qū),最常見的熱裂紋是結晶裂紋,其生成原因是在焊縫金屬凝固過程中,結晶偏析使雜質(zhì)生成的低熔點共晶物富集于晶界,形成液態(tài)薄膜,在特定的敏感溫度區(qū)(又稱脆性溫度區(qū))間,其強度極小,由于焊縫凝固收縮而受到拉應力,最終開裂形成裂紋。結晶裂紋最常見的情況是沿焊

5、縫中心長度方向開裂,為縱向裂紋,有時也發(fā)生在焊縫內(nèi)部兩個柱狀晶之間,為橫向裂紋?；】恿鸭y是另一種形態(tài)的,常見的熱裂紋。 熱裂紋都是沿晶界開裂。冶金和工藝因素是影響熱裂紋的主要因素。當鋼中存在較多的硫和磷元素時,會加劇熱裂紋的產(chǎn)生,同時焊接熱輸入過大、熔合比增大、焊接速度增大,同樣也會增加熱裂紋產(chǎn)生的幾率。 冷裂紋 冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度下(對于鋼來說,在200-300以下)時產(chǎn)生的焊接裂紋。冷裂紋產(chǎn)生于較低溫度,且產(chǎn)生于焊后一段時間以后,故又稱延遲裂紋。冷裂紋主要產(chǎn)生于熱影響區(qū),也有發(fā)生在焊縫區(qū)。冷裂紋可能是沿晶開裂,穿晶開裂或兩者混合出現(xiàn)。冷裂紋引起的構件破壞是典型的脆斷。 冷裂紋產(chǎn)

6、生機理:淬硬組織(馬氏體)減小了金屬的塑性儲備;接頭的殘余應力使焊縫受拉;接頭內(nèi)有一定的含氫量。 含氫量和拉應力是冷裂紋(這里指氫致裂紋)產(chǎn)生的兩個重要因素。一般來說,金屬內(nèi)部原子的排列并非完全有序的,而是有許多微觀缺陷。在拉應力的作用下,氫向高應力區(qū)(缺陷部位)擴散聚集。當氫聚集到一定濃度時,就會破壞金屬中原子的結合鍵,金屬內(nèi)就出現(xiàn)一些微觀裂紋。應力不斷作用,氫不斷地聚集,微觀裂紋不斷地擴展,直致發(fā)展為宏觀裂紋,最后斷裂。決定冷裂紋的產(chǎn)生與否,有一個臨界的含氫量和一個臨界的應力值,當接頭內(nèi)氫的濃度小于臨界含氫量,或所受應力小于臨界應力時,將不會產(chǎn)生冷裂紋(即延遲時間無限長)。在所有的裂紋中,

7、冷裂紋的危害性最大。3.2 氣孔焊接時,熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來所形成的空穴稱為氣孔,氣孔的危害性比焊接裂紋小,但氣孔的尺寸和數(shù)量超過一定范圍時,就是不允許存在的焊接缺陷。焊縫中常見氣孔類型如圖2所示:圖2在焊接過程中,由于熔池的周圍存在著各種成分復雜的氣體,這些氣體的分子在電弧高溫作用下,很快被分解成原子狀態(tài),并被金屬熔滴所吸附,不斷向液體熔池內(nèi)部擴散和溶解,但隨著焊接過程中熔池金屬溫度的降低,氣體在液體金屬中的溶解度也相應減小,因而一部分氣體要析出,而析出的氣體不斷被凝固的晶粒所吸附,氣泡內(nèi)部壓力大于阻礙氣泡長大的外界壓力,便使氣泡不斷長大,當氣泡長大到一定的尺寸時,就會脫離

8、結晶表面的吸附而上浮,當氣泡上浮速度小于金屬熔池的結晶速度,那么氣泡就會殘留在凝固的焊縫金屬中,最終形成氣孔。3.3 固體夾雜焊縫中的夾雜物是焊接冶金反應產(chǎn)生的,是焊后殘留在焊縫金屬中的微觀非金屬雜質(zhì)(如氧化物、硫化物等),固體夾雜的存在不僅降低焊縫金屬的塑性,增大低溫脆性,降低韌性和疲勞強度,同時也增加了產(chǎn)生焊接熱裂紋的傾向。固體夾雜的產(chǎn)生,主要是由于熔池脫氧不完全以及焊接材料中硫的含量較高以及焊接操作的不熟練。固體夾雜常見形態(tài)如圖3所示: 固體夾雜圖33.4 未熔合未熔合是指熔焊時,焊道與母材之間或焊道與焊道之間,未完全熔化結合的部分,其產(chǎn)生原因主要是:一.運條速度過快,角度不當以及電弧產(chǎn)

9、生的偏吹;二.坡口設計不當;三.焊接電流過小,電弧過短,焊接速度過大;四.坡口與焊道的熔渣清理不徹底。未熔合是一種面積型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合對承載截面積的減小都非常明顯,應力集中也比較嚴重,其危害性僅次于裂紋。未熔合常見形態(tài)如圖3所示:圖33.5 未焊透未焊透是焊接時焊接接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象。產(chǎn)生未焊透的原因是:一.焊接電流太小,熔深淺,焊接速度過快；二.焊接坡口鈍邊過大,坡口角度和坡口間隙太小;三.運條角度不當或電弧發(fā)生磁偏吹;四.焊條偏芯度太大;五.層間及焊道根部清理不良。 未焊透的危害之一是減少了焊縫的有效截面積,使接頭強度下降;其次,未焊透引起的應力集中所造成的危害,比強度

10、下降的危害大得多;再其次未焊透嚴重降低焊縫的疲勞強度,可能成為裂紋源,是造成焊縫破壞的重要原因。未焊透常見形態(tài)如圖4所示:圖43.6 形狀缺陷形狀缺陷主要表現(xiàn)為焊縫表面形狀高低不平、寬窄不一、尺寸過大或過小、角焊縫單邊尺寸以及焊腳尺寸不符合要求等等,主要包括焊縫下塌、錯邊、角度偏差以及焊縫超高、焊腳不對稱、表面不規(guī)則等等。形狀缺陷產(chǎn)生的原因是:一.焊接電流過大或過小;二.焊件坡口角度不對,裝配間隙不均勻;三.焊條質(zhì)量差或焊接過程中產(chǎn)生磁偏吹;四.焊條角度不對或焊接速度選擇不當和運條手法不正確等。4. 焊接缺陷的預防措施在了解了內(nèi)河船舶焊接常見焊接缺陷的成因之后,為避免焊接缺陷的大量和反復產(chǎn)生,

11、我們需要采取一定的預防措施,去杜絕和減少減小焊接缺陷的產(chǎn)生,從而最終確保船舶的致密性和使用強度。4 焊接缺陷的預防4.1 焊接裂紋 熱裂紋預防熱裂紋的措施主要從控制焊縫金屬成分和制定合理焊接工藝兩方面來進行。1控制焊縫金屬成分控制母材和焊接材料的化學成分。嚴格限制焊縫中碳、硫的含量,同時適當提高錳元素的含量,因此在焊接熱裂紋傾向較大的鋼材時,應盡量選用堿性焊條和焊劑,可以增加熔渣脫硫和脫氧的能力,并可大大降低形成低熔點化合物的可能性,增加焊縫的抗裂能力。2.選用合理焊接工藝焊接工藝的選擇可從減少焊接熱輸入、選用合理焊接參數(shù)、選擇合理焊接順序、降低焊縫的冷卻速度等幾個方面來進行綜合選擇,從而杜絕

12、熱裂紋的產(chǎn)生。在焊接時選用適宜的小電流來進行焊接,可以避免焊縫中產(chǎn)生粗大的柱狀組織,同時可以得到細小的晶粒組織,提升焊縫的力學性能,杜絕熱裂紋的產(chǎn)生。選擇合理的焊接參數(shù),如小電流、低的焊接速度,同時可采用多層多道焊接,從而防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生。焊接順序直接影響焊縫金屬在冷卻過程中能否自由收縮,如果焊接順序選擇不當,就會使焊縫具有較大的熱裂傾向,因此選擇合理焊接順序的原則就是盡量使大多數(shù)焊縫能在較小剛性的條件下進行焊接,最終使各條焊縫都有收縮的可能,從而減少焊接應力,避免熱裂紋的發(fā)生。接頭的冷卻速度越大,變形速度也越大,產(chǎn)生熱裂紋的傾向也越大,因此在實際焊接時,需要采取適當?shù)念A熱措施來減小焊縫的

13、變形率,從而降低熱裂紋的傾向,同時也不能用增大熱輸入的方法來降低冷卻速度,因為熱輸入增大會促使晶粒粗大,增加偏析傾向,從而增加焊接熱裂紋的傾向。4.1.2冷裂紋預防產(chǎn)生冷裂紋的主要措施,就是在焊接時盡量減少三大因素的不利影響,具體包括焊前預熱和焊后緩冷、降低焊縫中氫的含量、選擇合適的焊接材料、選擇適當?shù)臒彷斎?、選用合理裝焊順序、焊后熱處理。焊前預熱可對焊件整體加熱,也可以對焊縫附近區(qū)域局部加熱,或邊焊接邊不斷補充加熱。焊后緩冷可采用包扎絕熱材料的方法,通過預熱和緩冷措施的實施,可加速焊縫中氫元素的擴散逸出，減少氫的含量,最終提高焊縫的塑性,減少冷裂紋的發(fā)生。焊縫施焊前嚴格按要求對焊條、焊劑進行

14、烘干,并隨用隨取,同時對于坡口周圍的油污、水分和銹跡等污物進行徹底清除,從而控制氫的來源,以預防冷裂紋的產(chǎn)生。焊接熱輸入過小時,接頭的冷卻速度過快,容易產(chǎn)生淬火組織,不利于氫的逸出,而焊接熱輸入過大時,焊件高溫停留時間增加,使氫脆性增大,而塑性下降,所以選擇合適的焊接熱輸入能夠減小焊接冷裂紋的產(chǎn)生。合理的裝焊順序,能夠保證焊縫有足夠的應力釋放途徑,從而能夠改善焊件的應力狀態(tài),減小焊接冷裂紋的產(chǎn)生。有效的焊后熱處理,能夠及時消除應力和去除氫的含量,達到改善接頭的組織和性能,最終減小焊接冷裂紋的產(chǎn)生。4.2氣孔防止氣孔產(chǎn)生的根本措施是限制焊縫氣體的來源和利用相應措施排除熔池中存在的氣體。消除產(chǎn)生氣

15、孔的氣體來源的手段主要有:一是對焊件及焊絲(焊芯)表面的油污、鐵銹、氧化膜等,同時對焊道兩側(cè)20-30毫米的范圍進行除銹和去污;二是對各類焊接材料采取防潮和烘干措施,如按規(guī)定烘干焊條和焊劑,控制烘干的焊條和焊劑在大氣中的暴露時間并防止吸潮;三是加強對熔池的保護,如不使用偏心焊條和藥皮脫落的焊條并且焊劑或保護氣體送給不能中斷、掌握正確的引弧方法同時采用短弧焊接、裝配間隙要符合要求等等;四是正確選擇焊接材料和保護氣體;五是控制焊接工藝條件,如正確選擇焊接工藝參數(shù)、采取預熱措施等等。4.3固體夾雜防止和減少焊縫中形成夾雜物的主要措施可以從以下兩個方面著手:一是控制夾雜物的來源,如正確選擇焊條和藥芯焊絲;二是采取相應的工藝措施,如選用合適的焊接熱輸入、施焊時使熔池攪動促進夾雜物的浮出。4.4未熔合防止未熔合產(chǎn)生的方法主要有:一是正確選擇焊接電流、焊接速度;二是加強坡口清理和層間清理;三是要注意運條角度和邊緣的停留時間,使坡口邊緣充分熔化以保證熔合。4.5未焊透防止產(chǎn)生焊透的方法主要有:一是正確選擇坡口形式和裝配間隙;二是選擇適當?shù)暮附与娏骱秃附铀俣?三是正確掌握焊條角度和運條方法。4.6形狀缺陷1.下塌可選擇合適的坡口尺寸和