金屬焊接缺陷以壓力管道常用的熔化焊焊縫缺陷為例進行說明。
國家標準《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》(GB/T 6417.1)將金屬熔化焊焊縫缺陷分為6大類,即裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合及未焊透、形狀缺陷和尺寸不良及其他缺陷。壓力管道焊接常見的焊接缺陷有裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、夾鎢、未熔合、未焊透、未焊滿、焊瘤、焊縫外觀和尺寸不符合要求等。裂紋按形成機理可分為熱裂紋、層狀撕裂、冷裂紋。其中,熱裂紋又分為結晶裂紋、液化裂紋和再熱裂紋等。裂紋按其方向和所在位置可分為縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、喉部裂紋、焊趾裂紋、根部裂紋、焊道下和熱影響區裂紋等。氣孔可分為球形氣孔、均布氣孔、局部密集氣孔、鏈狀氣孔、條形氣孔、表面氣孔等,焊縫外觀和尺寸不符合要求的缺陷包括焊縫尺寸偏差、電弧擦傷、飛濺、磨痕等。有害程度較大的焊接缺陷有五種,按有害程度遞減的順序排列為裂紋、未熔合和未焊透、咬邊、夾渣、氣孔。
1.裂紋
裂紋最危險的不連續性。裂紋是線性缺陷,端部非常尖銳。在應力作用下裂紋就能長大或擴展裂紋。裂紋可從特性上分為冷裂紋或熱裂紋,熱裂紋是在高溫下金屬凝固時產生,在晶間擴展,也就是,這種裂紋是在晶粒之間發生。如果我們觀察一個熱裂紋的斷裂面,就可以在斷裂面上看到各種回火的顏色,這說明熱裂紋是在高溫下產生。冷裂紋是在金屬冷卻到室溫后產生的。那些在使用條件下形成的裂紋也是冷裂紋。延遲裂紋、焊道下裂紋、氫引起的裂紋也是冷裂紋。冷裂紋既可以是晶間的;也可以是穿晶的,裂紋按它的方向與焊縫縱軸的方向來分類,與焊縫縱軸平行的裂紋為縱向裂紋,與焊縫縱軸垂直的裂紋為橫向裂紋。縱向裂紋是由于焊接的橫向收縮應力或是在役應力形成的。下圖是在坡口焊縫中心的縱向裂紋,該焊縫也包含使裂紋更易擴展的表面氣孔。
橫向裂紋通常是由于作用在低韌性焊縫或是母材上的焊接的縱向收縮應力造成的。下圖是在HY-130鋼上的GMAW熔敷金屬中發生的兩條橫向裂紋,已經延伸到了母材內。
2.未熔合
未熔合是一種焊縫不連續性,即焊縫金屬和熔化面或臨近的焊道之間沒有熔合。也就是說,熔合情況低于對特定焊縫規定的要求。由于未熔合呈線性狀態并且端部相對尖銳,所以未熔合是重要的不連續性,可以發生于焊縫區域內的很多部位。下圖為典型的焊縫未熔合。
焊接接頭的實際形狀可能會限制熔合,如對于所用的焊接工藝和焊條直徑來說,坡口的角度不夠,嚴重的污物(包括軋鋼氧化皮和粘附的氧化物層)也可能阻礙完全的熔合。射線檢測很難發現未熔合,除非射線角度合適。典型的未熔合鄰近原來的坡口面,而且它的寬度和體積都很小,所以很難用射線照相檢測,除非射線與未熔合平行或是在一條直線上。如果未熔合能用射線照相看到,它通常在底片上是一條黑度更黑的線,這條線一般要比裂紋或條狀夾渣的影像更直,底片上這些影像的側面位置暗示了它們的實際深度。下圖是顯示線性影像的射線照相,這種線性影像可能是由沿著原來焊接接頭坡口表面的未熔合造成的。
3.未焊透
未焊透,與未熔合不同,是一種僅與坡口焊縫有關的不連續性。當技術條件要求完全焊透時,焊縫金屬沒有完全貫穿整個接頭的厚度。它通常鄰近焊縫根部。下圖是幾個未焊透的例子。大多數規范都對允許未焊透的數量和程度作了限制,某些規范不允許有任何未焊透。如設計要求就是規定部分焊透:即只要焊縫尺寸足夠就質量合格。但焊接接頭要求完全焊透而出現部分焊透,則質量不合格。產生未焊透的原因與未熔合者一樣,即操作不當、接頭形狀不當或是過量的污物。射線檢測中未焊透的影像為典型的黑色直線。一般比未熔合的影像更直,因為它與原來坡口根部的制備有關。對于那些由兩個都制備了的構件組成的坡口焊縫,它位于焊縫寬度當中。
下圖是典型坡口焊縫根部未焊透的射線照片。
4.夾雜物
夾雜物的定義是指外來的固體物質,例如渣,焊劑,鎢或氧化物。夾雜物包括金屬和非金屬兩類。夾渣在下述場合發生:用以保護熔化金屬的、熔化了的焊劑或焊條藥皮,被機械地“捕捉”在凝固金屬的內部。位置在焊縫截面之內或焊縫表面。這種凝固了的焊劑、或者渣,形成了焊縫截面的一部分,而該處金屬沒有熔化,這就削弱了組件的使用性。夾渣有時完全包容在焊縫的截面內,有時也在焊縫表面。下圖就是表面夾渣的例子。
夾鎢差不多總是與GTAW工藝有關,如果鎢極與焊接熔池接觸,電弧熄滅,熔化的金屬圍著鎢極的端部凝固。移開鎢極時,鎢極端部很容易斷裂,如果不打磨去除,鎢將陷入焊縫中。當GTAW所用的焊接電流超過了鎢極直徑的推薦值時,也能產生夾鎢。如果焊工沒有適當地打磨鎢極,也能產生夾鎢。夾鎢很少在焊縫表面發現,發現夾鎢的主要方法是射線照相。由于鎢的密度比鋼或鋁大得多,所以在射線照相底片上顯示的是很亮的區域。如下圖所示。
5.氣孔
氣孔定義為“在凝固過程中由于氣體被捕捉而形成的空穴型不連續性”。氣孔通常被認為是危害最小的不連續性。但氣孔可能成為泄漏途徑。氣孔描述有單個氣孔、均勻分散氣孔、密集氣孔、線狀氣孔以及管狀氣孔。均勻分散氣孔是許多空穴沒有規律地發生于整個焊縫,然而密集氣孔和線狀氣孔是幾個空穴呈特殊形式。密集氣孔是許多氣孔聚集在一起。線狀氣孔是指許多氣孔排成直線。空穴或氣孔通常是球狀的,下圖所示是焊縫表面均勻分散氣孔的例子。
當氣孔顯示在焊縫射線照相底片上時,表現為輪廓分明的黑色區域,因為它代表材料密度的極大損失。除了管狀氣孔外,氣孔通常都以圓狀顯示。而管狀氣孔以帶著尾巴的圓狀顯示。下圖為密集氣孔的射線照相。
下圖為線狀氣孔的射線照片(與未焊透或其他不連續性一起)。
6.咬邊
咬邊是表面不連續性,發生在最鄰近焊縫的母材上。是由于在焊接過程中母材被熔化掉以后,沒有足夠的填充材料適當地填入所引起的凹陷。結果是在母材上形成線性凹槽,還可能具有相對尖銳的形狀。由于是表面不連續,所以對那些承受疲勞載荷的結構特別有害。下圖顯示了角焊縫和坡口焊縫中二者的咬邊的典型表現,對于坡口焊縫,咬邊既可能發生在焊縫表面,也可能發生在焊縫根部表面。
下圖說明了角焊縫的典型的咬邊外觀。通過目視檢測方法來找到咬邊,當燈光放置在適當的位置時,咬邊會產生明顯的陰影。檢驗時可以用手電筒照在母材表面,以便投射在有咬邊的地方,造成陰影。
射線照片上咬邊將在焊縫的趾部或根部表現為黑暗而模糊的跡象,如下圖所示。一般表面咬邊可以靠仔細的目視檢驗發現;一旦發現,如有必要,應當在射線照相檢測前進行修補。
7.焊瘤
由于焊接技術不當而引起的表面不連續性是焊瘤。焊瘤被描述為超出焊趾或焊根的焊縫金屬的突起,它就像焊接金屬溢出接頭,并留在鄰近的母材表面上。焊瘤既能發生于焊縫的表面,也能夠發生于坡口焊縫的焊縫根部,如下圖所示。同樣地,當光線以適當的方向照射時,就會有一個顯而易見的陰影。
8.余高過大
焊縫余高是超過填充焊接接頭所需量的焊縫金屬。表面余高發生于焊接接頭已完成的這一面,而根部余高是在接頭的背面。下圖顯示了單面焊焊接接頭的表面和根部的余高。余高過大的問題是焊縫金屬多余所需的量,過大的余高可能在每一個焊趾處產生尖銳的缺口。焊縫余高越大,缺口問題越嚴重。用打磨來削減余高的高度,可能符合規范的要求,焊接技術是產生過大焊縫余高的主要原因。
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