钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施

第一篇：钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施

钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施 作者：陈临泉

（中国水利水电第三工程局有限公司)摘要：本文通过阐述，详细介绍了焊接施工中焊缝常见的裂纹与气孔缺陷的分类以及产生原因，从而深入浅出的为上述缺陷提出较为详细的预防措施，并谨以此为焊接施工提供一点技术经验，以供各位同行批评指正。

关键词：热裂纹冷裂纹气孔产生原因防治措施 裂纹

它是焊接施工中比较普遍的而又十分严重的缺陷，它是在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而使焊接面产生裂纹，实质上，就是焊接后焊口在冷却过程产生的热应力超过材料强度所导致的裂纹。裂纹的分类：裂纹的分法多，按其产生温度可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹。按部位可以分为纵裂纹、横裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹、熔合线裂纹等等。这里主要介绍一下冷裂纹和热裂的产生、特点和预防。热裂纹的产生及预防 热裂纹的产生原因：

因为焊件及焊条内含硫、铜等低熔点杂质或多或少的存在，使得结晶凝固晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在焊接熔池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的这些低熔点共晶和杂质，由于低熔点共晶熔点低，往往是最后结晶，在晶界以液态夹层的方式存在，这时，当外界结构约束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中低熔点杂质在凝固过程中被拉开，被拉开的液态夹层产生的间隙己没有足够的低熔点液态金属来填充形成了裂纹，或在是在凝固后不久被拉开，造成开裂，这就是热裂纹产生的机理。热裂纹的特征：

多贯穿在焊缝表面，裂口多数贯穿表面，并断口被氧化色彩，裂纹末端略呈圆形； 多在焊缝中心位置，沿焊缝长度方向分布，极少数也产生在热影响区； 微观特征一般是沿晶界开裂，故又称之为晶间裂纹； 并在焊后立即可见，多可以用肉眼看见，热裂纹的防止措施：

限制或减小硫、磷等有害元素的含量，用含碳量较低的焊条焊接； 改善熔池的一次结晶，由于细化晶粒可以提高焊缝中的抗裂性，所以广泛采用向焊缝中加入细化晶粒的元素，如钛、铝、锆、硼、或稀土金属铈等。

控制焊接工艺参数，适当提高焊缝成形系数，如采用多层多道焊，避免偏析的产生等。采用碱性焊条和焊剂，由于碱性焊条脱硫、磷效果好，抗热裂纹的效果好，一般对于热裂纹倾向较大的构件，一般都采用碱性焊条进行焊接。采用适当的断弧方式，如埋弧焊采用断弧板，焊条电弧焊采用断弧焊或填满弧坑的方法来防止热裂纹的产生。

合理选用焊接规范，严格控制焊接工艺参数，并采用预热和后热，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；

采用熔深较浅的焊缝，改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不存在于焊缝中； 采用合理的装配次序，减小焊接应力，降低残余应力，避免应力集中。冷裂纹的产生及预防： 冷裂纹的产生原因：

冷裂纹主要产生在中碳钢、高碳钢、低合金钢和中合金高强度钢中。产生冷裂的原因主要有三个方面：钢的淬硬倾向，焊接应力，较多的氢的存在和聚集。许多情况下，氢是诱发冷裂纹最活跃因素之一。当焊缝中淬硬倾向和焊接应力过大，使热影响区存在显微缺陷时，氢会在这些缺陷处聚集，并由原子态转为分子态，加上焊接应力的作用，使显微缺陷扩大，从而形成冷裂纹。冷裂纹的特征：

冷裂纹断面表面没有氧化色彩，它是较低温度产生的，（200~300度以下）一般不可以用肉眼看到，要做着色才可以看到。

冷裂纹一般产生在热影响区或焊缝与热影响区的熔合线上，也有极少数产生在焊缝上。冷裂纹一般为穿晶裂纹，少数也有可能沿晶界发生。

冷裂纹一般在焊后并不立即出现，而是在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹的防止措施：

选用碱性低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；

严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，焊条和焊剂应按规定烘干，随用随取，谨防受潮；

保护气体要控制其纯度，严格清理焊条、焊件的油、锈、水分并控制焊接环境的湿度，从而减少氢的来源；

改善焊缝金属性能。如加入一些合金元素可以提高焊缝中的塑性。根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，正确的选择焊接工艺参数和线能量，例如：采用焊前预热，焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等，改善焊缝热影响区的组织，去氢和消除焊接应力。

焊后紧急热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性； 采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，减少焊接变形和焊接应力。气孔

焊缝中的气孔是焊接缺陷之一，对一般非压力容器构件来说，不认为是重要缺陷，往往被人们所忽视，但气孔会降低焊接接头的机械性能，产生应力集中，它的存在减少了焊缝有效工作截面，降低了接头的机械强度。严重时会造成脆性破坏，影响产品质量。若是有穿透性或连续性气孔存在，将会严重影响焊件的密封性。可是，在钢制结构的焊接中，若在几米或十几米乃至更长的焊缝上，要保证不出一个气孔，只有通过采取采性气体对焊缝正面形成良好保护,保证一次焊透,或采用带背面止口的接头形式,才可防止气孔的产生。气孔的产生及预防 气孔的产生原因：

焊缝内部易形成气孔，主要原因是从熔池上方和熔池底部卷入空气所致。具体的讲，就是在钢结构焊接施工中，由于焊件表面的油、污、锈、垢及氧化膜没有清除干净、焊条受潮或质量不好、焊炬摆幅快而大、焊接现场周围风力较大、焊接速度过快、焊丝和母材的化学成分不匹配等诸多因素，造成焊缝金属在高温时，吸收了过多环境中的气体（如O2、H2、N2）或由于溶池内部冶金反应产生的气体（如CO），在溶池冷却凝固时来不及排出，而在焊缝内部或表面形成孔穴。气孔的防止措施

在焊接施工中，如何控制好过多的环境气体（如O2、H2、N2、）及时排除才是气孔预防措施的关键之所在，下面将逐一进行介绍各种有害气体的来源、危害以及具体的控制措施。氧在焊缝中的作用：

氧的来源：焊接区的氧主要来自电弧中的氧化性气体（如二氧化碳、氧、水等）、焊剂、药皮中的水份和焊件表面的铁锈、水份。氧对焊缝质量的影响： 加速焊缝中有益元素的烧损，而使焊缝的强度、塑性、冲击韧性降低。降低焊缝的物理性能和化学性能，如导电性、导磁性和抗腐蚀性等。

O2与H2、C反应，形成不溶于金属的气体，如果结晶时来不及逸出焊缝，则形成气孔。氧气孔在焊缝中的特征：氧气孔主要发生在碳钢焊缝中，一般情况下存在于焊缝的内部，气孔沿结晶方向分布，呈条状或不规则形状，表面光滑。控制氧的措施：

加强保护，如采用短弧焊，选用合适的气体流量，防止空气入侵。

清理焊件表面的水分、油污、铁锈，按规定烘干焊条、焊剂等焊接材料。对焊缝采用一定的脱氧措施。如采用含脱氧元素较高的焊条、焊剂。氢对焊缝的作用： 氢的来源：

焊缝中的氢主要来自受潮的药皮或焊剂中水份、焊条、焊剂中的有机物、空气中的水份、焊件表面的铁锈、油脂及油漆。氢对焊缝质的影响：

形成气孔，焊缝中饱和的氢来不及逸出焊缝时，就形成了气孔。产生氢白点和氢脆；

氢也是产生冷裂纹的主要原因之一。

氢气孔在焊缝中的特征：在焊接碳钢和低合金钢时，氢气孔主要出现在焊缝表面，以单个出现，在返修磨刨时明显感觉很深，气孔内壁光滑，焊接铝、镁等有色金属时，主要了产生在焊缝的内部。控制氢的措施：

清理焊件及焊丝表面的油污，铁锈、水份。

焊前按规定烘烤焊条、焊剂。气体保护焊对气体进行去水份、干燥处理。尽量选用低氢型焊条，焊接时采用直流反接、短弧操场作。对焊缝进行消氢处理，如焊前预热，焊后缓冷。氮对焊缝的作用：

氮的来源：焊接时熔池中的氮主要来自空气中。

氮对焊缝质量的影响：焊缝中饱和的氮来不及逸出焊缝时，就形成了气孔，同时也影响焊缝的力学性能。

氮气孔在焊缝中的特征：氮气孔一般发生有焊缝的表面（多层焊在每层的表面）成堆、蜂窝状出现，焊条电弧焊一般在接头引弧处出现较多，生产中也是出现得比较多的气孔。控制氮的措施：

清理焊件及焊丝表面的油污，铁锈、水份，焊前按规定烘烤焊条、焊剂。气体保护焊对保护气体进行去水份、干燥处理，气体纯度要达到要求，有风时要有防风措施。不得使用药皮开裂、药皮脱落、变质、偏心或生锈的焊条。

选用合适的焊接工艺参数，碱性焊条时要采用短弧焊，电流采用直反接。结束语： 综上所述：钢结构焊接施工中，裂纹和气孔缺陷均会导致焊缝出现应力集中，缩短使用寿命，造成脆裂，降低结构断面尺寸，影响焊缝的力学性能，危及安全。因此，在重要乃至关键部位的钢结构制作安装中，必须加强焊接工作中裂纹及气孔缺陷的数量控制，遵守焊接规范，严格施工工艺，保证焊缝质量，避免质量事故和危及到结构稳定和人民生民财产的事故发生。参考文献：

《金属工艺学》.邓文英主编.高等教育出版社；

第二篇：焊接裂纹的形成机理与预防措施

焊接裂纹的形成机理与预防措施

1、产生焊接冷裂纹的原因

焊接冷裂纹在焊后较低的温度下形成。由于这种裂纹形成与氢有关，且有延迟开裂的特点，因此又称之为焊接氢致裂纹或延迟裂纹。

产生焊接冷裂纹的三个必要条件：

（1）氢。氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中存在着扩散氢。根据氢脆理论，这种扩散氢将向应变集中区（如微裂纹或缺口尖端附近）扩散，当该区的氢浓度达到某一临界值时，裂纹便继续扩展。

（2）应力。依据目前国内及国际的施工水平，在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对，所以在组装完成后便存在着内应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除。再加上球罐焊接是一个局部加热过程，在焊接过程中产生应力与应变的循环，因此球罐焊接后必然存在残余应力。

（3）组织。焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量越多越容易产生冷裂纹。

3、防止产生焊接冷裂纹的措施

（1）尽量选用对冷裂纹不敏感的材料选用内在质量好的母材。即选用碳当量低的优质钢材，尤其是避免母材大型夹渣。所以在球壳板制造前必须对板材进行严格的超声波检查，对有严重夹层等缺陷的钢材不得使用。

（2）尽量减少氢的来源。第一，球罐的焊接选用低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干，并贮存在100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧20mm范围内的油污、水分，、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊；第五，采取有效的防风措施，以防止吹弧，使焊接熔池得到有效的隔离保护。

（3）选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定，预热范围一般为坡口两侧三倍球壳板厚度且不小于100mm。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。

（4）选用适当的后热温度和后热时间。随着焊接层数的增多，焊缝中扩散氢会逐渐积累。因此焊后应立即进行后热，使扩散氢有充分的时间溢出，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。

（5）焊接过程中保持适当的层间温度，适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度下限值。

（6）采用合适的线能量。若焊接线能量过小，焊缝热影响区容易出现淬硬组织，再加上扩散氢的作用，焊缝容易产生冷裂纹；若线能量过大又会使焊缝热影响区的软化区宽度增加，使焊缝缺口的韧性降低，球罐整体的机械性能下降。

焊接缺陷是影响焊接质量最直接的原因，而焊接裂纹作为最难解决的焊接缺陷之一，在焊管生产中时有出现。

焊接裂纹有横向裂纹和纵向裂纹两种，其中纵向裂纹为可见典型裂纹断口，带圆弧的光滑自由面，有时有氧化物，电子探针发现没其他夹杂物。预防措施为：

1冶金因素

控制焊缝中S、P、C含量，是提高抗裂性、减少结晶裂纹的有效措施。在焊管生产中，选择合适的焊丝、焊剂，有效控制其S、P、C含量，使减少焊缝纵向裂纹的有效措施。

2接头坡口形式 合适的焊接坡口是减少焊接裂纹的有效措施，当卷板较厚，板位控制难时会增加裂纹成形几率，提高对头质量，尽量使钢管在成型过程中产生较小的残余应力，能减少结晶裂纹。

3工艺因素

减少热输入，能在焊缝中形成较小晶粒尺寸组织；降低焊接速度，可以使晶粒的端部并列长大挤压在一起，避免偏析集中；此外宽焊缝相对窄焊缝能防止晶粒长大直接鹏在一起，避免偏析集中。

焊接横向裂纹，其走向垂直于焊缝，具有沿晶和穿晶特点，预防措施为：

1冶金方面

1）要保证板材优良的力学性能，保证强度和韧性要求，尽量减少钢中杂质；

2）尽量选用低氢和高强度、高韧性的焊接材料，选用合适的焊丝、焊剂匹配，严格清理焊丝和焊接区域，烘干焊剂。

2工艺方面

1）焊接线能量过大，会使近缝区晶粒粗大；线能量过小，会使热影响区淬硬，这些都导致横向裂纹产生，应选择合适的焊接线能量；

2）预热可降低冷却速度，有效防止横向裂纹产生；

3）焊后延缓冷却可使氢充分逸出，也能防止焊缝横向裂纹产生

焊接是利用加热或加压等手段，使分离的两部分金属，借助于原子的扩散与结合而形成原子间永久性连接的工艺方法。焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊3大类。

焊接方法具有如下优点：

（1）成形方便：焊接方法灵活多样，工艺简便；在制造大型、复杂结构和零件时，可采用铸焊、锻焊方法，化大为小，化复杂为简单，再逐次装配焊接而成。

（2）适应性强：采用相应的焊接方法，不仅可生产微型、大型和复杂的金属构件，也能生产气密性好的高温、高压设备和化工设备；此外，采用焊接方法，还能实现异种金属或非金属的连接。

（3）生产成本低：与铆接相比，焊接结构可节省材料10%～20%，并可减少划线、钻孔、装配等工序。另外，采用焊接结构能够按使用要求选用材料。在结构的不同部位，按强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等要求选用不同材料，具有更好的经济性。

焊接电弧是电极与工件之间的强烈而持久的气体放电现象。

电弧的构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。

采用直流弧焊机焊接时有正接法与反接法之分，正接是将工件接电源正极，焊条接负极；反接是将工件接电源负极，焊条(或电极)接正极。

用钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600K，阴极区温度约为2400K，电弧中心区温度最高，可达6000～8000K。

焊条电弧焊时，对焊接电源的基本要求有：（1）具有陡降的特性；

（2）具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90V；（3）限制适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电源。短路电流一般不超过工作电流的1.25～2倍。

常用焊接电源的类型有交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。

四、焊接冶金过程有何特点？焊接过程中为什么要对焊接区进行有效保护？

焊接冶金过程特点：电弧焊时，被熔化的金属、熔渣、气体三者之间进行着一系列物理化学反应，如金属的氧化与还原，气体的溶解与析出，杂质的去除等。因此，焊接熔池可以看成是一座微型冶金炉。但是，焊接冶金过程与一般的冶炼过程不同，主要有以下特点。

（1）冶金温度高：容易造成合金元素的烧损与蒸发；

（2）冶金过程短：焊接时，由于焊接熔池体积小(一般2～3cm3)，冷却速度快，液态停留时间短(熔池从形成到凝固约10s)，各种化学反应无法达到平衡状态，在焊缝中会出现化学成分不均匀的偏析现象。

（3）冶金条件差：焊接熔池一般暴露在空气中，熔池周围的气体、铁锈、油污等在电弧的高温下，将分解成原子态的氧、氮等，极易同金属元素产生化学反应。反应生成的氧化物、氮化物混入焊缝中，使焊缝的力学性能下降；空气中水分分解成氢原子，在焊缝中产生气孔、裂缝等缺陷，会出现“氢脆”现象。上述情况将严重影响焊接质量，因此，必须采取有效措施来保护焊接区，防止周围有害气体侵入金属熔池。

（7）防止强力组对。在球罐组对过程中选用合适的工艺和组装机具，尽量避免强力组对。强力组对将使球罐在焊接前就存在强大的附加内应力，这种内应力在焊后也不可能完全消除。

（8）减小错边和角变形。在错边和角变形存在的部位，曲率发生了突变，所以焊后将会存在强大的残余内应力。

（9）采用合理的焊接顺序。当采用合理的顺序焊接时，整台球罐将同时对称地收缩或膨胀，这样能控制焊接变形，减小焊接残余应力。球罐焊接应遵循先纵缝后环缝，先大坡口后小坡口，先赤道后温带最后极带的原则，而且焊工应对称、均匀施焊。球罐焊缝的打底焊要采用分段退焊法，分段长度为600～700mm。

（10）避免工艺缺陷的产生。咬边、未焊透、长条状夹渣等工艺缺陷部位是应力集中区，这些部位容易产生冷裂纹。

（11）确保封底焊缝的质量，封底焊缝要自上而下焊接，不能采用摆动、为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。

3.1控制温度的措施如下：

3.1.1采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中水泥用量；

3.1.2拌和混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；

3.1.3热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；

3.1.4在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；

3.1.5规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；

3.1.6施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施。

3.2改善约束条件的措施是：

3.2.1合理地分缝分块；

3.2.2避免基础过大起伏；

3.2.3合理地安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露。

此外，改善混凝土的性能提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。

在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土心早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝新浇筑早期拆模，在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就在导致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料，如泡沫海棉等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著效果。

加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小，因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下，钢的各项性能是稳定的，而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7—15倍，当内混凝土应力过到抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过100—200kg/cm.因此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与尝试较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数量属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。

挑弧、灭弧的施焊方法

目前，砌体结构的房屋出现各种型式的裂缝，非常常见。其裂缝程度轻重不一，差别很大。轻则影响房屋正常使用和美观，严重的将形成结构安全隐患，甚至发生工程事故。随着住宅商品化的发展，房屋裂缝问题越来越引起人们的关注。

砌体属于脆性材料，裂缝的存在降低了墙体的质量，如整体性、耐久性和抗震性能，同时墙体的裂缝给居住者在感观上和心理上造成不良影响。特别是随着我国墙改、住房商品化的进展，人们对居住环境和建筑质量的要求不断提高，对建筑物墙体裂缝的控制的要求更为严格。由于建筑物的质量低劣，如墙体裂缝、渗漏等涉及的纠纷或官司也越来越多，建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。因此加强砌体结构，特别是新材料砌体结构的抗裂措施，已成为工程量、国家行政主管部门，以及房屋开发商共同关注的课题。

砖砌体结构裂缝产生的原因

1、温差变形引发的砖砌体裂缝

这类裂缝较典型和普遍的是建筑物(特别是那些纵向较长的)顶层两端内外纵墙上的斜裂缝，其形态呈“八”字或“X”型，且显对称性，但有时仅一端有，轻微者仅在两端1～2个开间内出现，严重者会发展至房屋两端1/3纵长范围内，并由顶层向下几层发展。此类型缝对那种刚性屋面平屋顶、未设变形缝、隔热层的房屋，更易发生。产生的直接原因是混凝土结构屋面的伸缩变形牵引其下砖砌体超过其材料抗拉强度的结果。具体的机理可认为是：在阳光照射下(特别是南方地区)屋面板温度可高达60～70℃，而在其下的砖砌体仅为30～35℃，如此大的温差，加上混凝土线膨胀系数比砖砌体近似大一倍，可计算出砌体中的主拉应力。

2、地基基础不均匀沉降引起的裂缝

一般在建筑物下部，由下往上发展，呈“八”字、倒“八”字、水平及竖缝。当长条形的建筑物中部沉降过大，则在房屋两端由下往上形成正“八”字缝，且首先在窗对角突破；反之，当两端沉降过大，则形成的两端由下往上的倒摪藬字缝，也首先在窗对角突破，还可在底层中部窗台处突破形成由上至下竖缝；当某一端下沉过大时，则在某端形成沉降端高的斜裂缝；当纵横墙交点处沉降过大，则在窗台下角形成上宽下窄的竖缝，有时还有沿窗台下角的水平缝；当外纵墙凹凸设计时，由于一侧的不均匀沉降，还可导致在此处产生水平推力而组成力偶，从而导致此交接处的竖缝。对于不均匀沉降导致的裂缝应以预防为主，即无地质勘察资料严禁做施工图设计，严格按图施工，不得擅自更改、任意处理，根据本地区通病，如能在那些开大窗洞的教学楼底层窗台下设置构造圈梁与地梁构成刚度较大的复合墙梁结构，对防止所述裂缝有明显效果。

3、特殊砌体材料产生的裂缝

如混凝土小型空心砌块、灰砂砖等的砌体，前者致裂的主要原因是竖缝砂浆难以饱满以及特殊的构造要求未能跟上。后者一般使用南方地区蒸压灰砂砖，由于其本身对温差敏感、表面光滑等特殊性，虽然外观、尺寸指标均较好，但在实际使用中对严格的灰砂砖砌体施工规程不熟悉，缺少使用经验，导致除存在粘土砖常见裂缝外，还常见在较长墙段中及外墙窗台下的竖斜裂缝。

其机理可以认为：

1、刚出厂的灰砂砖稳定性差。灰砂砖主要由细砂和石灰组成，蒸压养护后，一般不到一周即已出厂，但根据生产经验，灰砂砖在出厂的一月内其释放的热量较大，存在着反复的化学反应过程，而且实际上一时难以完全反应，因此，体积极不稳定。

2、对含水率有苛刻的要求，据有关试验资料和使用经验表明，含水率控制在7%～10%之间砌体可获得较好的粘结力和抗剪强度，否则影响明显。

第三篇：J507焊条焊接气孔形成及工艺措施2013

申请焊接技师论文

碱性焊条焊接气孔形成及预防措施

申请职称： 技 师 专 业： 焊 接 姓 名： 石 书 祥 指导老师： 谭 建

2013年 7 月 30 日

碱性焊条焊接气孔形成及预防措施

烟台工贸学校 石书祥

摘要：

气孔就是焊接时，熔池重的气泡在凝固时未能逸出，而留下来形成的空穴。J507碱性焊条焊接时多为氮气孔、氢气孔和CO2孔。平焊时要较其他位置气孔多；打底层要比填充、盖面多；长弧要比短弧多；断弧要比连弧多；引弧、收弧和接头处要比焊缝其他位置多。由于气孔的存在，不但会降低焊缝的致密性，削弱焊缝的有效截面积，还会降低焊缝的强度、塑性和韧性。文中以J507焊条焊前准备、熔滴过渡的特点、选择焊接电源、合适的焊接电流、合理的引弧和收弧、短弧操作直线运条等方面做以工艺措施控制，在焊接生产中得到了很好的质量保证。

关键词：气孔 熔滴过渡 工艺参数 短弧

碱性焊条焊接气孔形成及预防措施

在2010年山东省全国技校学生技能大赛选拔赛中，其中一项比赛项目是板横位J507碱性焊条打底，CO2气体保护焊填充盖面。该项比赛后对焊件拍片检验时发现：全省参赛选手的作品，只有聊城职教中心一家的焊件拍片合格，其他十几家学生焊件拍片都不过关。作为烟台市的代表队事后我们对造成焊件拍片不过关的原因做了多方面的研究分析，翻阅了大量的资料，请教了工厂中技术经验丰富的老师傅，请教了市职教室的老师，特别是暑假学习期间有幸听了谭建老师的讲课，并仔细向谭老师请教了这方面的问题，得到谭老师悉心指导，最后对碱性焊条焊接过程中气孔的形成机理和预防措施有了更加深入的认识，总结出来以便大家共同探讨使我们能把碱性焊条焊接教学工作做得更好。有不足之处敬请各位前辈。同行批评指正。

1、气孔形成的原因

气孔产生的原因是焊接过程中产生的气体及熔池周围的气体被液态金属吸收后在凝固过程中因溶解度急剧下降，这些气体以气泡形式逐渐自焊缝中逸出，来不及逸出的气体残留在焊缝内就形成气孔。形成气孔的气体主要有氢气和一氧化碳。从气孔的分布状态看有单个气孔、连续气孔、密封气孔；从气孔的部 2 位不同可分为外部气孔和内部气孔；从形状看有针孔、圆气孔、条状气孔（气孔呈条虫形，是圆气孔的连续）、链状和蜂窝状气孔等。

J507碱性焊条的熔滴过渡状态为粗熔滴短路状态，加之焊条本身制造中出现了偏心，焊药药皮脱落等原因以及对焊条烘干状态要求比较高，因而往往在操作中熔池保护不良形成了气孔缺陷，这种气孔缺陷往往存在于搭建焊或第一层焊缝中。不但对焊接质量造成影响，而且也给返修工作带来了困难。

2、控制气孔产生的具体措施

2.1清理焊接部位

碱性焊条的特点是对铁锈、油污及水分的敏感性大，焊接时如不清理彻底极易产生气孔，因此，焊接部位要求在焊接前必须对坡口及焊缝两侧20mm的范围内，包括内部两侧进行仔细的清理，将铁锈、油污、水分等赃物清理干净，必要时打磨，直至露出金属光泽。多层多道焊时，将每道的熔渣、飞溅物仔细清理，焊缝的表面尽可能的平滑，咬边、焊瘤、焊趾过度过大的部位要用细砂轮仔细打磨，直至表面光滑平整，方可进行下一道焊接。2.2 选择合理的坡口形式

在焊接前，应根据不同的技术要求选择合理的坡口形式，当板厚在20mm以上时对接坡口应选用U型或双边U型坡口，而不应选用V型或X型坡口因为V型或X坡口根部夹角较小，焊条顶端不容易接近坡口根部，常在打底焊时造成偏吹，其后果不是产生夹渣，未焊透，就是出现气孔。而U型坡口具有焊条顶端与坡口接触面积较大，便于施焊，能有效地保证打底焊的焊接质量，所以必须选择合理的坡口形式。另外在打底焊操作过程中，一定要形成圆润平滑的底部成型，不要在焊道两边形成夹角，否则清渣不干净，留下的残渣在填充层焊接时汽化后，不能全部逸出，很容易形成气孔。2.3选择焊接电源，确保电弧稳定

J507焊条为高碱度的低氢型焊条，该焊条在直流焊机反极性时方可正常使用。因此无论采用何种类型的直流焊机，其溶滴过渡均由阳极区向阴极区过渡。在一般手工电弧焊时，阴极区温度略低于阳极区温度。因此，无论何种过渡形式溶滴到阴极区后温度均会降低，造成了该种焊条各溶滴的聚合过度到溶池中去，即形成了粗溶滴过渡形式。但由于手工电弧焊是人为的因素：如焊工熟练程度、电流电压大小等不同，其溶滴的大小也是不均匀的，形成了气孔等缺陷。同时，碱性焊条药皮中又含有大量的萤石，在电弧作用之下分解出电离电位较高的氟离子，使得电弧的稳定性变差，进而又造成了电焊时溶滴过渡的不稳定因素。因此要解决J507焊条手工电弧焊的气孔问题，必须从工艺措施上入手，以确保电弧溶滴过渡的稳定。

我们通常采用直流焊接电源分为两种类型：旋转式直流弧焊机和硅整流式直流焊机。虽然它们的外特性曲线均属下降特性，但是因旋转式直流弧焊机是通过选装换向极达到整流目的地，因而其输出的电流波形呈规则形状的摆动，这势必在宏观上为一额定电流，在微观上输出电流为小幅度变化，尤其在熔滴过渡时造成摆动幅度增加。对于硅整流直流焊机是靠硅元件整流后进行滤波处理，虽然输出电流有波峰和波谷，但总体上是平滑的，或称在某一过程中是极少量有摆动的，它因此可以认为是连续的。因此其受溶滴过渡的影响较小，在溶滴过渡时引起的电流波动不大。在焊接工作中以两种类型焊机焊接得出结论，硅整流焊机比旋转式直流弧焊机出现的气孔的几率均有所降低。经分析实验结果，认为采用J507焊条施焊时要选择硅整焊机流焊接电源，这样可以确保电弧稳定避免气孔缺陷的产生。2.4、选择合适的焊接电流

由于采用J507焊条焊接，焊条除药皮以外在焊芯中也含有大量的合金元素，以增强焊缝接头强度，消除产生气孔缺陷的可能性。而由于采用较大的焊接电流，溶池变深，冶金反应激烈，同时造成合金元素烧损严重。；因为电流过大，明显的使焊芯电阻热猛增，焊条发红，造成焊条药皮中的有机物过早分解而形成气孔；而电流过小。熔池的结晶速度过快，熔池中气体来不及逸出而产生气孔。加之采用直流反极性，阴极区温度偏低，即使在激烈反应下生成的氢原子溶解于溶池之中也无法很快地被合金元素置换出来，即使氢气迅速浮出焊缝之外，而溶池过热后又迅速冷却，使得残余的氢形成分子凝固在溶池焊缝之中形成了气孔缺陷，因此考虑合适的焊接电流是相当必要的。低氢型焊条比同规格的酸性焊条一般略小10~20%左右的电流。在生产实践中，对低氢型焊条可用该焊条直径的平方乘以十作为参考电流。3.2mm焊条可定为90~100A、4.0mm焊条可定为160~170A作为参考电流，通过实验作为选定工艺参数的依据。这样可以 4 减少合金元素的烧损，避免气孔出现的可能。2.5 合理的引弧和收弧

J507焊条焊接接头产生气孔的几率比其他部位要大，这是因为接头处往往在焊接时比其他他部位的温度略低。因为更换新焊条使原收弧处已经有一段时间的散热，在新的焊条端部也有可能有局部锈蚀，使得在接头处产生密集气孔，要解决由此造成的气孔缺陷，除在刚开始操作时在起弧端部在引弧板上轻擦引弧，以清除端部的锈迹。在中间各接头部位，必须采用超前引弧的方法，就是在焊缝前10~20mm处引弧稳定后，再拉回到接头收弧处，以便对原收弧出进行局部加热，待形成溶池以后再低压电弧，略上下摆动1~2次即正常运条焊接。收弧时应尽量保持短弧，以保护溶池填满弧坑，用点弧或来回摆动2~3次填满弧坑达到消除收弧处产生气孔的目的。2.6短弧操作直线运条

一般J507焊条都强调采用短弧操作。短弧操作的目的在于保护溶池，使高温沸腾状态下的溶池不受外界空气的侵入而产生气孔。但短弧应保持时何种状态，我们认为要按不同规格的焊条而异。通常短弧是指弧长控制于焊条直径2/3的距离。因为过小的距离，不但溶池看不清、不易操作且会因短路造成断弧。过高及过低都达不到保护溶池的目的。在运条时应采用直线运条为宜，回往复摆动过大会造成溶池保护不当。对于厚度较大的（指≥16mm）可采用U型或双U型坡口来解决，在盖焊面时也可以多道焊尽量减少摆动幅度。在焊接生产中采用了以上方法，不但保证了内在质量而且焊道平滑整齐。

在操作J507焊条施焊时，除以上一些工艺措施防止可能产生气孔以外，对一些常规要求的工艺处理不能忽视。例如：焊条烘干除水份油污，焊条的保温存放，适当的接地位置以防止偏弧造成气孔等。只有结合产品的特点从工艺措施上进行控制，必定能有效地减少及避免气孔缺陷。

注释：

参考文献：

（1）、《焊工》——冯金水、、北京、煤炭工业出版社、2005年、第1版

（2）、《焊工实用手册》——陈杏醉、施岳良、、浙江、浙江科学技术出版社、1996年、第 5 一版

（3）、《焊工工艺与技能训练》——张梦欣中国劳动社会保障出版社、2007年、第一版

第四篇：在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施

陈冰川，陈伟民，朱伟青

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

摘要：对某在役奥氏体不锈钢压力容器进行现场金相检测时发现其下封头的纵向焊缝处存在微裂纹。分析了裂纹的形成原因，结果表明该裂纹是由焊接引起的横向沿晶液化裂纹和由压制成型引起的纵向裂纹共同构成的混合型裂纹。针对如何预防此类裂纹，提出了相应的工艺改进措施。

关键词：奥氏体不锈钢； 压力容器； 焊缝； 裂纹； 应力分析 中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：

The Cause Analysis and Prevention Measures of Welding Cracks on the In-service Pressure Vessel

CHEN Bing-chuan，CHEN Wei-min，ZHU Wei-qing(State Nuclear Power Plant Service Co.Ltd., Shanghai 200233, China)Abstract: In the local metallographic examination process for an austenitic stainless steel in-service pressure vessel, the microscopic cracks had been found in the longitudinal weld of its lower head.Formation mechanism of cracks is analyzed, the result show that those cracks are composed of transverse liquefaction cracks cause by welding and vertical cracks caused by the suppression molding in manufacture.Some measures have proposed to the prevention of this kind of cracks.Keywords: austenitic stainless steel;pressure vessel;weld;cracks;stress analysis

在压力容器、锅炉和管道等设备部件制造中，常常需要依靠焊接工艺实现两部分母材间的结合。由于在焊接过程中母材被瞬间加热熔化形成熔池，随后熔池液态金属快速冷却结晶而形成焊缝。在熔池金属结晶过程中，焊接接头的显微组织会发生变化，产生焊接应力和变形，同时可能产生各种焊接缺陷，从而影响焊接件的力学性能。因此焊接是一种比较容易出现缺陷的热加工工艺。

金山某化工厂的在役压力容器R2204A聚合反应器标称为II类容器，材质为316L超低碳奥氏体不锈钢，容器规格Φ5060×22 mm，运行介质为有机催化剂，设计温度200℃，业主方未提供其他有关的运行参数。该压力容器主要由筒体和上下封头组成，筒体为钢板卷曲为圆筒状后焊接而成，上下封头则为多块钢板拼焊后冷压制成椭圆形，最后筒体与上下封头通过环形焊缝焊接而成，具体的焊接工艺不详。在2009年12月国核电站运行服务技术有限公司按照《在用压力容器检验规程》的有关规定及业主方的委托，对其内部进行了定期无损检测和金相检验，检测部位见图1，包括椭圆形下封头拼接钢板的两条纵向焊缝和一条筒体与封头连接的丁字焊缝，图中所示的1#、2#和3#依次为这三条焊缝上的现场金相检验的取样部位。

图1 压力容器的检测部位示意图

Figure 1 Schematic diagram of pressure vessel inspection part 在对这三条焊缝进行渗透检测时，表面均未出现记录性缺陷显示。渗透检测对表面缺陷的检出灵敏度一般为1mm宽，低于这一尺寸的缺陷一般难以通过渗透检验检出。在渗透检验的焊缝中黑色区域为现场金相检验的取样部位，如图2所示。

a． 纵向焊缝的渗透检测及金相检验的1#取样部位

a.Penetration test and metallographic examination of No.1 sampling part on longitudinal weld

b． 丁字焊缝的渗透检测及金相检验的3#取样部位

b.Penetration test and metallographic examination of No.3 sampling part on T-weld 图2 焊缝的渗透检测及金相检验取样部位

Figure 2 Penetration test and metallographic examination sampling part on weld 现场金相检验结果发现封头上的两条纵缝（1#、2#取样部位）的熔合线靠近母材侧存在微裂纹，裂纹形貌如图3所示。

a.100倍 a.100X

b.400倍 b．400X

图3 纵向焊缝处的裂纹形貌

Figure 3 The cracks morphology of the longitudinal weld

检测结果交给业主方后，按照《在用压力容器检验规程》的安全状况等级评定有关内容，将该压力容器的安全状况等级降为4级。由于无法对在役压力容器进行破坏性试验，《在用压力容器检验规程》中所要求的检测方法主要包括无损检测、硬度测定、金相检验、应力测定和耐压试验等，而作为一种重要的分析手段，现场金相检验对压力容器的完整性影响极小，可以在不破坏其使用的情况下研究材料的微观组织变化，分析和推测这台压力容器产生微裂纹的产生原因，故对其的微裂纹成因分析主要借助于金相分析。裂纹的成因分析 1.1 横向裂纹的成因

1.1.1 各区域金相组织的差异

焊接接头包括焊缝、熔合区和母材热影响区三个区域，各区域的组织和力学性能差异较大。从图3可以看出，该焊接接头的焊缝组织为奥氏体柱状晶；在100倍的金相照片上可观察到，其熔合线上方有较宽的黑色条状区域，说明熔合区存在较严重的偏析和杂质聚集，这种化学成分的不均匀性会导致力学性能严重下降，其组织为奥氏体柱状晶+枝晶；熔合线下方为母材热影响区中的过热区，组织为较粗大的奥氏体孪晶。焊接接头上的微裂纹多位于熔合区附近，向母材热影响区沿晶扩展，一定数量的垂直于焊缝的横向裂纹与少量平行焊缝但尚未贯穿的纵向裂纹构成一条混合型裂纹带。

1.1.2 液化裂纹的形成机理

在母材与焊缝交界处，即熔合区或多层焊缝层间的金属由于在焊接过程中快速加热和快速冷却，且往往在晶间还存在低熔点合金和夹杂物，容易发生局部熔化而形成沿晶扩展的裂纹，这种裂纹称为液化裂纹 [1]。

图4 液化裂纹示意图

Figure 4 Schematic diagram of liquid cracks

从纵向焊缝的金相照片中观察到，该焊接接头的熔合区过宽、低熔点共晶体偏析严重说明化学成分控制不佳，这些都对液化裂纹的形成产生了重要影响。结合微裂纹的形貌特征，认为其中的横向裂纹主要是焊接热裂纹中的液化裂纹，呈沿晶开裂方式产生在熔合区附近，向母材热影响区中的过热区发展，如图4所示。

1.2 纵向裂纹的成因

纵向裂纹源于应力集中引起的开裂，该压力容器的封头采用拼板焊接后再压制成型工艺，在焊接完成后，内部容易产生焊接残余应力和焊接变形。当焊接后再进行封头压制成型时，焊接残余应力与冷压成型应力相叠加，造成焊缝局部区域应力过高，使焊缝产生新的塑性变形，故诱发了纵向裂纹。关于焊接残余应力和冷压成型应力的具体分析如下：

1.2.1 焊接残余应力

由于焊接过程是局部加热，焊接件各部分不能同步加热和冷却，也不能自由膨胀和收缩。在加热时，焊缝金属及其附近区域的母材受周围冷金属的拘束，不能自由膨胀而受到塑性压缩；在冷却后不能自由收缩而受拉应力，同时还可能发生焊接变形[2]。这种冷却后的拉应力如果不经过恰当的去应力处理便会成为焊接残余应力，影响焊接构件的承载能力。

但对于奥氏体不锈钢，一般不宜进行去应力处理。因为奥氏体不锈钢如果在500~850℃左右温度下热处理时易发生敏化，析出Cr23C6型碳化物[3]，导致不锈钢的冲击韧性以及耐腐蚀性能大大下降，甚至诱发再热裂纹。显然，焊接后未进行去应力处理的奥氏体不锈钢便会有少量残余应力存在[4]，为垂直于焊缝方向的拉应力。

1.2.2 冷压成型应力

该封头的制造工艺主要为三块奥氏体不锈钢拼板纵向焊接而成，之后在压制力F的作用下，封头拼板受压变形，最终达到所要求的形状。压制过程采用冷压成型工艺，工艺简图见图5。

压制力拼板焊缝

图5 封头压制成型工艺示意图

Figure 5 Schematic diagram of pressure molding process for lower head

在压制过程中，在两条纵向焊缝区域内，外加压制应力会引起内应力，其方向为垂直于焊缝的拉应力，如图6所示。这种拉应力与焊接残余应力相叠加，在力学性能最差的焊缝熔合区附近造成应力集中，导致焊缝熔合区内塑性较差的区域出现大量微裂纹。

a.拼板纵向焊缝剖面示意图

a.Schematic diagram of the section of longitudinal weld in splice plate

b.熔合区任一点应力分析

b.Stress analysis of random point in the fusion zone

图6 焊缝区域应力分析 Figure 6 Stress analysis of weld

按照断裂力学理论[5]，断裂强度因子KI于含穿透裂纹的无限板，YYa，式中：Y表示裂纹形状系数，对

；表示裂纹扩展时受到的外加应力值；a表示裂纹长度。在已形成的微裂纹处，应力集中程度最高，一旦超过了微裂纹能够承受的应力值后就会使裂纹不断向前扩展，最终扩展为大致与焊缝平行的纵向裂纹。裂纹的预防措施

根据此种裂纹的成因分析结果，我们建议业主加强对该台容器的检测频率，重点跟踪微裂纹的扩展情况。同时，还为今后压力容器封头避免出现此类裂纹，提出了以下预防措施：

2.1 严格控制化学成分

严格限制奥氏体不锈钢焊接材料和母材中的硫、磷等低熔点杂质元素的含量；改进冶金技术，有效降低含碳量；适当添加钒、钛、铌等微量元素。

2.2 控制焊接接头质量

业主方虽未能提供实际所采用的焊接工艺，但从焊缝金相照片上的熔合线过宽可推断出焊接工艺存在问题，故建议在焊接方面应当控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数，一般不采用大热输入量进行焊接。焊条电弧焊时，宜采用小焊接电流，快速多道焊，对于工艺要求高的焊缝，甚至可以采用浇冷水等措施以加速冷却，防止焊缝晶粒严重长大和焊接热裂纹的形成。采用合理的焊接顺序来减小焊接应力，并控制焊接质量。在焊接后或封头压制完成后可进行低温去应力处理，温度范围控制在300~350℃，不宜超过450℃，以免析出高铬碳化物造成晶界贫铬，引起晶间腐蚀。同时在焊接过程中，应采用气体保护焊，避免其他杂质进入熔池。

2.3 优化封头制造工艺

随着原材料加工工艺的进步以及宽大的钢板制造能力的提高，以上的拼板焊接压制的封头制造工艺已经逐渐淘汰，而采用更先进的独幅板材压制成型技术来制造大型压力容器的封头。这种更先进的封头制造工艺以及合理的结构设计可以有效地避免焊接和冷压成型过程的应力集中问题。结论

综上所述，该容器的封头拼板焊缝由于焊缝熔合区的化学成分控制不佳，存在严重偏析和夹杂物，使力学性能下降，从而增加了横向的液化裂纹倾向；同时受到冷压成型应力和焊接残余应力的联合作用，在熔合区应力集中引发了纵向裂纹，一定数量的横向裂纹与少量尚未贯穿的纵向裂纹构成了一条混合型裂纹带。

参考文献 [1]王荣.焊接件的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典: 第26卷,材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;740~747.[2]王志海主编.热加工工艺基础[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1996;174~179.[3]杨力.不锈钢、耐热钢及高温合金的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典:第26卷, 材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;719~722.[4]戈兆文主编.承压设备焊接工程师[M].昆明:云南科技出版社, 2004;105.[5]褚武扬编著.断裂力学基础[M].北京:科学出版社, 1978;11.

第五篇：CO2焊接时气孔的产生原因及分类

CO2电弧焊时，由于熔池表面没有熔渣盖覆，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固比较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。

可能产生的气孔主要有3种：一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。一、一氧化碳气孔产生CO气孔的原因，主要是熔池中的FeO和C发生如下的还原反应： FeO+C==Fe+CO，该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成CO气孔。

如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的还原反应，有效地防止CO气孔的产生。所以CO2电弧焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。

二、氢气孔

如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。

电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物，铁锈中含有结晶水，它们在电弧高温下都能分解出氢气。减少熔池中氢的溶解量，不仅可防止氢气孔，而且可提高焊缝金属的塑性。所以，一方面焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。

另外，氢是以离子形态溶解于熔池的。直流反极性时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子的数量。所以直流反极性时，焊缝中含氢量为正极性时的1/3～1/5，产生氢气孔的倾向也比正极性时小。

三、氮气孔

氮气的来源：一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。试验表明：在短路过渡时CO2气体中加入φ（N2）=3%的氮气，射流过渡时CO2气体中加入φ（N2）=4%的氮气，仍不会产生氮气孔。而正常气体中含氮气很少，φ（N2）≤1%。由上述可推断，由于CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大，焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。

造成保护气层失效的因素有：过小的CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。

因此，适当增加CO2保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。

另外，工艺因素对气孔的产生也有影响。电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，就越可能产生气孔。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。焊接速度慢，熔池结晶也慢，气体容易逸出；焊接速度快，熔池结晶快，则气体不易排出，易产生气孔。

CO2气体保护焊中产生气孔的原因及对策

发布日期：2012-12-06 来源：《现代焊接》 作者：邓才智 浏览次数：2247 摘要：气孔是焊接过程中常见的缺陷，将严重影响焊缝的力学性能。本文分析了CO2气保焊气孔产生的种类、危害性及影响因素，探讨了预防气孔产生的工艺措施。实践证明，采用合理的焊接工艺将有效控制气孔缺陷，获得满意的焊缝质量。

摘要：气孔是焊接过程中常见的缺陷，将严重影响焊缝的力学性能。本文分析了CO2气保焊气孔产生的种类、危害性及影响因素，探讨了预防气孔产生的工艺措施。实践证明，采用合理的焊接工艺将有效控制气孔缺陷，获得满意的焊缝质量。关键词：CO2气体保护焊；气孔；预防 前言

CO2气体保护焊是指利用CO2作为保护气体，以焊丝和焊件之间产生的电弧来熔化被焊金属的熔化极半自动电弧焊，与手工电弧焊相比，CO2气体保护焊具有生产效率高、焊接变形小、操作简单，适用于各种位置焊接等优点，是工程机械制造车间采用的主要焊接方法，但是在实际生产过程中，如果焊接工艺选择不当，再加上焊工操作技能水平所限，导致在焊缝中容易出现气孔，影响焊缝的质量，对产品质量留下安全隐患。因此，在结构件焊接过程中，如何避免焊缝中气孔的产生，是提升焊缝质量的重点之一。1 气孔的种类及危害 1.1气孔的特点

气孔是指焊接时，熔池中的气体在凝固前未能完全逸出而残留下来形成的空穴。常见的有氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔等。车间结构件施焊后焊缝中出现的气孔如图1所示。

图1 焊缝中出现气孔

1.1.1氢气孔

氢可以溶解于液态金属，高温下焊接熔池中存在大量被溶解的氢，在金属结晶的过程中，氢气溶解度随温度降低而急剧减小，这些气体来不及从熔池中逸出，就会在焊缝中形成气孔。氢主要来自焊丝和工件表面的油污、铁锈以及CO2气体中所含的水分。氢气孔大多出现在焊缝表面，呈喇叭口形，如图2所示。

[1]

图2 氢气孔特征

1.1.2 氮气孔

氮气能溶于液态金属，在熔池冷却结晶过程中来不及逸出会形成氮气孔。氮气孔主要是因为CO2气体气流保护效果不好或者CO2气体纯度不高造成。氮气孔多在焊缝表面，有时成堆出现，与蜂窝相似。1.1.3一氧化碳气孔

当焊缝反应中脱氧元素（Si、Mn）不足时，导致大量的FeO不能被还原，因而进入熔池中发生反应产生CO气孔，方程式如下，CO气孔在焊缝内沿结晶方向分布，如条虫状，如图3所示。

FeO+C=Fe+CO↑

图3 氮气和一氧化碳混合气体特征

1.2气孔的危害

1.2.1削弱焊缝的有效工作截面，降低焊缝接头的抗变形、抗断裂能力；

1.2.2焊接过程中本身存在热量和成分分布的不均匀，导致焊接过程中不可避免存在内应力。在外部应力尤其是动载荷作用下，不规则分布的气孔会引发应力集中，从而降低焊缝的疲劳强度，使气孔与焊缝裂纹连通造成穿透性破坏，增加焊缝脆性断裂的几率。2 产生气孔的原因 2.1 电流和电压的影响

焊接电压主要决定于送丝速度，焊接电流的大小还与电流极性、焊丝的干伸长、焊丝直径等因素相关。电弧电压（主要取决于电弧长度）则与焊接电流，即合适的熔滴过渡型式有关。熔滴过渡的稳定性决定了焊接过程中的平稳和飞溅的大小。对于细丝CO2焊接，电弧电压和焊接电流的匹配关系如图4所示。[2]

图4 电弧电压与电流对应关系 2.2 焊接速度的影响

焊接速度过大时，会引起焊缝两边咬边，而速度过小时会导致烧穿等缺陷。在不影响焊缝成形的前提下，适当选取慢速将使焊接热输入值提高，有利于减小气孔的产生。2.3 气体流量的影响

流量过大，容易产生紊流，恶化气体保护效果；流量过小，CO2气体未能充分保护熔池，使焊缝中产生气孔的倾向加大，尤其是N2孔。一般说来，200A以下的薄板，CO2气体流量为10～15L/min；200A以上的薄板，CO2气体流量为15～25L/min。2.4 外界气流的影响

CO2气保焊时，由于气体保护层是柔性的，容易受外界气流的影响而产生气孔。因此，当焊接场地风速超过2m/s时，应设置必要的防风措施，严禁出现穿堂风。2.5 焊丝干伸长的影响

干伸长太大，电弧不稳，难以操作，同时飞溅也较大，可能破坏保护气而产生气孔。但干伸长过小时，电流增加，弧长变短，飞溅物会大量粘在喷嘴内壁，影响CO2气体的保护效果，导致气孔的产生。因此，焊丝伸出长度以10～12倍焊丝直径为宜，一般在10～20mm范围内。2.6 焊丝种类的影响

影响焊缝产生气孔的因素有两个方面，一方面是焊丝本身所含的化学成分的影响，焊丝含碳量较高，在焊接过程中会因剧烈的氧化还原作用而产生较大的飞溅，并产生气孔。因此，一般要求焊丝含碳量不超过0.11%；另一方面，焊丝成分应符合相关标准并含足够的脱氧元素Si和Mn，因Si和Mn元素与O2的结合能力比Fe大，可以有效抑制CO2对Fe的氧化作用，防止CO气孔的产生，目前国内的CO2焊丝大都采用镀铜作为保护层，并以化学镀为主，化学镀层结合强度低，镀铜层不均匀，易掉铜屑，并且镀铜容易生锈，所以，在使用前应检查焊丝的表面质量，以减少产生气孔的来源。2.7 其他影响

CO2气体纯度小于99%，飞溅物将喷嘴堵塞，母材和坡口附近打磨不干净，电弧过长或偏吹等。3预防和减少气孔产生的对策

3.1根据材料特点、板厚及坡口型式选择合适的焊接工艺参数，保持焊接过程的稳定性，减少气孔的产生。

3.2选用与母材合适的焊丝、焊剂及保护气体，焊前清理坡口及两侧20～30mm范围内的油污、铁锈及氧化物等杂物，保证气路及送丝结构畅通。

[3]3.3根据实际情况，焊前对工件进行预热，选用合适的焊接速度，在焊接终了和焊接中途停顿时，应慢慢撤离焊接熔池，使熔池缓慢冷却，从而使气体充分从熔池中逸出，减少气孔的产生。3.4尽量采用短弧焊接规范，填加焊丝要均匀，操作时应适当摆动，同时防止有害气体入侵。4结束语

综上所述，CO2气保焊中产生气孔的原因是多方面的。为了减少焊接过程中气孔的产生，除了严格遵照焊接工艺规程，提高操作技能水平等之外，在施焊现场还应该多注意观察和思考，积极分析气孔产生的原因，采取有效的工艺措施，才能获得满意的焊接接头，达到控制焊接质量的目的。

构成气孔的气体，一是来自于周围介质，二是化学冶金反应的产物。按不同的来源，气体可以分为两类：一类是高温时能大量溶于液体金属，而在凝固过程中溶解度突然下降的气体，如H2、N2；另一类是在熔池进行化学冶金反应中形成而又不溶解于液体金属中的气体，如CO、H2O。焊接低碳钢和低合金钢时，形成气孔的气体主要是H2和CO，即通常所说的氢气孔和一氧化碳气孔。氢气孔的主要来源是焊条药皮和焊剂中的有机物、结晶水或吸附水、焊丝与母材表面的油污、铁锈以及空气中的水分等，在高温下分解产生H2,氢分子进一步分解为氢原子和离子。氢在液态金属中的溶解度很高，在高温时熔池和熔滴就有可能吸收大量的氢。而当温度下降时，溶解度随之下降，即熔池开始凝固后，氢的溶解度要发生突变。随着固相增多，液相中氢的浓度必然增大，并聚集在结晶前沿的液体中，使其浓度升高处于过饱和状态，形成气泡。气泡长大到一定程度上浮，当气泡上浮速度小于结晶速度时就形成氢气孔。

CO主要是FeO、O2或其它氧化物与C作用的产物。即 [C]+[O]=CO(1)[FeO]+[C]=CO+[Fe](2)[MnO]+[C]=CO+[Mn](3)[SiO2]+2[C]=2CO+[SiO](4)碳对氧的亲和力随温度升高而增大，高温下碳比铁、锰、硅等元素对氧的亲和力都大些。因此，上述反应主要发生在熔滴区和熔池头部。CO不溶于液态铁中，在高温形成后很容易形成气泡并迅速排出，不仅不会形成气孔，而且气泡析出时使熔池沸腾，有助于其它气体和杂质排出。生成气孔的CO是在冶金反应后期形成的。熔池开始凝固后，液体金属中的C和FeO的浓度随固相增多而加大，造成二者在液体金属某一局部富集，浓度增加促使了式（2）的反应进行，而生成一定数量的CO。这时形成的CO由于温度 下降、液体金属粘度增加及冷却快等原因，难于从熔池中逸出，而被围困于树枝晶粒间。此外，式（2）的反应是吸热过程，促使冷速加大，对气体析出更有利。

4影响气孔生成的因素

在生产中一般将影响气孔形成的因素归纳为冶金与工艺两方面，而工艺因素往往是通过冶金反应来起作用，所以解决气孔的问题，冶金因素的作用更为重要。4.1 熔渣的氧化性

焊接时，熔渣的氧化性强弱对产生气孔的倾向有明显的影响。无论是酸性氧化物还是碱性氧化物，只有当氧化性（或还原性）在一定范围之内时焊缝才不会产生气孔。当氧化性过强会出现CO气孔，还原性过强则出现氢气孔。酸、碱性熔渣对气孔的敏感性不同，碱性焊条对CO气孔和氢气孔都更为敏感。4.2 焊条药皮与焊剂组成物的影响

碱性焊条药皮中加入一定的CaF2，在焊接时可与氢、水蒸气反应产生稳定的气体化合物HF，减少氢气的来源，有效防止了氢气孔；高硅高锰焊剂（HJ431）中加入一定的CaF2，焊接时CaF2与SiO2作用后，生成SiF4亦可起到脱氢作用。含有CaF2的焊条药皮或焊剂中，为稳定电弧而需加入K、Na等低电离电位物质，使对铁锈敏感性增加，导致气孔倾向加大。4.3 铁锈及水分等的作用

母材表面的氧化皮、铁锈、水分、油渍以及焊接材料中的水分也是导致气孔产生的重要原因。其中以母材表面的铁锈的影响最大。即 3Fe2O3=2Fe3O4+O(5)2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2(6)Fe+H2O=FeO+H2(7)Fe3O4+Fe=4FeO(8)Fe2O3+Fe=3FeO(9)结晶水分解后产生H2、H、O及OH等.上述反应的结果,在增强了氧化作用的同时又提高了氢的分压, 因而使CO气孔与氢气孔的倾向都有可能增大.焊接材料中残存的水分和金属表面的油渍在高温时分解也要增加气孔倾向。