大型鑄鋼件常見焊接缺陷分析

劉亮亮

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

鑄鋼件產(chǎn)品是現(xiàn)代裝備制造業(yè)各類設(shè)備最基礎(chǔ)、最重要的部件，各行各業(yè)均會(huì)使用，特別是發(fā)電、船舶、油氣、礦山機(jī)械等行業(yè)，會(huì)使用大量的鑄鋼件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的質(zhì)量往往會(huì)影響到其使用壽命、效率和維修成本。隨著鑄鋼件產(chǎn)品在重大工程中的應(yīng)用，鑄件的焊補(bǔ)技術(shù)及焊補(bǔ)質(zhì)量也越來越受到重視，在實(shí)際生產(chǎn)過程中受焊接工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料及生產(chǎn)操作等方面的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些焊接缺陷，大型鑄鋼件常見主要焊接缺陷有夾渣、氣孔、咬邊、裂紋等。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，針對(duì)主要缺陷進(jìn)行匯總并提出防止措施以供參考。

1 夾渣

1.1 夾渣缺陷表現(xiàn)形式

焊接過程中殘留在焊縫中的熔渣形成夾渣缺陷，夾渣缺陷一般呈單個(gè)小面積存在，在焊接缺陷坡口處一般會(huì)形成線性缺陷，取樣時(shí)截面一般為小面積或單點(diǎn)狀，如圖1所示。夾渣缺陷聚集的地方易引起應(yīng)力集中，不僅降低焊縫的力學(xué)性能，嚴(yán)重的甚至還會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷，在鑄件的使用過程中潛在危害很大。

圖1 夾渣缺陷

1.2 防止夾渣缺陷的主要措施

夾渣缺陷大多數(shù)是由于嚴(yán)重的未熔合或焊渣、焊瘤不清理所致。對(duì)于大型鑄鋼件而言，夾渣缺陷的產(chǎn)生主要是由于坡口角度不合理、多層焊時(shí)清渣不夠徹底、焊接工藝參數(shù)使用不當(dāng)導(dǎo)致。某些不利于焊接的位置如仰焊位置，焊接死角等處理不及時(shí)等也容易在焊接的坡口處產(chǎn)生線性的夾渣和未熔合缺陷。夾渣缺陷的防止措施有：①坡口角度控制：缺陷挖除時(shí)嚴(yán)格控制坡口角度，缺陷兩邊敞口斜向上10°～15°，呈船型，保證圓弧過渡避免缺陷直立向上；②在缺陷的焊接過程中要及時(shí)清渣，每一層焊接后立即清渣，必要時(shí)采用手電筒近距離檢查，有焊瘤或死角的地方需要及時(shí)修磨，確保合格后再施焊；③在焊接操作過程中，電弧不宜過長，焊層厚度控制在3 mm～5 mm左右，焊接速度控制在12 cm/min～15 cm/min，焊條擺動(dòng)不宜過寬；④使缺陷處于利于焊接的位置。對(duì)于大型鑄鋼件而言，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺陷分布位置各異，合理調(diào)整鑄件的擺放位置使缺陷處于利于焊接的位置，條件允許的情況下盡量保證立焊或平焊位置焊接，避免橫焊，可有效避免夾渣缺陷的產(chǎn)生。

2 氣孔

2.1 氣孔缺陷表現(xiàn)形式

在焊接過程中，熔池中的氣體沒有及時(shí)逸出，殘存于焊縫中所形成的空穴即為氣孔缺陷，如圖2所示。從形狀上分，有球狀氣孔、條蟲狀氣孔；從數(shù)量上分，有單個(gè)氣孔和群狀氣孔。其中，群狀氣孔又分為密集狀氣孔、鏈狀氣孔。有的氣孔產(chǎn)生在焊縫表面，有的則存留于焊縫內(nèi)部。氣孔缺陷的危害同夾渣缺陷一樣嚴(yán)重，需要引起焊接操作及質(zhì)量檢驗(yàn)人員的重視。

圖2 氣孔缺陷

2.2 防止氣孔缺陷的主要措施

為了防止氣孔缺陷的產(chǎn)生，需要采取以下措施：①首先應(yīng)減少氣體的侵入，對(duì)于鑄件坡口周邊20 mm～30 mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理打磨，保證呈金屬光澤且無油銹等雜質(zhì)存在，必要時(shí)可通過焊前預(yù)熱方法將坡口處水分蒸發(fā)后再施焊；②焊材質(zhì)量控制，保證焊材按焊接工藝要求進(jìn)行烘干保存，在焊接使用的過程中使用插電保溫桶避免焊條受潮；③使用氣體保護(hù)焊焊接時(shí)，尤其注意焊槍、噴嘴、氣體管路的檢查，確保焊接設(shè)備符合要求。另外尤其要注意焊接工作區(qū)域周邊環(huán)境的防風(fēng)掩護(hù)，風(fēng)速過大易導(dǎo)致焊槍噴嘴前保護(hù)氣體不穩(wěn)定成為紊流狀態(tài)，從而失去保護(hù)作用。

3 咬邊

3.1 咬邊缺陷表現(xiàn)形式

咬邊是電弧沖刷或熔化了近縫區(qū)基本金屬后又未能充填的結(jié)果[1]，如圖3所示。咬邊缺陷是焊接缺陷中較為常見的一種，局部的缺口會(huì)增大應(yīng)力值，嚴(yán)重咬邊會(huì)影響鑄件質(zhì)量甚至產(chǎn)生裂紋缺陷。

圖3 咬邊缺陷

3.2 防止咬邊缺陷的主要措施

為了防止咬邊缺陷的產(chǎn)生，需要采取以下措施：①合理選擇焊接工藝參數(shù)，根據(jù)缺陷的分布位置合理選擇焊接電流、運(yùn)條速度、焊條角度等，保證完全熔化又保證熔池有足夠的熔融金屬填充。大型鑄鋼件中的缺陷多以“U”形缺陷為主，以立焊缺陷為例，在焊接過程中尤其注意在兩邊緣位置焊條應(yīng)保證1 s～3 s的短時(shí)停留，焊槍與熔池夾角控制在45°，保證熔合完全。焊接電流不宜過大，控制在180 A～230 A；②在焊條規(guī)格選擇上，對(duì)于點(diǎn)狀缺陷或缺陷寬度小于25 mm的部位，應(yīng)選擇φ3.2 mm或φ4.0 mm的焊條進(jìn)行補(bǔ)焊。

4 冷裂紋

4.1 冷裂紋缺陷表現(xiàn)形式

金屬在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭局部區(qū)域金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成新界面所產(chǎn)生的縫隙即為冷裂紋缺陷[2]，其他致脆因素如拘束應(yīng)力、淬硬組織和擴(kuò)散氫等均可產(chǎn)生冷裂紋缺陷，冷裂紋缺陷具體如圖4所示。焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋兩種，在大型鑄鋼件的焊接過程中以冷裂紋缺陷居多，因此重點(diǎn)對(duì)冷裂紋缺陷進(jìn)行分析。冷裂紋主要發(fā)生在中碳鋼、低合金鋼和高合金鋼的焊接熱影響區(qū)，有的在焊接后立即產(chǎn)生，有的則要延遲一段時(shí)間產(chǎn)生，裂紋缺陷是焊接缺陷中危害最嚴(yán)重的缺陷之一，需要從焊接的全流程工步中進(jìn)行管理和控制。

4.2 防止冷裂紋缺陷的主要措施

為了防止冷裂紋缺陷的產(chǎn)生，需要采取以下措施：①預(yù)熱是防止冷裂紋的有效措施，預(yù)熱的主要目的是為了增大熱循環(huán)的低溫參數(shù)，使之有利于氫的充分?jǐn)U散逸出[3]。根據(jù)鑄件的碳當(dāng)量合理選擇符合生產(chǎn)實(shí)際的預(yù)熱溫度，減緩焊后冷卻速度，保證擴(kuò)散氫的及時(shí)逸出。對(duì)于大型鑄鋼件，一般首次焊接前采取整體預(yù)熱的方式，對(duì)于個(gè)別小缺陷可采取局部預(yù)熱的方法，預(yù)熱過程中保證鑄件緩慢升溫，避免急速升溫導(dǎo)致溫差過大。焊接完成后及時(shí)進(jìn)行后熱處理，根據(jù)缺陷深度的不同選擇合適的后熱時(shí)間，一般按照缺陷深度每25 mm/1 h+1 h進(jìn)行后熱時(shí)間控制，以保證達(dá)到消氫消應(yīng)力的目的；②嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊接工藝評(píng)定中的各項(xiàng)焊接參數(shù)是焊接工程師經(jīng)實(shí)踐測評(píng)后指導(dǎo)現(xiàn)場操作的工藝文件，操作者需要嚴(yán)格執(zhí)行，尤其注意不應(yīng)以生產(chǎn)節(jié)奏快而使用低預(yù)熱溫度、大電流、高熱輸入的違規(guī)操作。另外，缺陷坡口的清理和焊材烘干是持續(xù)整個(gè)焊接過程的關(guān)鍵控制點(diǎn)，焊接質(zhì)量管理人員應(yīng)尤為重視。

圖4 焊接裂紋

5 總結(jié)

由于焊接缺陷的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了焊接缺陷防止的主要措施，除此之外還要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材質(zhì)特性、焊接流程控制等方面制定合理的解決方案，希望對(duì)焊接工作者有所幫助，共同探討，共同進(jìn)步。