焊材和焊接过程控制对抑制裂纹形成的重要作用

焊材和焊接过程控制对抑制裂纹形成的重要作用

李大磊

371426198703152817 山东省德州市 253000

摘要：随着社会的发展，工程建设所用到的焊接工艺越来越多。在金属加工工艺领域中，焊接是一种年轻但发展非常迅速的加工方法，目前已经发展成为一门独立的学科，并在能源、交通、建筑，特别是机械制造部门中得到广泛的应用。随着经济与科学技术的发展进步，焊接技术将发挥越来越大的作用。随着新能源的开发与焊接质量的提高，焊接技术的应用范围有了明显扩展，目前一些现代化的大型设备，如大型高参数的压力容器与贮罐、大吨位油轮、超音速飞机、大功率的核发电设备以及水力、火力发电设备等，都大量采用了焊接结构。随着产品质量向着高参数、大容量、长寿命、大型化或微型化的方向发展，要求采用一些具有特殊性能的结构材料，如高强度钢、耐腐蚀钢、耐热钢、超高强度钢，各种有色金属及其合金，难熔金属和活性金属、异种金属、复合材料、功能材料等。焊接应用范围的扩展，同时也促进了焊接工艺方法、焊接设备、焊接材料、焊接结构设计和焊接质量检测方法等方面的发展。同时也对焊接质量提出了更高的要求。

关键词：焊材；焊接过程控制；抑制裂纹；重要作用  

引言

在钢结构工程中,施工管理人员的专业水准、对设计蓝图的理解深度、对钢材力学性能的认知程度,以及焊接工艺、焊工的职业技能,都是影响钢结构工程焊接质量、使用功能的重要因素。焊接裂纹的出现与焊接工艺技术水平与执行情况、焊工职业技能密切相关,其中的延迟裂纹成为整个钢结构工程焊接裂纹缺陷中最严重的质量缺陷和安全隐患。

1延迟裂纹产生原因及形成条件

形成冷裂纹的基本条件是：大厚工件预热温度、焊后缓冷措施和焊材选用不合适,导致在焊接接头及其附近形成淬硬组织;焊接接头刚性大,焊接工艺不合理,以及接头所承受的拘束应力状态;扩散氢的存在和聚集,有较大的焊接拉伸应力等。

（1）高强度结构钢焊接时产生冷裂纹的倾向,不仅取决于钢的淬硬倾向和氢的作用,还取决于焊接焊缝的应力状态;受氢的侵袭使焊缝组织脆化,焊接接头的含氢量及其分布程度,以及接头所承受的拘束应力状态是高强度结构钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。任何一个因素都可能导致产生冷裂纹,其中扩散氢是高强度结构钢产生焊接冷裂纹的重要因素之一。

（2）产生延迟裂纹的应力有焊接加热不均匀和冷却过程中产生的热应力、由金属相变发生体积变化而引起的相变应力、由结构刚度和约束引起的拘束应力。扩散氢也会导致高强度结构钢焊缝产生延迟裂纹,不同型号钢材产生冷裂纹的临界含氢量不同,与钢材的化学成分、预热温度、冷却条件有关;氢含量越高,延迟裂纹的敏感性越强,主要原因如下。

一是焊接时焊条药皮受潮,以及焊件的湿气、坡口处的铁锈、油污等都是焊缝产生氢的原因。二是在焊接过程中,由于焊缝金属在焊接高温下有大量的氢溶解,其周围母材的氢含量较少,氢将由焊缝金属向热影响区扩散,因焊缝的碳含量低于母材,在较高温度下焊缝先于母材发生相变,即由奥氏体分解为铁素体和珠光体等组织,由于氢在不同金属组织中的溶解和扩散能力不同,其在奥氏体中扩散速度很慢,溶解快,因此含氢量增大。当该区域金属由奥氏体转变成马氏体时,氢便以过饱和状态残留在马氏体中,使得氢向应力集中区加速扩散并聚集,当氢含量足够大时,便在热影响区产生裂纹。

2焊缝缺陷检测影响因素

2.1焊缝缺陷尺寸

焊缝加工形成的夹杂、气孔、裂纹等缺陷是引起焊接构件损坏的重要原因。磁记忆检测依据缺陷磁导率变化采集信号，进行缺陷识别，不同缺陷形状和深度有不同磁导率，从而产生不同磁场强度，进而影响缺陷磁信号检测。

在缺陷长宽方面：通过数值模拟研究裂纹型缺陷宽度对磁记忆信号的影响规律，认为随裂纹宽度增加，构件表面上方磁记忆信号法向分量和切向分量的峰值都有明显增大；进行进一步研究，认为裂纹缺陷会导致漏磁信号翻转，且裂纹大小不同会导致漏磁信号宽度及翻转峰值的不同；将研究推广到不同尺寸的未焊透和夹渣焊接缺陷中，认为随夹渣和未焊透缺陷尺寸增加，磁记忆信号切向磁场强度峰值、法向磁场强度峰值、切向磁场强度变化率、法向磁场强度变化率均增大，呈非线性变化规律，同时磁记忆数据存在分散性与不确定性；建立了尺寸与磁记忆信号间的幂函数关系，实现了焊接缺陷尺寸与磁信号间的定量分析。

在缺陷深度方面：随微裂纹深度增加，磁场切向分量和法向分量极大值均增加；对缺陷深度与磁记忆信号间的关系进行定量分析，认为随缺陷深度增加，法向漏磁场会线性增加。

2.2检测速度

在实际检测中，探头移动速度会影响磁信号的幅值，进而影响焊接缺陷的定性定量分析。用不同检测速度研究钢轨裂纹的磁记忆信号，认为随检测速度的增大，磁记忆信号逐渐减弱，缺陷信号幅度逐渐减小，并从微观角度解释了产生此现象的原因，是由于速度增加导致磁畴翻转时间变短，钢轨在地磁场激励下的自发磁化强度变弱，因此缺陷表面漏磁场减弱，故缺陷信号的幅值减弱。

在磁记忆检测时，应保持探头匀速运动，可用机器进行探头的移动，减少人工移动探头带来的误差。综上所述，磁记忆检测是以铁磁性材料的自发磁化和逆磁致伸缩性质的弱磁信号检测，所以检测的信号在受到干扰时会呈一定的随机性和离散性，有可能导致误判。虽然有缺点，但磁记忆检测有着其他检测技术无法比拟的优点，为提高磁记忆检测的准确度，在检测时应尽量避免人为可控因素的干扰，以增加检测精度，在检测仪器选择方面，提出了多通道TSC系列仪器，可实现构件表面的多轨迹同步检测，且可用于现场的快速检测，但该仪器只有两个方向的检测结果，试验检测中以三轴自动化扫描装置效果最好；研发的以HMR2300三轴磁强计为核心的自动化磁场扫描装置，检测后可辅助一些更成熟的检测技术，如X射线检测，对磁记忆检测结果进行核实。

3金属材料焊接缺陷的检验方法

3.1焊接表面缺陷检验

利用表面探测技术可以探测出焊缝表面和近表面附近的缺陷。目前，常见的检测表面缺陷主要有磁粉检测、渗透检测和涡流检测。

磁粉探测的基本原则是：当金属磁体被磁化后，因其结构不连续或有缺陷导致其附近的磁力线出现局部变形，并使其产生漏电，并对其进行吸收，并在适当的光线照射下，在一定的光线下，会出现明显的磁迹，并呈现出不连续的位置、尺寸、形状和严重的程度。磁粉法可以很好地检测焊接表面的缺陷，但是它仅适用于金属磁物质的表层和近端的缺陷。

渗透检测是在不破坏焊缝的条件下，通过带有荧光染料或红色染料的渗透剂的渗透作用，在毛细作用下，通过一定的时间，将渗透液渗透到焊缝表面开口裂缝处，待渗透工作完成后，还需要将表面多余的渗透液清除，随后在工件表面添加体层显像剂，将缺陷中的渗透液重新附着到表面，从而形成缺陷的痕迹，通过直接目视或者特殊灯具，观察缺陷痕迹颜色或者荧光图像对缺陷进行评定的方法。渗透检测可以检测铁磁性材料，也可以检测非铁磁性材料，同时也可以用于非金属材料的检测。但疏松多孔材料不适合于进行渗透检测。

3.2焊接内部缺陷检验

存在于焊缝内部的缺陷可通过超声检测和射线照相检测发现。超声波检测是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷监测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。超声波穿透力强，灵敏度高，可检测工件内部很小的缺陷，但检测结果显示不够直观，对缺陷的定性、定量仍然较为困难。

结语

实际焊接结构件中缺陷有各种各样的走向和分布，通常我们需要将多种方法结合起来使用才不至于造成缺陷漏检，对于金属材料焊接接头缺陷的有效识别对于确保焊接结构的可靠性具有十分重要的现实意义，对于加速焊接技术的发展也有重要的推动作用。考虑到金属材料焊接接头缺陷的形成一般是由多种因素共同作用形成的，因此明确其形成原因是对缺陷进行准确识别的重要基础。

参考文献

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[2]韩燕，张成杰，高彦伟，等.L415QB/316L双金属复合管环焊接头缺陷分析[J].石油管材与仪器，2022,8(4):71-74.