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标题:焊接接头中常见工艺缺陷产生的原因及防治方法
一、裂纹
焊接裂纹,按照产生的机理可分为:冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂裂纹几大类。
(一)冷裂纹
冷裂纹是在焊接过程中或焊后,在较低的温度下,大约在钢的马氏体转变温度(即Ms点)附近,或300~200℃以下(或T<0.5Tm,Tm为以绝对温度表示的熔点温度)的温度区间产生的,故称冷裂纹。
冷裂纹又可分为:延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。延迟裂纹,也称氢致裂纹,可以延至焊后几小时、几天、几周甚至更长的时间再发生,会造成预料不到的重大事故,所以具有重大的危险性。
1、产生的条件:
①焊接接头形成淬硬组织。由于钢的淬硬倾向较大,冷却过程中产生大量的脆、硬,而且体积很大的马氏体,形成很大的内应力。接头的硬化倾向:碳的影响是关键,含碳和铬量越多、板越厚、截面积越大、热输入量越小,硬化越严重。
②钢材及焊缝中含扩散氢较多,氢原子在缺陷处(空穴、错位)聚积(浓集)形成氢分子,氢分子体积较氢原子大,不能继续扩散,不断聚积,产生巨大的氢分子压力,甚至会达到几万个大气压,使焊接接头开裂。许多情况下,氢是诱发冷裂纹最活跃的因素。
③焊接拉应力及拘束应力较大(或应力集中)超过接头的强度极限时产生开裂。
2、产生的原因:可分为选材和焊接工艺两个方面。
①选材方面:
a、母材与焊材选择匹配不当,造成悬殊的强度差异;
b、材料中含碳、铬、钼、钒、硼等元素过高,钢的淬硬敏感性增加。
②焊接工艺方面:
a、焊条没有充分烘干,药皮中存在着水分(游离水和结晶水);焊材及母材坡口上有油、锈、水、漆等;环境湿度过大(>90%);有雨、雪污染坡口。以上的水分及有机物,在焊接电弧的作用下分解产生H,使焊缝中溶入过饱和的氢。
b、环境温度太低;焊接速度太快;焊接线能量太少。会使接头区域冷却过快,造成很大的内应力。
c、焊接结构不当,产生很大的拘束应力。
d、点焊处已产生裂纹,焊接时没有铲除掉;咬边等应力集中处引起焊趾裂纹;未焊透等应力集中处引起焊根裂纹;夹渣等应力集中处引起焊缝中裂纹。
3、防止方法:
可以从选材和焊接工艺两个方面着手。
①正确地选材。
选用碱性低氢型焊条和焊剂,减少焊缝金属中扩散氢的含量;搞好母材和焊材的选择匹配;在技术条件许可的前提下,可选用韧性好的材料(如低一个强度等级的焊材),或施行“软”盖面,以减小表面残余应力;必要时,在制造前对母材和焊材进行化学分析、机械性能及可焊性、裂纹敏感性试验。
②焊接工艺方面。
a、严格地按照试验得出的正确工艺规范进行焊接操作。主要包括:严格地按规范进行焊条烘干;选择合适的焊接规范及线能量,合理的电流、电压、焊接速度、层间温度及正确的焊接顺序;对点焊进行检查处理;搞好双面焊的清根等;仔细清理坡口和焊丝,除去油、锈和水分。
b、选择合理的焊接结构,避免拘束应力过大;正确的坡口形式和焊接顺序;降低焊接残余应力的峰值。
c、焊前预热、焊后缓冷、控制层间温度和焊后热处理,是可焊性较差的高强度钢和不可避免的高拘束结构形式,防止冷裂纹行之有效的方法。预热和缓冷可减缓冷却速度(延长△t 800~500℃停留时间),改善接头的组织状态,降低淬硬倾向,减少组织应力;焊后热处理可消除焊接残余应力,减少焊缝中扩散氢的含量。在多数情况下,消除应力热处理应在焊后立即进行。
d、焊后立即锤击,使残余应力分散,避免造成高应力区,是局部补焊时防止冷裂纹行之有效的方法之一。
e、在焊缝根部和应力比较集中的焊缝表面,(热影响区受到的拘束应力较低),采用强度级别较低的焊条,往往在高拘束度下取得良好的效果。
f、采用惰性气体保护焊,能最大地控制焊缝含氢量,降低冷裂纹敏感性,所以,应大力推广TIG、MIG焊接。
(二)层状撕裂
层状撕裂是冷裂纹的一种特殊形式。主要是由于钢板内存在着分层(沿轧制方向)的夹杂物(特别是硫化物),在焊接时产生的垂直于轧制方向(板厚方向)的拉伸应力作用下,在钢板中热影响区或稍远的地方,产生“台阶”式,与母材轧制表面平行的层状开裂。产生在T字型、K字型厚板的角焊接接头中。
提高钢板质量,减少钢材中层状夹杂物,从结构设计和焊接工艺方面采取措施,减少板厚方向的焊接拉伸应力,可防止层状撕裂。厚板焊接前,进行板材的超声波和坡口渗透探伤,检查分层夹杂物情况,如有层状夹杂物存在,可设法避开或事先修、磨处理。
(三)热裂纹
热裂纹是在高温下产生的,从凝固温度范围至A3以上温度,所以称热裂纹,又称高温裂纹。
如果材料中存在着较多的低熔点共晶杂质元素(P、S、C等)和较多的晶格缺陷,在焊接熔池结晶过程中,就容易出现晶界偏析,偏析出现的物质多为低熔点共晶(如:FeS—Fe、Fe3P—Fe、NiS—Ni、Ni3P—Ni)和杂质,它们在结晶过程中,以液态间层存在,形成抗变形能力很低的液态薄膜,相应的液态相存在的时间增长,最后结晶凝固,而凝固后的强度也极低,当焊接拉应力足够大时,会将液态间层拉开,或在其凝固后不久被拉断形成裂纹。
此外,如果母材的晶界上也存在着低熔点共晶和杂质时,则在加热温度超过其熔点的热影响区内,这些低熔点共晶物将熔化成液态间层,当焊接拉应力足够大时,也会被拉开而形成热影响区液化裂纹。
热裂纹都是沿奥氏体晶界开裂,呈锯齿状,所以,又称晶间裂纹。多出现在焊缝中间,特别是弧坑处,多数在焊缝柱状晶的会合处,即焊缝凝固的最终位置,也是最容易引起低熔点共晶偏析的位置;少数出现在热影响区。焊缝中的纵向裂纹一般发生在焊道中心,与焊缝长度方向平行;横向裂纹一般沿柱状晶界发生,并与母材的晶界相连,与焊缝长度方向垂直。当裂纹贯穿表面与空气相通时,断口表面呈氧化色彩(如蓝灰色等),有的焊缝表面的宏观裂纹中充满熔渣。
1、产生的原因
①选材方面:材料中含硫过多产生“热脆”;含铜过高产生“铜脆”;含磷过高产生“冷脆”。
②焊接工艺方面:镍基不锈钢,焊接顺序不当或层间温度过高、热输入量过大、冷却速度太慢;坡口形式不当(焊缝形状系数ψ=b/h≤1的窄深焊缝),单层单道焊时易产生焊缝中心偏析裂纹;弧坑保护不好,由于偏析作用,易产生弧坑热裂纹;多次返修会产生晶格缺陷聚集,形成多边化热裂纹。
2、防止方法
由于热裂纹的产生与应力的因素有关,所以,防止方法也要从选材和焊接工艺两个方面着手。
①选材方面:
a、限制钢材和焊材中,易产生偏析的元素和有害杂质的含量,特别是S、P、C的含量,因为它们不仅形成低熔点共晶,而且还促进偏析。C≤0.10%热裂纹敏感性可大大降低。必要时对材料进行化学分析、低倍检验(如硫印等)。
b、调节焊缝金属的化学成分,改善组织、细化晶粒,提高塑性,改变有害杂质形态和分布,减少偏析,如采用奥氏体加小于6%的铁素体的双相组织。
c、提高焊条和焊剂的碱度,以减低焊缝中杂质的含量,改善偏析程度。
②焊缝工艺方面:
a、选择合理的坡口形式,焊缝成型系数ψ=b/h>1,避免窄而深的“梨形”焊缝,(焊接电流过大也会形成“梨形”焊缝),防止柱状晶在焊道中心会合,产生中心偏析形成脆断面;采用多层多道焊,打乱偏析聚集。
b、控制焊接规范:
采用较小(适当)的焊接线能量,对于奥氏体(镍基)不锈钢应尽量采用小的焊接线能量(不预热、不摆动或少摆动、快速焊、小电流)、严格掌握层间温度,以缩短焊缝金属在高温区的停留时间;
注意收弧时的保护,收弧要慢并填满弧坑,防止弧坑偏析产生热裂纹;
尽量避免多次返修,防止晶格缺陷聚集产生多边化热裂纹;
采取措施尽量降低接头应力,避免应力集中,并减少焊缝附近的刚度,妥善安排焊接次序,尽量使大多数焊缝在较小的刚度下焊接,使其有收缩的余地。
(四)再热裂纹
再热裂纹是指一些含有钒、铬、钼、硼等合金元素的低合金高强度钢、耐热钢的焊接接头,再加热过程中(如消除应力退火、多层多道焊及高温工作等),发生在热影响区的粗晶区,沿原奥氏体晶界开裂的裂纹,也有称其为消除应力退火裂纹(SR裂纹)。
600℃附近有一敏感区,超过650℃敏感性减弱。
再热裂纹起源于焊缝热影响区的粗晶区,具有晶界断裂特征。裂纹大多数发生在应力集中的部位。
防止措施:
①选材时应注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素,尤其是V的含量。必须采用高V钢材时,焊接及热处理时要特别加以注意。
②热处理时避开再热敏感区,可减少再热裂纹产生的可能性,必要时热处理前做热处理工艺试验。
③尽量减少残余应力和应力集中,减少余高、消除咬边、未焊透等缺陷,必要时将余高和焊趾打磨圆滑;提高预热温度,焊后缓冷,降低残余应力。
④适当的线能量,防止热影响区过热,晶粒粗大。
⑤在满足设计要求的前提下,选用低一个强度等级的焊条,让其释放一部分由热处理过程消除的应力,(让应力在焊缝中松弛),对减少再热裂纹有好处。
二、未熔合
未熔合是指熔焊时,焊道与母材之间、焊道与焊道之间、点焊时焊点与母材之间,未完全熔化结合的部分。
1、产生的原因:产生未熔合的根本原因是焊接热量不够,被焊件没有充分熔化造成的。主要原因有:
①电流太小;②焊速太快;③电弧偏吹;④操作歪斜;⑤起焊时温度太低;⑥焊丝太细;⑦极性接反,焊条熔化太快,母材没有充分熔化;⑧坡口及先焊的焊缝表面上有锈、熔渣及污物。
这些原因都造成焊材早熔化,而被焊母材温度低,没有熔化,熔化的焊材金属沾附到焊件上。
2、防止措施:
①选择适当的电流(稍大)、焊速(稍慢),正确的极性,注意母材熔化情况;
②清除干净坡口及前道焊缝上的熔渣及赃物;
③起焊时要使接头充分预热,建立好第一个熔池;
④克服电弧偏吹。注意焊条角度,照顾坡口两侧的熔化情况;
三、未焊透
未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透的现象。另,焊缝金属与母材之间,未被电弧熔化而留下的空隙。常发生在单面焊根部和双面焊的中间。(ISO—母材金属之间没有熔化,熔敷金属没有进入接头根部的缺陷。)
1、产生的原因:
①坡口及装配方面:间隙过小;钝边太厚;坡口角度太小;坡口歪斜;有内倒角的坡口角度太大;错口严重;
②工艺规范方面:电流过小;焊速过大;电弧偏吹;起焊处温度低;极性接反;
③操作方面:焊条太粗;操作歪斜;双面焊时清根不彻底;坡口根部有锈、油、污垢,阻碍基本金属很好地熔化。
2、防止措施:
①控制好坡口尺寸:间隙、钝边、角度及错口等;
②控制电流、极性和焊速;使接头充分预热,建立好第一个熔池;
③控制焊条直径和焊接角度;克服电弧偏吹;
④双面焊清根一定要彻底;
⑤坡口及钝边上的油、锈、渣、垢一定要清理干净。
四、气孔
气孔是指焊接时,熔池中的气泡在凝固时未能逸出,而残留下来形成的空穴。
根据气孔产生的部位不同,可分为内部气孔和外部气孔;根据分布的情况可分为单个气孔、涟状气孔和密集气孔;根据气孔产生的原因和条件不同,其形状有球形、椭圆形、旋涡状和毛虫状等。
1、产生的原因:
形成气孔的气体主要来源于:
a、大气:空气湿度太大,超过90%,水分分解,氢气、氧气侵入;收弧太快,保护不好,空气中的N2气侵入;电弧太长,空气中的N2气侵入;
b、溶解于母材、焊丝和焊条钢芯中的气体,药皮和焊剂中的水和气体:焊条烘干温度太低、保温时间太短;焊条过期失效; 氩气纯度不够,保护不良;焊条烘干温度过高,使药皮成分变质,失去保护作用;电流过大,药皮发红失效,失去保护作用,空气中的N2气侵入;焊芯锈蚀、焊丝清理不净、焊剂混入污物。
c、焊材、母材上的油、锈、水、漆等污物,分解产生气体;
d、操作原因引起的气孔:运条速度太快,气泡来不及逸出;焊丝填加不均匀,空气侵入;埋弧焊时,电弧电压过高,网路电压波动过大,空气侵入。
2、防止措施:
①严格控制焊条的烘干温度和保温时间;
②不使用过期失效的焊材;使用符合标准要求的保护气体(氩气等);
③彻底清理坡口及焊丝上的油、锈、水、漆等污物;
④电弧长度要适当,防止N2气侵入,碱性焊条尤其要采用短弧;
⑤搞好接头和收弧。充分预热接头,建立好第一个熔池,使上一个收弧处的气体消除掉;收弧要慢,填满弧坑,采用“回焊法”等,使气、渣充分保护好熔池,防止N2气侵入;多层多道焊的各层各道的接头要错开,防止气孔密集(上下重合);
⑥适当增加热输入量,降低焊接速度,以利气泡逸出。
五、夹渣
夹渣是指焊后残留在焊缝中的非金属夹杂物。主要是由于操作原因,熔池中的熔渣来不及浮出,而存在于焊缝之中。
1、产生原因:
①坡口角度太小,运条、清渣困难;
②运条太快,熔渣来不及浮出;
③焊接电流太小,熔深太小;
④运条时坡口两侧停留时间短,而在焊缝中心过度太慢,使得焊缝中心堆高,坡口两侧形成死角,夹渣清理不出来;焊缝成型粗劣;
⑤前一层的熔渣清理不干净;接头处理不彻底;坡口处有锈、垢、泥沙等;
⑥焊条涂料中含碳成分过高。
2、防止措施:
①彻底清理坡口的油污、泥沙、锈斑;彻底清理前焊道熔渣;
②适当调节(加大)焊接电流;控制焊接速度,造成熔渣浮出条件;
③正确掌握操作方法,使焊缝表面光滑,焊缝中心不堆高;
④选择优质焊条。
六、夹钨
手工钨极氩弧焊过程中,由于某些原因,使钨极强烈的发热,端部熔化、蒸发,使钨过渡到焊缝中,并残留在焊缝内形成夹钨。
1、产生原因:
①当焊缝电流过大,超过极限电流值,或钨极直径太小时,使钨极强烈地发热、端部熔化;
②氩气保护不良,引起钨极烧损;
③炽热的钨极触及熔池或焊丝,而产生的飞溅等,均会引起焊缝夹钨。
2、防止措施:
①根据工件的厚度,选择相应的钨极直径和焊接电流;
②使用符合标准要求纯度的氩气;
③施焊时采用高频振荡器引弧,在不防碍操作情况下,尽量采用短弧,以增强氩气保护效果;
④操作要仔细,不使钨极触及熔池和焊丝;
⑤经常修磨钨极端部。
 
 
2016-10-21   
 
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