焊接缺陷危害分析及其采取的工艺措施

孙浩

摘 要 本文系统地讨论和分析了焊接缺陷的定义，分类，焊接工程中缺陷形成的一般条件，缺陷影响和缺陷修复。涉及焊接应力与变形、接头性能变化（强韧性、疲劳强度、蠕变断裂强度与耐蚀性等）、各类裂纹和气孔等。重点分析了各种影响因素的作用，强调缺陷形成的有关基本概念。金属构件如果存在焊接缺陷，将直接影响到产品的和性能.因此，采取措施，避免焊接缺陷。

关键词 金属构件 焊接缺陷 工艺措施

中图分类号：TV547.6文献标识码：A

1焊接缺陷概述

1.1焊接缺陷定义

焊接过程中，在焊接接头上产生的金属不连续、不致密或链接不良的现象称为焊接缺陷。焊接缺陷的产生原因十分复杂，既有冶金因素，也有工艺因素，还有应力因素。有时环境因素影响也很大。因此，焊接缺陷各种类较多。焊接检测人员必须熟悉缺陷的种类、特征，才能及时发现缺陷，保证生产顺利进行。

焊接缺陷基本上可以分为三类：

（1）尺寸上的缺陷：包括焊接结构的尺寸误差和焊缝形状不佳等。

（2）结构上的缺陷：包括气孔、夹渣、非金属夹渣物、融合不良、未焊透、咬边、裂纹、表面缺陷等。

（3）性质上的缺陷：包括力学性能和化学性质等不能满足焊件的使用要求的缺陷。力学的性能值的是抗拉强度、屈服点、伸长率、硬度、冲击吸收功、塑性、疲劳强度、弯曲角度等。化学性质指的是化学成分和耐腐蚀性等。

1.2常见的焊接缺陷

（1）未焊透：母体金属接头处中间（X坡口）或根部（V、U坡口）的钝边未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。未焊透降低了焊接接头的机械强度，在未焊透的缺口和端部会形成应力集中点，在焊接件承受载荷时容易导致开裂。

（2）未熔合：固体金属与填充金属之间（焊道与母材之间），或者填充金属之间（多道焊时的焊道之间或焊层之间）局部未完全熔化结合，或者在点焊（电阻焊）时母材与母材之间未完全熔合在一起，有时也常伴有夹渣存在。

（3）气孔：在熔化焊接过程中，焊缝金属内的气体或外界侵入的气体在熔池金属冷却凝固前未来得及逸出而残留在焊缝金属内部或表面形成的空穴或孔隙，视其形态可分为单个气孔、链状气孔、密集气孔（包括蜂窝状气孔）等，特别是在电弧焊中，由于冶金过程进行时间很短，熔池金属很快凝固，冶金过程中产生的气体、液态金属吸收的气体，或者焊条的焊剂受潮而在高温下分解产生气体，甚至是焊接环境中的湿度太大也会在高温下分解出气体等等，这些气体来不及析出时就会形成气孔缺陷。尽管气孔较之其它的缺陷其应力集中趋势没有那么大，但是它破坏了焊缝金属的致密性，减少了焊缝金属的有效截面积，从而导致焊缝的强度降低。

（4）夹渣与夹杂物：熔化焊接时的冶金反应产物，例如非金属杂质（氧化物、硫化物等）以及熔渣，由于焊接时未能逸出，或者多道焊接时清渣不干净，以至残留在焊缝金属内，称为夹渣或夹杂物。视其形态可分为点状和条状，其外形通常是不规则的，其位置可能在焊缝与母材交界处，也可能存在于焊缝内。另外，在采用钨极氩弧焊打底+手工电弧焊或者钨极氩弧焊时，钨极崩落的碎屑留在焊缝内则成为高密度夹杂物（俗称夹钨）。

（5）裂纹：焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。焊缝金属从熔化状态到冷却凝固的过程经过热膨胀与冷收缩变化，有较大的冷收缩应力存在，而且显微组织也有从高温到低温的相变过程而产生组织应力，更加上母材非焊接部位处于冷固态状况，与焊接部位存在很大的温差，从而产生热应力等等，这些应力的共同作用一旦超过了材料的屈服极限，材料将发生塑性变形，超过材料的强度极限则导致开裂。裂纹的存在大大降低了焊接接头的强度，并且焊缝裂纹的尖端也成为承载后的应力集中点，成为结构断裂的起源。

裂纹可能发生在焊缝金属内部或外部，或者在焊缝附近的母材热影响区内，或者位于母材与焊缝交界处等等。根据焊接裂纹产生的时间和温度的不同，可以把裂纹分为以下几类：

热裂纹（又称结晶裂纹）：产生于焊缝形成后的冷却结晶过程中，主要发生在晶界上，金相学中称为沿晶裂纹，热裂纹的成因与焊接时产生的偏析（低熔点共晶体）、冷热不均以及焊条（填充金属）或母材中的硫含量过高有关;

冷裂纹：焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时间才出现的裂纹。其成因与焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，以及焊条（填充金属）或母材中的磷含量过高等因素有关;

再热裂纹：焊接完成后，如果在一定温度范围内对焊件再次加热时有可能产生的裂纹，其成因与显微组织变化产生的应变有关。

（6）偏析：在焊接时因金属熔化区域小、冷却快，容易造成焊缝金属化学成分分布不均匀，从而形成偏析缺陷，多为条状或线状并沿焊缝轴向分布。

（7）咬边与烧穿：这类缺陷属于焊缝的外部缺陷。当母体金属熔化过度时造成的穿透（穿孔）即为烧穿。在母体与焊缝熔合线附近因为熔化过强也会造成熔敷金属与母体金属的过渡区形成凹陷，即是咬边。根据咬边处于焊缝的上下面，可分为外咬边（在坡口开口大的一面）和内咬边（在坡口底部一面）。咬边也可以说是沿焊缝边缘低于母材表面的凹槽状缺陷。

（8）其他的焊缝外部缺陷还有：焊瘤：焊缝根部的局部突出，这是焊接时因液态金属下坠形成的金属瘤。焊瘤下常会有未焊透缺陷存在，这是必须注意的;内凹或下陷：焊缝根部向上收缩低于母材下表面时称为内凹，焊缝盖面低于母材上表面时称为下陷;弧坑：电弧焊时在焊缝的末端（熄弧處）或焊条接续处（起弧处）低于焊道基体表面的凹坑，在这种凹坑中很容易产生气孔和微裂纹;焊偏：在焊缝横截面上显示为焊道偏斜或扭曲;余高（也称为焊冠、盖面）过高：焊道盖面层高出母材表面很多，一般焊接工艺对于余高的高度是有规定的，高出规定值后，加强高与母材的结合转角很容易成为应力集中处，对结构承载不利。

以上的外部缺陷多容易使焊件承载后产生应力集中点，或者减小了焊缝的有效截面积而使得焊缝强度降低，因此在焊接工艺上一般都有明确的规定，并且常常采用目视检查即可发现这些外部缺陷。

2焊接缺陷分析

2.1常见缺陷产生原因

（1）未焊透：①由于坡口角度小，钝边过大，装配间隙小或错口;所选用的焊条直径过大，使熔敷金属送不到根部。②焊接电流小，远条角度不当或焊接电弧偏向坡口一侧;气焊时，火焰能率过小或焊速过快。③由于操作不当，使熔敷金属未能送到预定位置，或者未能击穿形成尺寸一定的熔孔。④用碱性低氢型焊条作打底焊时，在平焊接头部位也容易产生未焊透。主要是由于接头时熔池温度低，或采用单点焊接法以及操作不当引起的。

（2）未熔合：①手工电弧焊时，由于运条角度不当或产生偏弧，电弧不能良好地加热坡口两侧金属，导致坡口面金属未能充分熔化。②在焊接时由于上侧坡口金属熔化后产生下坠，影响下侧坡口面金属的加热熔化，造成“冷接”。③横接操作时，在上、下坡口面击穿顺序不对，未能先击穿下坡口后击穿上坡口，或者在上、下坡口面上击穿熔孔位置未能错开一定的距离，使上坡口熔化金属下坠产生粘接，造成未熔合。④气悍时火焰能率小，氩弧焊时电弧两侧坡口的加热不均，或者坡口面存在污物等。

（3）焊瘤：①由于钝边薄，间隙大，击穿熔孔尺寸大。②由于焊接电流过大击穿焊接时电弧燃烧，加热时间过长，造成熔池温度增高，溶池体积增大，液态金属因自身重力作用下坠而形成焊瘤，焊瘤大多存在于平焊、立焊速度过慢等。

（4）冷缩孔：①由于钝边厚，间隙小，击穿熔孔尺寸小。②铁水过渡到背面较少，冷却后收缩，由于凝结过程是由外而内，造成中间铁水不足形成孔穴。

（5）气孔：①因熔池温度低，熔池存在时间短，气体未能在有效时间内逸出，这种情况主要与焊接规范等因素有关。②打底击穿焊时，熔敷金属给送的过多，使熔池液态金原较厚，灭弧停歇时间长，造成气体难以全部逸出。③由于运条角度不适当，影响了电弧气氛的保护用用，或操作不熟练，不稳以及沿熔池前六坡口间隙方向灭弧都会导致产生气孔。④碱性低氢型焊条的药皮比酸性的薄干燥温度又高，因此药皮较脆。采用撞击法引弧很容易将焊条引弧端药皮撞掉，使熔滴失去或减电弧气氛以及熔溢的保护作用，引起焊缝产生气孔，此外，在焊条引弧端的粘接处，也会产生密集的气孔。⑤气焊或氩弧焊时，由于焊口清理不干净，有锈、油污等，同时操作时，焊接速度过快，焊丝和焊炬的角度，以及摆动不适当等也会产生气孔。

（6）夹渣：①手工电弧焊时，由于运条角度，或操作不当，使熔渣和熔池金属不能良好地分离。②由于焊条药皮受潮;药皮开裂或变质，药皮或坡脱落进入熔池又未能充分熔化或反应不完全，使熔渣不能浮出熔池表面，而造成夹渣。③在中间焊层作填充焊时，由于前层焊道过渡不平调、高低、凹凸不均或焊道清渣不彻底，焊接时熔渣未能熔化浮出而形成层间夹渣。④气焊时火焰能率太小或氩弧焊时规范不适当;以及焊丝焊炬角度不适当，焊丝摆动、搅拌熔池操作不当等。

（7）咬边：①主要是焊接电流过大，电弧过长，远条角度不适当等。②运条时，电弧在焊缝两侧停顿时间短，液态金属未能填满熔池，横焊时电弧在上坡口面停顿的时间过长，以及运条、操作不正确也会造成咬边。③气焊时火焰能率过大，焊嘴倾斜角度不当，焊炬和焊丝摆动不适当等。

（8）背面凹陷：产生背面凹陷，一般在板状试件的仰、横焊位置和管状试件的仰焊、仰立焊位置焊接时产生，其主要原因有：①间隙过大，钝边偏小，熔池体积较大，液态金属因自重而产生下坠。②条直径或焊接电流偏大，灭弧慢或连弧焊接，使熔池温度增高，冷却慢，导致熔池金属重力增加而使表面张力减小。③焊条角度不当，减弱了电弧对熔池金属的压力，或焊条未运送至坡口根部。

（9）焊道背面成形不良，焊道背面除了可能产生凹陷外，还可能出现宽窄不匀、凹凸不平，甚至形成焊瘤或呈竹节形状等。①击穿两侧坡口面所形成的熔孔尺寸大小不均，或者击穿焊接速度不均匀。②击穿焊接时的电弧加热时间，电弧穿透过背面的多少控制不均匀等。

（10）其它：

除以上缺陷外，气焊时由于火焰能率过大，焊接速度慢或炬在某处停留时间长，以及火焰性质不适当等，都会引起焊缝金属过热或过烧。

过热的特征是金属表面变黑，并起氧化皮，金属晶粒粗大，性能变脆，赤烧时，金属晶粒粗大，晶粒表面被氧化而破坏了晶粒之间的连接，使金属变脆，产生过烧缺陷时，必须将其铲除重新焊接。

为防止过热和过烧，应选用适宜的火焰能率，注意火焰性质，掌握好焊接速度，适时拍起火焰不使熔池温度过高。

手工钨极氩弧焊时，由于焊接电流过大，氩气纯度低对钨极保护不良等造成钨极烧损;操作中钨极碰触焊丝或熔池等，都会使钨过渡到焊缝金属内引起夹钨缺陷，夹钨会使焊缝性能变坏，焊接时也应防止产生夹钨缺陷。

2.2常见焊接缺陷危害

焊缝缺陷是造成锅炉、压力容器失效和事故的主要原因，因此，必须对焊缝缺陷的危害性有充分的认识。

（1）焊缝弧坑缺陷对焊接接头的强度和应力水平有不利的影响。焊瘤不仅影响了焊缝的外观，而且也掩盖了焊瘤处焊趾的质量情况，往往会在这个部位上出现未熔会缺陷。

（2）咬边是一种危险性较大的外观缺陷。它不但减少焊缝的承压面积，而且在咬边根部往往形成较尖锐的缺口，造成应力集中，很容易形成应力腐蚀裂纹和应力集中裂纹。因此，对咬边有严格的限制。

（3）气孔、夹渣等体积性缺陷的危害性主要表現为降低焊接接头的承载能力。如果气孔穿透焊缝表面。介质积存在孔穴内，当介质有腐蚀性时，将形成集中腐蚀，孔穴逐渐变深、变大，以至腐蚀穿孔而泄漏。夹渣边缘如果有尖锐形状，还会在该处形成应力集中。

（4）未熔合和未焊透等缺陷的端部和缺口是应力集中的地方，在交变载荷作用下很可能生成裂纹。

（5）裂纹是最尖锐的一种缺口，它的缺口根部曲率半径接近于零。尖锐根部有明显的应力集中，当应力水平超过尖锐根部的强度极限时，裂纹就会扩展，以至贯穿整个截面而造成锅炉压力容器失效。特别是当焊接接头处于脆性状态时，裂纹的扩展速度极快，造成脆性破裂事故。裂纹还会加剧疲劳破坏和应力腐蚀破坏。

2.3常见焊接缺陷防止措施

（1）未焊透：①选择合适的坡口角度，装配间隙及钝边尺寸并防止错口。②选择合适的焊接电源，焊条直径，运条角度应适当;气焊时选择合适的火焰能率。如果焊条药皮厚度不均产生偏弧时，应及时更换。③掌握正确的焊接操作方法，对手工电弧焊的运条和气焊，氩弧焊丝的送进应稳，准确，熟练地击穿尺寸适宜的熔孔，应把熔敷金属送至坡口根部。④如果将接头处铲成缓坡状，效果更好。

（2）未熔合：①选择适宜的运条角度，焊接电弧偏弧时应及时更换焊条。②操作时注意观察坡口两侧金属熔化情况，使之熔合良好。③横焊操作时，掌握好上、下坡口面的击穿顺序和保持适宜的熔孔位置和尺寸大小，气焊和氩弧悍时，焊丝的送进应熟练地从熔孔上坡口拉到下坡口。

（3）焊瘤：①选择适宜的钝边尺寸和装配间隙，控制熔孔大小并均匀一致，一般熔孔直径为0.8～1.25倍的焊条直径，平焊打底焊时不应出现可见的熔孔，否则背面会形成焊瘤。②选择合理的焊接规范，击穿焊接电弧加热时间不可过长，操作应熟练自如，运条角度适当。③气焊时焊丝角度、送丝速度及其摆动应适当，可利用气体火焰的压力来控制铁水的溢出。

（4）冷缩孔：为防止冷缩孔的产生，主要应从操作工艺上采取措施，在更换焊条灭弧前应在原熔池上或池背面连续点弧二、三次，以填充满熔池，然后将电弧向坡口面一侧后拉，逐渐衰减灭弧，这样可稍微提高熔池及周围的温度，减缓冷却速度，从而防止冷缩孔产生。

（5）氣孔：①选择稍强的焊接规范，缩短灭弧停歇时间，灭弧后，当熔池尚未全部凝固时，就及时再引弧给送熔滴，击穿焊接。②输送熔敷金属不要太多，使熔池的液态金属保持较薄，利于气体的逸出。③运条角度要适当，操作应熟练，不要将熔渣拖离熔池，要换焊条后采用划擦法引弧，用短弧焊接。④气焊和氩弧焊操作时，焊丝和焊炬的角度应适当，摆劲正确，焊连保持均匀适宜。

（6）夹渣：①选择适当的运条角度，操作应熟练，使熔渣和液态金属良好地分离。②遇到焊条药皮成块脱落时，必须停止焊接，查明原因并更换焊条。③打底层焊道或中间层焊道成形成控制均匀，圆滑过渡，接头或焊瘤应该用电弧割掉或用手砂轮磨隙。④选择合适的火焰能率或规范，注意保持适宜的焊丝和焊炬角度，焊丝作正确摆，搅拌熔池，使熔渣顺利地浮出溶池。

（7）咬边：①选择适宜的焊接电源、运条角度、进行短弧操作。②焊条摆动至坡口边缘，稍作稳弧停顿，操作应熟练、平稳。③气焊火焰能率要适当，焊炬和焊丝的角度及摆动要适宜。

（8）背面凹陷：①保证装配尺寸符合要求，特别是间隙和纯边尺寸，操作要熟练、准确。②严格控制击穿时的电弧加热时间及运条角度，熔孔大小要适当，采用短弧施焊。

（9）焊道背面成形不良，焊道背面除了可能产生凹陷外，还可能出现宽窄不匀、凹凸不平，甚至形成焊瘤或呈竹节形状等。①严格控制击穿孔的尺寸大小，并使击穿焊接的速度均匀一致。②严格控制电弧的穿透程度，掌握好电弧燃烧，加热时间使之均匀一致。

3结论

焊接缺陷是造成焊件无法达到母材性质的原因。缺陷的形成随着使用的材料、接头方式或焊接方法而异，了解缺陷形成的原因有助于焊接工作者选用恰当的材料，决定最佳的接头设计和拟定合适的焊接方法与程序来提高焊件品质，防止不正常的焊件破裂。

焊接缺陷可以分为两大类：第一类是焊件使用时发生的缺陷。这种缺陷通常指焊接热循环损伤到焊道或邻近的热影响区，造成焊件性质劣于母材。当焊件使用时，破裂起始于这些缺陷存在的位置。比较常见的缺陷有，碳钢或低合金钢的热影响区晶粒受热而成长，造成韧性显著下降。析出硬化型材料的热影响区因过度时效而使强度降低。冷作硬化型材料的热影响区，因冷作效用消失而使强度降低。

第二类焊接缺陷是制程缺陷。这类缺陷发生于焊接进行中或紧接焊接完成后，常见的缺陷有裂纹、空孔、夹渣、凹陷、熔接不足或渗透不足等。这类缺陷的存在很可能造成焊件无法使用。这其中又以裂纹最为严重。

裂纹因发生的温度不同有如下几种：冷裂纹（氢裂纹）、焊后热处理裂纹（再热裂纹）、延性不足裂纹及热裂纹。冷裂纹发生于碳钢或合金钢。双相不锈钢也有冷裂纹的情况。虽然冷裂纹发生的原因目前还没有完全了解，这种裂纹已大部分可以控制。最有效的方法是减少氢含量、预热，控制热输入及利用焊后热处理。只要材料和接头方式确定，目前已有简单的方法可以查出预热温度、热输入范围、焊后热处理的温度和时间来防止冷裂纹的发生。

焊后热处理裂纹发生于焊后应力消除热处理的加热过程中。这种裂纹发生于镍基合金、不锈钢和少数合金钢。

把机械化焊接方法同精密焊接设备结合使用，防止坡口发生位移、避免焊接区在集中能量作用产生明显张应力。扩大射束能源利用范围，制订合理的焊接后热处理规范，保证各种新型焊条的质量，以保证达到焊缝金属特定的物理性能，满足材料的可焊性。设计制造高效、真空扩散焊接装置，以便焊接由各种材料制造的焊接结构，包括粉末冶金材料同金属的焊接;为了降低扩散焊接的电力消耗，提高焊接效率，需要对焊接构件通电流加热焊接区，为此要制订适当工艺，开发新设备和制造中间塞热的高电阻材料，以保证加热区的必需释热量;组织用来制造金属结构中间焊接件的双金属的生产，拓宽高强度（碳化硅、碳基等）纤维的应用范围，以强化和简化焊接结构。

参考文献

[1] 邓洪军.焊接结构生产[M].机械工业出版社，2012.

[2] 蕾世明.焊接方法与设备[M].机械工业出版社，2004.

[3] 张连生.金属材料焊接[M].机械工业出版社，2016.

[4] 赵熹华.焊接检验[M].机械工业出版社，2011.

[5] 戴建树.焊接生产管理与检测[M].机械工业出版社，2011.