如何保证焊接接头质量？

在分析焊接接头质量的高低时，既要确保焊缝质量，也要考虑到焊接结构工作条件所提出的特殊要求。工作条件不同，构件材料也不同，焊接工艺方法和技术措施也不一样；即使构件材料全部相同，对工作焊缝（受力）和联系焊缝的处理也不相同。容器类结构往往要求有较高的密封性，化工类结构要求有较好的耐蚀性，高温工作结构要求焊缝的化学成分、力学性能与母材相近或相同，铸铁结构则要求焊接接头（包括焊缝、熔合线和热影响区及部分母材）有良好的加工性能等。

在通常情况下，“焊接质量好”是指焊接缺陷（如裂纹、气孔、夹渣、未焊透和咬肉等）少或没有，同时要有适当的焊缝形状系数（熔宽与熔深之比一般为0.8～2.0）和余高（一般为2mm左右），接头和母材的力学性能要组配合适等。

1.金属焊接性及其影响因素

金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，它包括工艺焊接性和使用焊接性两个方面。工艺焊接性是指在一定的工艺条件（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等）下焊接时，产生焊接缺陷的倾向性和严重性。在各种焊接工艺缺陷中，以裂纹的危害性最大。焊接裂纹产生的原因多而复杂，所以通常将工艺焊接性重点放在分析材料的抗裂性能上。使用焊接性是指焊接接头或整体结构是否满足技术条件所规定的各种使用性能的要求，如常规力学性能、低温韧性、高温蠕变、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性和耐磨性能等。金属材料的焊接性既和材料本身的性质有关，又和工艺条件、结构因素和使用条件密切相关。

（1）材料因素 材料本身的化学成分、组织状态和力学性能等对其焊接性起着决定性的作用。比如：铝和钛的化学性质很活泼，容易氧化和烧损，所以它们的焊接比铁要困难得多。两种不同金属材料的焊接，则与它们各自的性能有关，一般说来，理化性能、晶体结构接近的金属材料比较容易实现焊接。

焊接加工后，材料的组织性能变化对其焊接性也有着重大影响。例如：低碳钢焊接时，它的热影响区（HAZ）组织对焊接热输入不敏感，焊接工艺简单，焊接性好；而中碳调质钢的HAZ组织对焊接热输入很敏感，过小的热输入可能造成HAZ的淬硬脆化和冷裂纹，过大的热输入又可能造成HAZ的过热脆化和软化，所以中碳调质钢焊接时不仅要控制焊接热输入，而巨要采用预热、缓冷等措施，工艺复杂，焊接性差。

应当指出，焊接材料对母材的焊接性也有很大的影响。通过调整焊接材料的成分和变化熔合比，可以在一定程度上改善母材的焊接性。例如：硬铝2A12使用同质焊丝难以焊接，但使用w（Si）=5%的SAlSi-1铝合金焊丝则可有效地防止结晶裂纹。

（2）工艺因素 工艺因素包括所采用的焊接方法和焊接工艺规程，如焊接热输入、预热、后热、焊接顺序和焊后热处理等，它们都会影响材料的焊接性。

焊接方法对焊接性的影响主要体现在如下两个方面：即能量密度和保护条件。采用功率密度较大的焊接工艺方法，例如激光焊、电子束焊、等离子弧焊等，可以大大减小HAZ的宽度，从而大大减少各种HAZ的焊接缺陷，改善金属的焊接性；采用良好的保护方法，更是实现正常焊接过程的必要手段。在氖弧焊发明之前，Al、Ti等活泼金属的焊接很困难，可是采用保护良好的氖弧焊后，使它们的高质量焊接成为可能。

（3）结构因素 焊接接头的结构设计直接影响到它的刚度、拘束应力的大小和方向，而这些又影响到焊接接头的各种裂纹倾向。尽量减小焊接接头的刚度，减少交叉焊缝，减少各种造成应力集中的因素是改善焊接性的重要措施之一。

（4）使用条件 焊接接头所承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的腐蚀性等均属于使用条件，使用条件的苛刻程度也必然影响到金属材料的焊接性。焊接接头在高温下工作，必须考虑到某些合金元素的扩散和整个结构的蠕变问题；在低温下工作或承受冲击的焊接接头要考虑脆性断裂的可能性；在腐蚀介质中工作的焊接接头要考虑耐各种腐蚀破坏的可能性。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求越高，焊接性也就越难保证。

2.金属焊接性判据

钢材的焊接性判据是在大量试验工作基础上所建立的某些钢种的抗裂性经验公式，可用来间接估算某类钢种焊接性好坏，其最大优点是简单方便、经济。在这些判据中，应用最多的是冷裂纹敏感性判据，其次还有热裂纹和再热裂纹判据。

（1）碳当量法 碳当量法是一种粗略估计低合金钢焊接冷裂纹敏感性的方法。焊接部位的淬硬倾向与化学成分有关，在各种元素中，碳对淬硬及冷裂纹影响最显著。设系数为“1”，将其他各种元素的作用按照相当于若干含碳量作用折合并叠加起来，即为“碳当量”。显然，钢材碳当量越大，淬硬冷裂纹倾向越大，焊接性越差。

1）国际焊接学会（IIW）推荐的公式为：

此式适用于中、高强度的低合金非调质钢。计算的CE＜0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良好；当CE=0.4%～0.6%时，钢材易于淬硬，焊接时需要预热才能防止冷裂纹；当CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。

2）日本工业标准（JIS）和日本焊接学会（WES）推荐的公式为：

此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：w（C）≤0.2%，w（Si）≤0.55%，w（Mn）≤1.5%，w（Cu）≤0.5%，w（Ni）≤2.5%，w（Cr）≤1.25%，w（Mo）≤0.7%，w（V）≤0.1%，w（B）≤0.006%。

CE值作为评定冷裂纹敏感性指标，只涉及钢材本身，并未考虑其他一些因素，如接头拘束度、扩散氢等的影响，因此不能准确反映实际构件的冷裂纹倾向。

（2）冷裂纹敏感指数（P_c）

单纯以淬硬性估计冷裂纹倾向是比较片面的，冷裂纹敏感指数（P_c）公式综合考虑了产生冷裂纹三要素（淬硬倾向、拘束度和扩散氢含量）的影响，使计算结果更准确，P_c公式如下：

式中 P_cm——钢材的冷裂纹敏感指数；

δ——板厚（mm）；

[H]——焊缝中扩散氢含量（mL/100g）。

该公式适用条件：w（C）=0.07%～0.12%，w（Si）≤0.60%，w（Mn）=0.4%～1.40%，w（Cu）≤0.5%，w（Ni）≤1.20%，w（Cr）≤1.20%，w（Mo）≤0.70%，w（V）≤0.12%，w（Nb）≤0.04%，w（Ti）≤0.05%，w（B）≤0.005%，δ=19～50mm，[H]=1.0～5.0mL/100g。

求得P_cm后，利用式（7-5）即可求出斜Y坡口对接裂纹纹试验条件下，防止冷裂纹所需要的最低预热温度t₀（℃）。即

t₀=1440P_c-392℃ （7-5）

影响焊接性的因素是非常复杂的，计算公式难以考虑到物理模型的所有变量，这是判据与实际测量结果有一定差距的原因。工程上，上述公式只能作为分析时的一种估算，最终防止裂纹的条件，必须通过直接裂纹试验或模拟试验来确定。

3.常用焊接裂纹试验方法

焊接裂纹敏感性试验是工艺焊接性中的直接模拟试验，它具有接近实际工况、直观、可靠性好的优点。在试验中控制焊接参数，检测焊接接头中的裂纹等缺陷。常用的方法有：Y形坡口对接裂纹试验（简称“小铁研试验”）、刚性固定对接裂纹试验、横向可变拘束试验、插销试验等。常用焊接裂纹敏感性试验方法有：

图7-8 试件的形状及尺寸

（1）斜Y形坡口焊接裂纹试验 斜Y形坡口焊接裂纹试验亦称为“小铁研试验”。主要用来检验母材金属热影响区的冷裂纹倾向。试件的形式和尺寸如图7-8所示。拘束焊缝是双面焊接，焊满坡口，不得有角变形和未焊透。试验焊缝用焊条电弧焊或用焊条自动送迸装置迸行焊接，只焊一道。

拘束焊缝应采用低氢焊条焊接，焊条直径为4mm或5mm。对于试验焊缝，一般焊条直径为4mm，焊接电流为160～180A，电弧电压为22～26V，焊接速度为150mm/min。根据试验要求，可在不同温度下施焊，焊完48h以后迸行检测和解剖。自动送条时，引弧及收弧弧坑处的裂纹（热裂纹除外）应计入。

裂纹率的计算公式如下：

表面裂纹率C_f：

根部裂纹率C_r：

断面裂纹率C_s：

式中 ∑l_f、∑l_r、H_s——分别为表面裂纹总长、根部裂纹总长、断面裂纹高度（图7-9）；(www.xing528.com)

L——试验焊缝长度；

H——试验焊缝最小厚度。断面裂纹率是解剖5个断面后分别求每一断面的裂纹率然后求出平均值。

图7-9 试样裂纹长度计算

a）表面裂纹 b）根部裂纹 c）断面裂纹

由于斜Y坡口对接裂纹试验的接头拘束很大，根部尖角又有应力集中，所以试验条件比较苛刻。一般认为在这种试验中若裂纹率不超过20%，那么在实际结构焊接时，就不会产生裂纹。如果保持焊接规范不变，而采用不同预热温度迸行试验，则可获得防止冷裂纹的预热温度值，可作为实际生产中预热温度的参考数据。

小铁研试验结果准确度的关键在于坡口间隙的准确性，从拘束焊缝焊前装配到拘束焊缝全部焊完，一些步骤和因素的失控会影响坡口间隙的最终尺寸。间隙稍有差异，拘束应力就会有较大变化，使实验数据分散性增大，一般间隙控制在（2±0.2）mm。

（2）横向可变拘束热裂纹试验 这种试验方法主要用于研究各种类型的热裂纹（结晶裂纹、高温失塑裂纹和液化裂纹等）。它的基本原理是：在焊缝凝固后期，施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。

使用选好的焊条（如只研究母材的热裂倾向可采用TIG重熔），试验工艺规范同小铁研试验。按图7-10所示，从A点至C点迸行焊接，当电弧到达B点时，由行程开关控制，使加载压头在试件的一端突然加力F，使试件按模块的曲率发生强制变形，这时电弧仍继续燃烧。

计算应变 ε=δ/2R×100% （7-9）

式中 δ——试板厚度（mm）；

R——模块的曲率半径（mm）。

通过变换不同曲率半径的模块，就可以造成焊缝金属发生不同的应变量（ε），当ε值达到某一临界值时，在焊缝热影响区就会出现裂纹。随ε值的增大，出现裂纹的数量和总长度均会增加，从而可以得出一系列相应定量数据。

裂纹敏感性的评价指标有：临界应变量（ε_cr）；一定应变下，最大裂纹长度（L_max）、裂纹数目（N_t）和裂纹总长（L_t）等。

图7-10 横向可变拘束裂纹试验装置简图

（3）层状撕裂试验 层状撕裂是一种严重的内部开裂，其特点是平行于钢板轧制方向出现梯形裂纹，产生的原因是轧制钢材内部存在不同程度的分层夹杂物（特别是硫化物、氧化物夹杂），焊接后的残余应力垂直于钢板表面，致使焊接热影响区附近或稍远部位产生皇“台阶”形的层状开裂。

层状撕裂的试验方法很多，工程上广泛应用的是z向拉伸试验方法。z向拉伸试验是利用钢板厚度方向的断面收缩率来评定钢材的层状撕裂敏感性，试件制取和尺寸如图7-11所示。

图7-11 z向拉伸试验

a）取样部位 b）试棒

试棒拉伸破坏后，以z向断面收缩率ψ_z（%）为层状撕裂敏感性的判据。当ψ_z=5%～8%时，层状撕裂敏感性就很严重；当ψ_z=15%～25%时，才能较好地抵抗层状撕裂。

目前，国内外采用的裂纹试验方法还有许多，但每种方法都是针对一定尺寸和结构形状的试件，在一定焊接工艺条件迸行试验的。因而在实用上有一定的局限性，只能在一定范围内适用，而巨只是近似地反映实际焊接生产中可能产生裂纹的倾向，精确的判定还是要根据产品的实际制造情况迸行模拟试验。

（4）插销裂纹试验 插销实验法是一种用来测试材料氢致裂纹敏感性的半定量实验方法，它具有实验过程简单，效率高，经济性等优点，因此一直以来在裂纹评定领域占有重要地位。

智能型插销试验基本原理如图7-12所示。将被测金属加工成一定形状的插销试棒，使插销顶端与底板上表面平齐，然后在底板上通过插销中心熔覆一焊道，选择合适的焊接规范并控制熔深，使缺口位于粗晶区内。当焊缝冷却到100～150℃以下时，对插销施加预定的拉伸载荷，并保持这一载荷直至插销断裂。拉伸应力越小，插销承载的时间越长。当拉伸应力小于或等于某一数值时，插销就不再断裂，此时的应力值称为“临界断裂应力σ_cr”。通过σ_cr与材料σ_s的比较可评定被测金属的裂纹敏感性。

图7-12 插销原理示意图

实验采用环形深缺口插销试样（图7-13）和插销试验底板（图7-14）。该试样从被试验材料或产品（轧制件、锻件、铸件、焊缝、焊接构件）中制取。应该注明插销试样相对金属纤维的取向或相对厚度方向的取样位置。试验底板材料应与被研究材料相同或两者热物理参数基本一致。

图7-13 插销试样尺寸

图7-14 插销试验底板尺寸

4.焊接工艺方法的特点

焊接工艺方法首先是根据结构材料的特点迸行选择的。即使是同一结构和材料，不同的焊接工艺方法，由于它们热源的性质不同，对熔池的保护方式不同，也会产生不同的问题。因此在确定焊接工艺时，要根据不同的焊接工艺方法，采取相应的技术处理措施，以保证焊接接头质量。例如：

1）用酸性焊条焊接时，电流大可提高生产效率，但却会使药皮失去保护作用而产生气孔并增大变形和应力；用低氢型焊条时，焊接区域清理不干净或焊条烘干不够，也会产生气孔等缺陷。

2）埋弧焊容易产生气孔和较大的焊接应力变形。

3）电渣焊使接头组织粗大，往往需焊后处理以保证接头性能。

4）气体保护电弧焊接时，规范和操作不当可能破坏保护气氛而产生气孔。

为解决诸如此类的问题，除选择合适的工艺制度和规范参数外，还需迸行必要的工艺试验，以保证良好的焊缝形状和可靠的内在质量。

5.焊接结构及构造形式

在结构设计方面，常常由于忽略了焊接的特点而将铆接或铸造结构照搬过来，导致结构和接头刚性过大，会使焊接区应力过大甚至直接引起开裂，不恰当的结构形式、接头类型、坡口参数和过高的技术要求，都会使焊接时产生焊不到、未焊透、咬肉、气孔、夹渣和裂纹，或者焊缝密集，受热集中，造成过大焊接应力并由此产生热裂纹或冷裂纹等现象，直接影响焊接结构的承载能力或使用寿命。