焊縫和母材的不連續第1頁/共36頁背景介紹

焊接中我們所擔心的不連續是裂紋，氣孔，咬邊和未熔合等。了解這些不連續對檢驗人員來說是非常重要的，在描述這些不連續前，很有必要知道不連續和缺陷之間的差異。不連續的特點就是引入了不規則從而成為一個不連續結構的概念，而缺陷是特殊的不連續，它能損害構件的使用。也就是說，缺陷也是一種不連續，按相應的規范，這種不連續大量產生時會損害構件的使用。為了衡量一個特定的不連續是否是一個真正的缺陷，必須有一些標準來規定這些不連續的合格限值。當不連續的尺寸或密集度超過了這些限值，那么它就是缺陷。所以我們可以認為缺陷就是一個“不合格的不連續”。因此，我們說它是一個缺陷就意味著它是不合格的，應作進一步的處理，使得它符合相關規范規定的要求。根據構件的不同用途，不連續可能是缺陷，也可能不是缺陷。因此，每個行業有不同的標準或規范來規定不連續的合格限值。第2頁/共36頁日常檢驗中常見的焊縫和母材的不連續裂紋未熔合

未焊透夾雜

夾鎢

氣孔

咬邊

未焊滿

焊瘤

焊縫凸起

焊縫加強高

引弧燒傷

飛濺

夾層

層狀撕裂第3頁/共36頁裂紋首先討論的是裂紋，也是最危險的不連續。之所以危害性最大是因為裂紋是線性不連續，而且它的端部非常尖銳。正是因為裂紋的端部非常尖銳，所以它在有應力的情況下易于擴展和延伸。當載荷或應力超過構件的抗拉強度時會產生裂紋。焊接時或是有載荷時可產生應力。載荷沒有超過構件的最大承載能力時，已存在的缺口或應力集中處可產生局部應力集中而超過了構件的抗拉強度，這時，裂紋就在應力集中處產生了。因此，裂紋通常跟表面和內部的不連續有關，因為這些不連續會產生應力集中，而這些不連續是跟焊接有關的。裂紋分類:一,其中一種方法就是把裂紋分成熱裂紋和冷裂紋。1，所謂的冷裂紋和熱裂紋是指產生裂紋時的金屬溫度。2，熱裂紋是在金屬凝固時的高溫下產生的，這種裂紋是在晶間擴展的，也就是說，這種裂紋是在晶粒間形成的。觀察一個熱裂紋的斷裂面，我們會看到各種回火的顏色說明熱裂紋是在高溫下產生的。3，冷裂紋是在金屬冷卻到室溫后產生的。那些在在役條件下形成的裂紋也是冷裂紋。延遲裂紋、焊道下裂紋、氫致裂紋都是冷裂紋。冷裂紋可在晶粒間或晶粒內擴展。第4頁/共36頁二，裂紋還可以按它與焊縫縱軸的方向來分類。與焊縫縱軸平行的裂紋為縱向裂紋。同樣的，與焊縫縱軸垂直的裂紋為橫向裂紋。這些裂紋多形成于焊縫或母材。1，縱向裂紋是由于焊接的橫向收縮應力或是在役應力形成的。9.1是在坡口焊中部的縱向裂紋。2，

橫向裂紋通常是由于焊縫的縱向收縮應力或是母材韌性差而造成的。圖9.2是焊時形成的兩條橫向裂紋，已經延伸到了母材內。圖9.3是角焊縫中焊喉的裂紋。第5頁/共36頁第6頁/共36頁三，按照它們在焊縫中的不同位置分類。包括：焊喉、焊趾、弧坑、熱影響區和母材的裂紋。1，所謂焊喉裂紋是因為裂紋是沿著焊喉延伸，或者是沿著焊縫截面的最小通經延伸。它們通常是縱向裂紋也是熱裂紋。在焊縫表面看得到。在垂直于焊縫軸線上拘束度大的接頭，尤其當焊縫截面小的時候容易形成焊喉裂紋。因此，根部焊道單薄或是內凹的角焊縫可能會產生焊喉裂紋，因為它們減小了截面積從而使接頭承受不了橫向的焊縫收縮應力。第7頁/共36頁2，焊趾裂紋是指焊趾處開裂而擴展到母材。焊縫的幾何形狀，如焊縫加強高或內凹可能會在焊趾處形成應力集中。再加上熱影響區的金相組織韌性較差，從而更易產生焊趾裂紋。焊趾裂紋通常是冷裂紋。焊趾開裂是由焊接橫向收縮應力或在役應力造成的，或是兩者兼而有之。焊接件在役時的疲勞載荷往往是產生焊趾裂紋的主要原因。圖9.5是典型的焊趾裂紋第8頁/共36頁3，弧坑裂紋弧坑裂紋發生在單個焊道的終點處。如果焊工在收弧的時候沒有完全填滿熔池，將在收弧處形成淺灘或是弧坑。這樣的薄弱區域，再加上焊接收縮應力，將形成弧坑裂紋或是網絡狀的裂紋，這些裂紋都是以弧坑為中心向外散發。當弧坑裂紋是以徑向分布時，通常也稱為弧坑星狀裂紋。由于弧坑裂紋是在焊接熔池凝固時產生的，所以它也是一種熱裂紋。圖9.6是發生在鋁GTAW焊道上的弧坑裂紋?；】恿鸭y的危害性很大，因為裂紋很容易擴展。如圖9.7所示。盡管弧坑裂紋主要是由于焊工收弧時操作不當有關，也與填充金屬有關，因為如果填充金屬流動性好，那么焊縫凝固時會形成一個表面凹的焊縫。比如牌號后兩位是-16的不銹鋼藥皮焊條（如E308-16，E309-16，E316-16等）。牌號后兩位為-16的是二氧化鈦型的藥皮，這種類型的藥皮焊條會形成平的或微微凹的焊縫。因此，當焊工使用這些焊條時必須非常小心地添滿弧坑以防止產生弧坑裂紋。第9頁/共36頁第10頁/共36頁4，熱影響區裂紋盡管是與焊接操作有關，但是裂紋是位于熱影響區而不是焊縫金屬?？拷鼰嵊绊憛^的熔合線。從截面上看，裂紋通常與焊道熔合線平行。圖9.8是典型的焊道熔合線裂紋的外型。它們在內部所以很難發現。但是，它們也可能會擴展到表面，這樣外觀檢驗時也能發現。第11頁/共36頁熔合線裂紋是一種非常有害的裂紋，因為它可能會在焊接很多小時以后才開始擴展。所以焊道熔合線裂紋也稱為延遲裂紋。因此，對于有焊道熔合線裂紋傾向的材料，應在焊后冷卻至室溫后48至72小時以后再進行最終檢驗。高強鋼易于產生這種裂紋。熔合線裂紋是因為焊接區有氫的存在。氫可能來自于填充金屬、母材、大氣或是焊接件表面的污物。如果焊接時有氫存在的話，氫可能會進入熱影響區。當金屬發熱時可溶解大量的氫離子H+。但是當金屬凝固時，金屬溶解氫的能力將下降。氫離子就會移動到熱影響區的晶粒邊界。這時，單個的氫原子合成氫分子（H2）。由于氫分子體積大，不能在金屬結構中移動。所以這些氫分子就沉積下來。這時，如果周圍的金屬韌性不好的話，由于這些沉積的氫分子導致內部壓力增加而產生焊道內部裂紋。防止產生最好的方法是，當焊接有這種裂紋傾向的材料時，消除氫的來源。比如手工電弧焊用低氫焊條。有規定時，這些焊條應保存在適當的保溫筒內以保持其水分含量低。如果在大氣環境下放置時間太長，焊條會吸潮而產生裂紋。焊件表面應清理干凈以消除氫的來源。也可用預熱的方法來消除裂紋。由于熱影響區的韌性比焊縫和母材要差，所以即使沒有氫也會在熱影響區開裂。拘束度大的時候，收縮應力足以在熱影響區產生裂紋，尤其是脆性材料，如鑄鐵。我們先前討論的焊趾裂紋就是一種特別的熱影響區裂紋第12頁/共36頁5，母材本身也有可能出現裂紋。這種裂紋可能與焊縫有關，也可能與焊縫無關。通常母材裂紋與構件在役時的應力集中有關。從射線探傷的底片上看，裂紋是一條很細很黑的線，很容易與其它線性不連續區分開來，裂紋不會很直，因為它們往往是沿著材料截面的最小通經擴展。第13頁/共36頁未熔合第14頁/共36頁未熔合是一種焊接不連續，即焊縫金屬和熔合面或焊道間沒有熔合。也就是說，熔合度低于規定范圍。由于未熔合而呈線形并且端部很尖銳，所以未熔合是值得注意的不連續。它存在于焊接區域的很多部位。圖9.11是發生各種位置上的未熔合。圖9.11（A）是坡口面和焊道間的未熔合。更為常見的是，未熔合還與夾渣有關。實際上，由于清理不干凈而引起的夾渣可能會影響焊縫的熔合。

我們常常認為未熔合是內部的焊接缺陷。但是它也會發生于焊縫的表面。如圖9.11（B）和圖9.12。未熔合另一種不標準的名稱叫冷隔，此名稱經常不恰當地用來形容焊縫和母材或不同焊道之間的未熔合，特別是使用熔化極氣體保護焊。圖9.13及圖9.14是焊縫和母材之間的未熔合（冷隔）。另外，接頭形狀可能會限制熔合。比如對某一焊接方法的焊條直徑，坡口的角度不夠。再則，端面的污物，包括氧化皮和氧化層也會影響焊縫的熔合。射線探傷很難發現未熔合，除非射線角度合適。典型的未熔合靠近原來的坡口面而且它的寬度和體積都很小，所以很難在射線探傷底片上觀察，除非射線與未熔合平行或是在一條直線上。

如果未熔合能在射線探傷底片上看得到的話，它是一條黑度更黑的線，通常要比裂紋或條狀夾渣的影像更直。這些影像的側面位置則顯示了它們的實際深度。例如，在一個單面V型坡口焊縫中，靠近根部的未熔合在射線探傷底片上顯示在焊縫的中心線上，而靠近焊縫表面的未熔合則顯示在焊趾部位。第15頁/共36頁未焊透未焊透，如未熔合一樣，也是一種不連續，僅跟坡口焊縫有關。當要求全焊透時，焊縫金屬沒有貫穿整個接頭的厚度。它通常靠近焊縫根部。圖9.16是幾個未焊透的例子。大多數規范都對允許未焊透的量和度都作了限制，有些規范不允許任何未焊透。如果圖9.16中的焊縫滿足設計師要求的話，我們還有另外一種說法。就是所謂的局部焊透；也就是說，這些焊縫不需要全焊透。比如，一個焊接接頭，設計要求局部焊透，然后也這樣焊了，如果焊縫尺寸足夠的話也是可以接受的。不過，如果一個焊接接頭要求全焊透而沒有焊透的話是不能接受的。需要注意的是以前有些所謂的未焊透現已改稱為幾個非標準的術語。如IP和LP。對于坡口焊縫來說，正確的術語應是未焊透而不是其它術語。圖9.17是坡口焊縫根部未焊透的照片，而圖9.18是射線探傷中未焊透的影像。

產生未焊透的原因與未熔合一樣，即操作不當，接頭形狀不當或是過量的污物。射線探傷中未焊透的影像通常為黑色的線。一般比未熔合的影像更直，因為它與坡口根部的準備有關。它集中在兩個焊接件的坡口連接處。第16頁/共36頁第17頁/共36頁夾渣由于在焊縫截面或表面中，用于保護熔化金屬的焊劑殘留在固化金屬中而形成夾渣。固態的焊劑、渣存在于焊縫截面中從而使金屬不能熔化。這就削弱了構件的使用性。我們常常會認為夾渣完全包容在焊縫的截面內，但是我們也能在焊縫表面發現夾渣。與未熔合一樣，夾渣發生在焊縫與母材之間或是在焊道之間。事實上，夾渣常常與未熔合有關。只有渣保護的焊接方法才會形成夾渣。通常是由于焊工操作不當而形成的，比如運條不當和焊道間清理不干凈可導致夾渣。通常，焊工運條不當或焊接參數不當會形成非預期的焊縫形狀，從而影響了層間清理。后續焊道會覆蓋住殘留的焊渣而產生夾渣。由于渣的密度要比金屬低得多，所以夾渣在射線照相上是相對較暗的顯示，具有不規則的外形。第18頁/共36頁第19頁/共36頁夾鎢夾鎢通常與GTAW焊有關，GTAW焊是由鎢極產生電弧。如果鎢極與焊接熔池接觸，電弧熄滅，熔化的金屬沿著鎢極的端部凝固。移開鎢極時，鎢極端部很容易斷裂，如果不打磨去除，鎢將陷入焊縫中。GTAW焊時，如果焊接電流超過了鎢極直徑的推薦值也會產生夾鎢。這時，電流密度過大，鎢極開始分解，碎片熔敷到焊縫金屬里面。如果焊工沒有正確地打磨鎢極，上述情況也會發生。（1）

填充金屬與熱的鎢極端部接觸（2）

由于飛濺物污染了鎢極端部（3）

鎢極伸出過長，導致鎢極過熱（4）鎢極夾頭沒有夾緊（5）保護氣體流量不足或風速過大，導致鎢極端部氧化（6）

保護氣體不合適（7）

鎢極有缺陷，如開裂或裂紋（8）

給定尺寸的鎢極電流過大（9）

鎢極打磨不當（10）

鎢極太小

第20頁/共36頁氣孔均勻分散氣孔是許多空穴沒有規律地出現在整焊縫上。密集氣孔是許多氣孔聚集在一起。線狀氣孔是許多氣孔以直線排列。還有一些形狀的氣孔，氣孔不是球狀的而是長條形的。圖9.26就是在焊縫表面出現長條形氣孔的例子。通常稱之為條蟲狀氣孔。當氣體殘留在熔化金屬和固化的焊渣之間時，就會出現這樣的表面狀況。SAW時使用顆粒狀焊劑深度太大時，這種現象也會出現。這是因為焊劑的重量太大以致氣體無法逸出而出現這種現象。另一長條形氣孔形式是管狀氣孔。如果焊縫的主要作用是保存氣體或液體時管狀氣孔通常認為是最危害的狀況。因為這可能導致發生泄漏。（見圖9.27）。氣孔通常是由于焊接區域有潮汽或有雜質，由于焊接加熱而分解形成氣體造成的。這些雜質和潮汽來自于焊條，母材，保護氣體或周邊環境。但是，焊接技術的變化也可能形成氣孔。例如在用低氫焊條的SMAW中電弧過長。在SAW中采用太高的焊速時會產生管狀氣孔。因此，當氣孔出現時，意昧著在焊接的某個方面失控。需要化時間去研究以確定是什么原因造成了該焊接缺陷。射線探傷中發現氣孔的，它是以輪廓分明的黑色區域出現。因為它代表材料密度的極大的損失。除了管狀氣孔，通常都會以圓狀顯示出現。而管狀氣孔是帶著尾巴的圓狀顯示。圖9.28和9.29就分別顯示了密集氣孔和線狀氣孔的射線照片。第21頁/共36頁第22頁/共36頁咬邊咬邊是靠近焊縫的母材上的表面缺陷。這是由于在焊接過程中母材熔化后，沒有足夠的填充材料適當的填入所引起的沉陷而造成的。結果是在母材上形成線性坡口，使母材可能具有相對尖銳的形狀。由于是表面缺陷，對那些要承受疲勞載荷的結構有很大的危害。圖9.30所示的是在角焊縫和坡口焊縫中的咬邊和焊瘤。對于坡口焊縫，咬邊可能即會出現在焊縫表面也會出現在根部表面。咬邊通常是由于不正確的焊接技藝所引起的。特別是如果當焊接運行速度太快，與焊縫連接的母材金屬的熔化所引起的凹穴沒有充足的填充金屬適當的填入，咬邊更易產生。當焊接加熱過高，引起母材金屬過多熔化，或當運條不當，咬邊也可產生。第23頁/共36頁第24頁/共36頁未焊滿是一種由于材料橫截面上的損失而形成表面缺陷。，未焊滿是由于沒有足夠的填充金屬適當地填入焊接接頭而造成的。當發現這種情況，這通常意昧著焊工還沒有完成這道焊縫，或還沒有理解焊接要求。圖9.33就是在一坡口焊接圖形中的未焊滿的外觀。可同時在焊縫的表面和根部上出現。在管子接頭根部的未焊滿有時稱為內部凹陷或行話稱為“內凹”。這是由于在焊第二焊道時使根部焊道過度加熱和熔化而引起的。引起未焊滿的主要原因是焊工所采用的技術。過快的焊速（移動）使得無足夠的填充金屬熔化并填平焊接區第25頁/共36頁第26頁/共36頁焊瘤焊瘤，因為它能在焊件表面引起尖銳的缺口，所以它是一個值得注意的不連續。更進一步地說，如有大量的焊瘤出現，能掩蓋由于應力集中而導致裂紋擴展。焊瘤的出現通常是由于焊工使用了不適當的焊接技術。這就是說，如果焊接移動速度太慢，大量熔化的填充金屬就將過多填入接頭。結果就是過多的金屬溢出并留在母材表面而沒有熔合。有些類型的填充金屬更容易出現這種缺陷。因為熔化時，流動性太大無法抗拒重力。因此，它們可能僅僅用在由于重力而將熔化的金屬保持在接頭的焊接位置。當在如圖9.30所示的橫焊位置焊接，焊瘤和咬邊常常會出現。第27頁/共36頁焊縫凸起這種焊接缺陷僅用于角焊縫。焊縫凸起是大量的焊接金屬堆積在角焊縫面上，從而超過了所預期的齊平度。凸度定義為是從凸起的角焊縫面至連接焊趾線的最大垂直距離。圖9.36是一條凸起的角焊縫。在某些限度內，凸起是不危險的。事實上，通常都希望略有凸起以保證由于有凹面的存而減少角焊縫的尺寸和強度。然而當凸度過大超過了某個限制，那么該不連續就成為值得注意的缺陷。由于過多凸度存在引起的真正問題是導致角焊縫輪廓在焊趾處存在尖銳的凹坑。這些凹坑可以產生削弱結構的應力集中，特別是當結構處于疲勞載荷下。因此，在焊接過程中過多的凸面應該避免，或在焊趾處填入多一些焊接金屬，在焊縫和母材之間形成光滑過渡來糾正。當焊接速度太低時，當熱輸入太少或當運條不當時，凸面會產生。這導致過多的填充金屬填入，母材表面沒有適當潤濕。在母材金屬表面有雜質或使用的保護氣體沒有把這些雜質充分清除，也會形成不希望出現的角焊縫外形。第28頁/共36頁焊縫加強高焊縫加強高是因為焊接金屬大于所需量填入接頭而產生的。表面加強高出現于焊接接頭完成的這一邊，而根部加強高是出現在接頭的背面。由于過多的加強高所帶來的問題是出現尖銳凹坑。這些凹坑是由于填入過量的焊接金屬在焊趾上而形成的。焊縫加強高越大，凹坑問題越嚴重。第29頁/共36頁引弧燒傷引弧燒傷是非常有害的母材上的不連續，特別是在低合金和高強度鋼上。引弧燒傷是由于有意無意地在遠離焊接接頭的母材上起弧而造成的。它的出現是由于在母材表面局部的熔化，然后由于大量的熱量被周圍的母材吸收而迅速冷卻。在某些材料上，特別是高強度鋼，引弧燒傷可以產生含有馬氏體的局部熱影響區。如果變硬，脆性化的顯微結構就產生，產生裂紋的傾向就增大。大量的結構和壓力容器的失效都可能追溯至是由于焊接引弧燒傷的存在，裂紋往往從引弧燒傷處產生而引起災難性的后果。圖9.41是一張顯微照片，所顯示的是在一個鍋爐管表面的引弧燒傷。深色顯微結構是形成的馬氏體。這樣的引弧燒傷提供了一個裂紋起始點，此起始點導致了這個鍋爐管的最終失效。引弧燒傷通常是由于不適當的焊接技術而造成的。應該讓焊工知道引弧燒傷所引發的潛在危險。由于它們代表潛在的危險，所以引弧燒傷是不允許的。另一個應用于焊接檢驗的重要注意點是使用雙頭通電磁化法的磁粉探傷。因為此方法取決于電流通過此物件而產生磁場的導電率，如果在檢驗中在探頭與金屬表面之間沒有足夠的接觸，就有引弧燒傷產生的可能性。雖然不像焊接引弧燒傷那樣嚴重，但這樣的電弧燒傷也能產生有害的影響。第30頁/共36頁飛濺飛濺是由于焊接電流過大造成。因為大電流在焊接區域過度紊亂。一些焊接工藝被認為會比其他工藝產生更多的飛濺。如氣體保護焊中的短路過渡和熔滴過渡比射流過渡產生更多的飛濺。另一能夠幫助控制產生飛濺量的方面是氣體保護焊和藥蕊焊絲氣體保護焊的保護氣體的選用。與直接使用二氧化碳作為保護氣體相比較，用二氧化碳與氬混合氣可以減少飛濺的量。另外也可以在鄰近區域涂上防飛濺的物質以減少飛濺。從危害性來看，在許多應用中，飛濺可能不是大問題。然而，大的飛濺球可以有足夠的熱量在母材表面上形成類似引弧燒傷效應的局部熱影響區。另外母材表面上的飛濺可以形成局部應力集中。在母材在役的過程中這種應力集中會產生問題。第31頁/共36頁分層這種特殊的不連續是一種母材的缺陷。分層是由于在鋼的制造過程中有非金屬雜質的存在而造成的。這些雜質通常是由當鋼仍在熔化過程中產生的氧化物所形成的。在以后的軋制過程中，這些雜質伸長而成為長條。如果這些長條特別大并且成平面形狀，就形成了分層。在某一條件下生成的最大分層形式稱為縮孔，它是在最終固化階段在鋼塊的上部形成的。少數情況下，在鋼塊軋制成鋼板或條前，沒有被完全切除?？s孔通常包含一些復雜的氧化物，是與鋼板形成分層一起軋出的。熔焊的熱量足以再熔化靠近焊縫區域上這些分層長條，這些長條的端部或者熔合，或者可能是開口的。如果分層存在于坡口表面，那么在焊接期間其可能會產生進一步的問題。在這種情況下，由于應力集中可以從分層處擴展為焊縫金屬裂紋。在圖9.44中就是這一現象的一個例子。另一個與分層開口到坡口表面存在的有關問題是它們成為氫氣聚積的主要場所。在焊接過程中，氫溶解于熔化的金屬并為焊道下裂紋的出現提供了必要的元素。因為分層是在鋼的制造過程中產生的，所以除了對胚料進行切除外，幾乎沒有什么辦法能防止其出現。采購低雜質的鋼將強有力地減少分層存在。然而焊工和焊接檢驗師沒有任何方法去防止其出現。在含有分層的材料用作焊件前，所有以上的都能通過充分的目視和或無損探傷檢驗去發現分層。比目視檢驗的更好的發現分層的方法是用超聲波探傷。射線探傷不能發現分層，因為如果材料有分層，但在射線黑白度上也無任何變化。為了說明這一點，想象比較一塊單獨的1/2英吋厚的板和二塊1/4