機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接缺陷淺析

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摘要：重型機(jī)械所用結(jié)構(gòu)件種類繁多，基本采用手工電弧焊、二氧化碳保護(hù)焊、氬弧焊及埋弧自動(dòng)焊等方式來進(jìn)行焊接操作。由于結(jié)構(gòu)件本身的焊接難度系數(shù)、焊接工藝和焊接裝備的差異，導(dǎo)致焊接質(zhì)量得不到充分保證。就中厚板結(jié)構(gòu)件焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷、檢測(cè)方法、焊接變形及矯正、焊后處理手段進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，為焊接質(zhì)量檢驗(yàn)及焊接操作提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)件；焊接缺陷；焊縫檢測(cè)方法；焊接變形及矯正；焊接應(yīng)力

重型機(jī)械所用結(jié)構(gòu)件種類繁多，多數(shù)結(jié)構(gòu)件材料是Q235B、Q345B、45號(hào)鋼或者低合金鋼等，這些結(jié)構(gòu)件外形尺寸相差很大，基本采用手工電弧焊、二氧化碳保護(hù)焊、氬弧焊及埋弧自動(dòng)焊等方式來進(jìn)行焊接操作。大型機(jī)械廠有自己企業(yè)內(nèi)部的焊接工藝與標(biāo)準(zhǔn)、焊接操作人員，但小型機(jī)械廠有時(shí)很多結(jié)構(gòu)件是采用外協(xié)加工，由于焊接人員與焊接檢驗(yàn)人員均不是本企業(yè)員工，加之結(jié)構(gòu)件本身的焊接難度系數(shù)、焊接工藝和焊接裝備的差異，導(dǎo)致焊接質(zhì)量得不到充分保證。本文就中厚板結(jié)構(gòu)件焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷、檢測(cè)方法、焊接變形及矯正、焊后處理手段進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，為焊接質(zhì)量檢驗(yàn)及焊接操作提供參考。

1結(jié)構(gòu)件常見焊接缺陷

如圖1焊接缺陷圖所示，中厚板結(jié)構(gòu)件常見焊接缺陷有冷熱裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合及未焊透等。除了上述焊接缺陷外，焊接時(shí)還有焊接飛濺等工藝缺陷。由于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，焊縫布置不當(dāng)，焊接工藝措施不合理，或者母材抗裂性能差，焊接材料質(zhì)量不好，焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接內(nèi)應(yīng)力過大，坡口及焊道表面不夠清潔或有氧化皮及焊渣等雜物，焊件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的焊接缺陷如冷熱裂紋，未熔合和未焊透等。另外，由于焊工焊接操作技術(shù)不佳也會(huì)引起焊接缺陷，如焊瘤、咬邊及氣孔等。對(duì)于厚板焊接而言，如裝載機(jī)的動(dòng)臂板和動(dòng)臂橫梁的焊接，除了要防止產(chǎn)生常見的焊接裂紋、未熔合和未焊透焊接缺陷外，更需要注意動(dòng)臂板（一般為Q345A材料）鋼材的Z向性能（厚度方向所能承受的拉力）。

2結(jié)構(gòu)件焊縫檢測(cè)方法

焊接缺陷多種多樣，而對(duì)焊接接頭進(jìn)行必要的檢驗(yàn)是保證焊接質(zhì)量的重要措施。通常焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)包括外觀檢查、無損探傷和機(jī)械性能試驗(yàn)3個(gè)方面。焊接質(zhì)量管理人員可以從這3個(gè)方面來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量。（1）外觀檢查。外觀檢查一般以肉眼觀察為主，有時(shí)用5~20倍放大鏡進(jìn)行觀察。通過外觀檢查，可以發(fā)現(xiàn)焊縫表面缺陷，如咬邊、焊瘤、表面裂紋、氣孔、夾渣及焊穿等。外觀檢查需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的施焊人員或者檢驗(yàn)人員來完成。（2）無損探傷。有別于外觀檢查，隱藏在焊縫內(nèi)部的夾渣、裂紋、氣孔、未熔合及未焊透等缺陷的檢驗(yàn)，無法通過目測(cè)來獲知，可使用X光檢驗(yàn)（RT）、超聲波無損探傷（UT）、磁力探傷（MT）和滲透檢驗(yàn)（PT）等來進(jìn)行無損探傷。這些無損探傷手段都是焊縫檢驗(yàn)的關(guān)鍵方法，也是焊接質(zhì)量的重要保證手段。無損探傷需要由具有相關(guān)資格的人員來進(jìn)行操作。（3）機(jī)械性能試驗(yàn)。實(shí)際生產(chǎn)中，為確定焊縫熱影響區(qū)金屬的機(jī)械性能，需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行沖擊、拉伸及彎曲性能試驗(yàn)。一般只對(duì)新鋼種進(jìn)行這些試驗(yàn)，并且通過制定試驗(yàn)板來完成。機(jī)械性能試驗(yàn)是必不可少的檢驗(yàn)手段和方法。

3結(jié)構(gòu)件焊接變形及矯正

在重型機(jī)械中厚板結(jié)構(gòu)件焊接過程中，除了焊接缺陷外，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。常見焊接殘余變形有：線性縮短（縱向收縮、橫向收縮）、角變形、撓曲變形，彎曲變形、扭曲變形和波浪形失穩(wěn)變形等。焊接變形是在焊接過程中，由于鋼材受熱后冷卻出現(xiàn)不平衡收縮造成的。影響焊接變形的主要因素有：（1）焊縫在結(jié)構(gòu)件中的位置及剛性。焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)焊接變形的影響最為關(guān)鍵，總體趨勢(shì)是隨著拘束度的增加，焊接殘余應(yīng)力增加，焊接變形則相應(yīng)減少。（2）焊接工藝因素。主要影響因素包括焊接方法、焊接熱輸入（電流電壓）、構(gòu)件的定位或者固定方法、焊接順序、焊接工裝夾具的使用等。其中影響最大的是焊接順序。（3）材料因素。有些焊接變形主要是由于材料本身的物理特性造成的，主要因素為材料的熱膨脹系數(shù)、屈服極限以及彈性模量等。焊接變形的常見通用矯正方法有機(jī)械校正法和火焰校正法兩大類。（1）機(jī)械矯正法。對(duì)于低碳鋼結(jié)構(gòu)，可直接應(yīng)用機(jī)械矯正法矯正；對(duì)于低合金結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)，必須消除焊接應(yīng)力后才能進(jìn)行機(jī)械矯正，否則，不僅矯正困難，還會(huì)產(chǎn)生斷裂。矯正方法主要包括：錘擊矯正、滾矯、扳矯、壓矯及頂矯。錘擊矯正：鋼結(jié)構(gòu)焊后有突起的部位可用大錘錘擊，以消除變形和部分焊接應(yīng)力，但由于錘擊會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響，所以應(yīng)盡量少用此種方法。滾矯：用矯直機(jī)的托輥對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形部位進(jìn)行滾動(dòng)矯正，對(duì)某些結(jié)構(gòu)的波浪形焊接變形有非常好的矯正作用。但受矯直機(jī)的影響，滾矯這種方法有一定的應(yīng)用局限性。H型鋼的滾矯如圖2所示。扳矯：用輔助扳正工具（如加長(zhǎng)扳手類工具）對(duì)變形的焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行矯正。壓矯：平板類結(jié)構(gòu)件或較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件可通過輔助焊接平臺(tái)，利用輔助壓平裝置進(jìn)行壓矯，如圖3所示。頂矯：利用焊接輔助工裝，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件凹陷下去的部位用千斤頂進(jìn)行矯正。（2）火焰矯正法?；鹧娉C正法是用火焰不均勻加熱引起結(jié)構(gòu)變形來矯正原有的殘余變形。大型鋼結(jié)構(gòu)廠有時(shí)專門設(shè)有火工這個(gè)崗位，就是利用火焰來加熱變形焊接鋼結(jié)構(gòu)件。常見方法包括：1）點(diǎn)狀加熱矯正；2）線狀加熱矯正；3）三角形加熱矯正（見圖4）。應(yīng)用火焰矯正法時(shí)，火焰的溫度應(yīng)為600~900℃，以800~900℃為佳。

4焊接應(yīng)力的處理

焊接過程是金屬局部不均勻的加熱冷卻過程，焊縫兩側(cè)的金屬溫度隨距離呈陡降溫度特性，在焊接過程中被強(qiáng)烈加熱的金屬受到周圍金屬的約束，無法自由的熱漲冷縮，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)件的焊接過程中，除了焊接缺陷和焊接變形外，同時(shí)存在著焊接應(yīng)力，即焊接接頭各部位受熱及冷卻速度不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力、金相組織變化產(chǎn)生的組織應(yīng)力和施焊時(shí)鋼結(jié)構(gòu)本身的約束產(chǎn)生的拘束應(yīng)力。為了消除這些應(yīng)力，可采用如下方法：（1）熱處理法，即利用材料在高溫下屈服點(diǎn)下降和蠕變現(xiàn)象來達(dá)到松馳焊接殘余應(yīng)力的目的。一些重要的碳鋼結(jié)構(gòu)件焊后需要進(jìn)行熱處理，一般來講，結(jié)構(gòu)件在熱處理反應(yīng)爐內(nèi)整體加熱到退火溫度，保溫一定時(shí)間后冷卻，就可以使金屬材料在高溫下發(fā)生蠕變，使應(yīng)力松弛。（2）加載法，即通過不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應(yīng)力，使焊縫及其附近產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時(shí)在焊縫及其附近所產(chǎn)生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達(dá)到松馳應(yīng)力的目的。其方法有：1）機(jī)械拉伸法；2）溫差拉伸法；3）表面沖擊法（如噴丸、錘擊和超聲沖擊）。（3）時(shí)效法，即振動(dòng)時(shí)效、熱時(shí)效和自然時(shí)效處理。振動(dòng)時(shí)效是對(duì)結(jié)構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，材料發(fā)生局部的宏觀和微觀的塑性變形，這種塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大處和構(gòu)件的應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。熱時(shí)效法可以消除應(yīng)力，去氫和恢復(fù)塑性，但這種方法不太適合異種金屬構(gòu)件。在一些鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)廠，較為重要的合金鋼（如42CrMo）焊接完畢后，焊縫需要用保溫棉覆蓋十幾個(gè)小時(shí)，達(dá)到熱時(shí)效的目的。自然時(shí)效處理是把焊接完畢的結(jié)構(gòu)件（或鑄件），自然放置較長(zhǎng)一段時(shí)間后，達(dá)到消除應(yīng)力的目的。這種方法較為笨拙，除非這種工件不急于使用，否則一般不采用此種時(shí)效處理方法。

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作者:高振坤 單位:天津利豐工程技術(shù)有限公司