【文章內(nèi)容簡介】 屬與母材處于受剪應(yīng)力的狀態(tài)；其三是角向收縮。當焊縫坡口尺寸上下不一致時，焊縫金屬上下的收縮量也不同，從而使焊縫金屬承受一個彎曲應(yīng)力。這些應(yīng)力的存在都使得壓力管道的結(jié)構(gòu)形狀趨于發(fā)生變化，如果壓力管道受結(jié)構(gòu)的限制而不能發(fā)生形狀或尺寸的變化，那么這些應(yīng)力便以殘余應(yīng)力的形式存在于焊縫金屬中，通常稱之為焊接殘余應(yīng)力。由此可見，焊縫的殘余應(yīng)力與焊件的變形是互為影響的，其產(chǎn)生的原因都是由于焊縫的不均勻收縮或收縮受阻引起的。就壓力管道的焊縫來說，其橫向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力有時是可以避免的，如預(yù)制過程中的焊接接頭即如此。有些是不可避免的，如已裝配和固定好的一條管道的最后一道焊縫即如此；其縱向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力是不可避免的，尤其是當焊縫金屬與母材金屬的熱脹系數(shù)差別較大時，產(chǎn)生的應(yīng)力會很大；其角向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過改變坡口形狀來緩解，尤其是當管子及管件的壁厚較厚時，通過采用X型或U型坡口，可以緩解較大的角向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。 從微觀上來講，焊接殘余應(yīng)力由以下三部分組成： a、熱應(yīng)力 這是由于焊縫本身各部分收縮量不同或者是由于加熱不均勻（局部加熱）而產(chǎn)生的應(yīng)力。前者如焊縫的角向收縮、縱向收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力；后者如由于焊接是移動的，沿焊縫方向的金屬先后加熱和冷卻而造成的應(yīng)力。它們都是由于焊縫金屬各部分的不均勻收縮而產(chǎn)生的，故稱為熱應(yīng)力。 b、結(jié)晶應(yīng)力 結(jié)晶應(yīng)力是熔池金屬自液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時，體積收縮受阻引起的應(yīng)力。如前面所提到的橫向整體收縮受阻引起的應(yīng)力就是結(jié)晶應(yīng)力。在一般的情況下，當熔池金屬結(jié)晶時，其周圍的固態(tài)母材金屬還處于高溫狀態(tài)，此時其塑性較好，可以通過它的塑性變形來補償熔池金屬的收縮，因此不會在母材中引起裂紋。如果母材金屬塑性較差（如鑄鐵、銅等），或者母材有嚴重的偏析，在較大的結(jié)晶應(yīng)力作用下就會引起裂紋。在焊件剛性比較大的情況下也容易引起裂紋。 c、組織應(yīng)力 組織應(yīng)力是固態(tài)金屬發(fā)生相變時，體積改變受阻而引起的應(yīng)力。例如，馬氏體的比容比較大，由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時，其體積要膨脹。而馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低（一般在200℃左右），此時材料的塑性很低，很難通過塑性變形對其體積膨脹進行補償，因此將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。對于淬硬性較強的金屬材料，如果焊后冷卻速度較快，很容易出現(xiàn)這樣的組織應(yīng)力。由于馬氏體組織性能較脆，在組織應(yīng)力作用下會引起冷裂紋。 焊接殘余應(yīng)力對焊接接頭的影響 焊接殘余應(yīng)力的存在會對焊件帶來一系列不良影響。前面已經(jīng)提到，它會使焊件發(fā)生變形。因此對于焊后需要進行機加工的管道元件，或者對焊接變形比較敏感的管道元件，均應(yīng)在機加工前或裝配前進行熱處理，或者從結(jié)構(gòu)上采取措施。例如，對于DN≤40的焊接連接合金鋼閥門，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較小，焊接變形和焊后熱處理會影響到其閥座的密封性，故一般要在它的兩端各加裝150mm長的短管，該短管在制造廠焊好，這樣就使得現(xiàn)場的焊縫離閥門較遠，從而不致于因焊接或熱處理變形而影響到閥門的密封性；焊接殘余應(yīng)力的存在還影響到焊接接頭金屬的耐腐蝕性能，因為金屬在應(yīng)力的作用下處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至處于晶格畸變的高能狀態(tài)，此時更容易遭受腐蝕，特別是應(yīng)力腐蝕。事實上也證明，大多數(shù)應(yīng)力腐蝕的開裂都是由焊接殘余應(yīng)力或加工殘余應(yīng)力引起的。因此，對于有應(yīng)力腐蝕破壞潛在危險的壓力管道，應(yīng)進行焊后熱處理；對于淬硬性較強的高強度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者會產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，后者會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力（因參于凝固結(jié)晶的金屬較多），容易導致冷裂紋或熱裂紋的產(chǎn)生，故也應(yīng)進行焊后熱處理。 焊接殘余應(yīng)力的消除前面已多次提到，進行焊后熱處理是消除或緩解焊接殘余應(yīng)力影響的最好途徑。根據(jù)熱處理進行的方式不同，可以分為兩種：其一是采用整體高溫回火熱處理，即將整個焊件（包括焊縫和母材）置于加熱爐中進行焊接殘余應(yīng)力的消除。這種方法僅適用于焊件結(jié)構(gòu)尺寸較小的情況，在壓力管道中則常用于管道元件在制造過程中的焊接和焊補修理熱處理；其二是采用局部高溫回火熱處理，即僅對焊縫及其附近的母材金屬加熱到600℃~650℃左右進行熱處理。它是施工現(xiàn)場應(yīng)用最多的熱處理，因為此時進行整體熱處理是不現(xiàn)實的。無論是采用整體熱處理還是局部熱處理，都不能將焊接殘余應(yīng)力全部消除，因為焊后熱處理不能改變熱應(yīng)力的大小，而僅對消除組織應(yīng)力最有效，但它對熱應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力能起到平衡緩解的作用，即通過金屬的再結(jié)晶使應(yīng)力重新分布，降低其峰值。一般情況下，焊后熱處理可以消除60%~80%的焊接殘余應(yīng)力。除此之外，采用合理的施焊順序，采用較小的焊接電流和較大的焊接速度，采用焊前預(yù)熱等措施都有助于減少焊接殘余應(yīng)力。 （二）焊接裂紋 裂紋是最嚴重的焊接缺陷，對焊接結(jié)構(gòu)的危害性也最大，它不僅會使產(chǎn)品報廢，有時甚至會使焊接結(jié)構(gòu)破裂而造成嚴重的事故。因此，焊接裂紋的產(chǎn)生與否是評定焊縫質(zhì)量的一個重要指標，也是工程上嚴格控制的一個缺陷。 按裂紋產(chǎn)生的機理和時間不同，可將焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋兩種。 熱裂紋 熱裂紋是在熔池金屬結(jié)晶過程中產(chǎn)生的，因此又稱它為結(jié)晶裂紋。因為它發(fā)生在高溫下，裂紋斷面有明顯地氧化顏色，故由此可以判別某焊接裂紋是熱裂紋還是冷裂紋。熱裂紋在金屬凝固之后的冷卻過程中，在焊接應(yīng)力的作用下可進一步擴展，乃至危害焊接接頭的金屬強度。 熱裂紋一般發(fā)生在結(jié)晶過程中金屬冷卻到固相線附近的溫度，此時金屬的結(jié)晶即將完成，而晶粒之間尚存在著少量的低熔點共晶體的液態(tài)薄層尚未凝固。當這些低熔點液態(tài)薄層凝固時，因得不到液體金屬的補償，會形成強度很低的疏松組織。由于此時有熱應(yīng)力的存在，疏松組織在熱應(yīng)力的作用下就很容易產(chǎn)生裂紋。由此可見，焊縫中存在低熔點的共晶體是產(chǎn)生熱裂紋的內(nèi)因，而焊接應(yīng)力則是產(chǎn)生熱裂紋的外因。同樣道理，如果母材本身也存在低熔點的共晶物，那么在靠近焊縫的高溫區(qū)，母材中低熔物的強度因受熱而急劇降低，在焊接應(yīng)力的作用下，低熔物會發(fā)生斷裂而導致母材中的熱裂紋產(chǎn)生。 實踐證明，碳與硫的含量多少是影響熱裂紋產(chǎn)生的主要因素。前文已講過，硫常與鐵形成低熔點共晶物，故它是直接導致熱裂紋產(chǎn)生的主要根源。一般情況下，%~%以下。采用堿性焊條，對焊縫進行較好的脫硫也是降低熱裂紋產(chǎn)生傾向的途徑之一。碳含量的增加，將減小硫在金屬中的熔解度，使更多的硫集中分布在晶界上，從而促使硫與鐵的低熔點共晶物的形成。因此，含碳量越高，焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋的危險性越大。采用焊前預(yù)熱和合理的焊接順序等焊接工藝，可緩解熱裂紋產(chǎn)生的傾向。 冷裂紋 冷裂紋一般發(fā)生在組織轉(zhuǎn)變過程中，并具有延遲出現(xiàn)的特點。 導致冷裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下兩個方面： a、淬火作用引起的冷裂紋 對于容易淬硬的材料，焊接冷卻條件下容易產(chǎn)生馬氏體組織。從第三章中已經(jīng)知道，馬氏體硬而脆，而且伴隨著較大的組織應(yīng)力，使金屬組織處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在復(fù)雜焊接應(yīng)力的作用下，很容易產(chǎn)生冷裂紋。對碳素鋼來說，含碳量越大，材料的淬硬性就越大，產(chǎn)生的馬氏量就越多，故出現(xiàn)冷裂的危險性就越大。由此可見，含碳量的增加，同時會增加材料焊接冷裂和熱裂的危險性，故壓力管道的焊接元件中，對于碳素鋼材料，%。對于高合金（奧氏體不銹鋼除外）來說，由于合金元素的存在，使材料的淬硬性增加，從而導致其產(chǎn)生冷裂紋的危險性增加。對于合金鋼，常用碳當量的多少來衡量其產(chǎn)生冷裂紋傾向的大小，詳見第三章所述。 b、氫作用引起的冷裂紋 在焊接高溫下，一些含氫的化合物會分解出原子氫，使得大量的原子氫溶入熔池金屬中。不同的組織，氫溶解量是不同的，奧氏體溶解量較大，鐵素體溶解量較小，前者一般是后者的4~5倍。在焊縫冷卻過程中，金屬組織將發(fā)生由奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，同時釋放出大量的氫。由于焊縫冷卻速度較快，以致大量的氫來不及逸出而殘留在焊縫金屬中。當材料由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時，由于焊縫中心的金屬含碳量較低182。，而焊縫邊沿金屬含碳量較高，故中心金屬首先發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，此時它的過飽和氫將向母材側(cè)遷移。由于焊縫冷卻速度極快，當過飽和的氫遷移的焊縫的熔合線附近時，已沒有擴散到母材內(nèi)的溫度能量，故它將在熔合線周圍的馬氏體組織或材料的微觀孔隙內(nèi)聚集。聚集到馬氏體組織內(nèi)的氫使馬氏體更加脆化，在焊接應(yīng)力的作用下會導致裂紋的產(chǎn)生。聚集到材料微觀孔隙內(nèi)的氫會結(jié)合成氫分子，造成局部高壓，這個高壓產(chǎn)生的應(yīng)力與焊接應(yīng)力交互作用的結(jié)果也將使金屬產(chǎn)生裂紋。這也就說明了為什么冷裂紋容易出現(xiàn)在焊縫邊沿的道理。注182。：焊縫中心的金屬多為填充金屬，而填充金屬一般具有比母材更高的質(zhì)量，包括其含碳量低，含有害雜質(zhì)元素 低等。 由此可見，氫的存在是金屬材料焊接時產(chǎn)生冷裂的主要根源之一。氫在金屬中的擴散速度受溫度的影響比較大，也與金屬的組織有關(guān)。一般情況下，氫在高溫下的擴散速度較快，低溫下的擴散速度則較慢。氫在鐵素體中的擴散速度較快而在珠光體或奧氏體中的擴散速度較慢。對低碳鋼來說，由于氫的擴散速度較快（因為它的鐵素體含量較高），氫原子很容易逸出金屬而跑到大氣中，故不易產(chǎn)生冷裂紋。對奧氏體鋼來說，由于它溶氫量較大，雖然擴散速度較慢，也不會發(fā)生局部聚集而導致冷裂紋的產(chǎn)生。只有在高碳鋼或合金鋼中，由于它溶氫的能力較小，氫的擴散速度又比較慢，以致它不能在焊縫冷卻過程中逸出，故它們很容易產(chǎn)生冷裂紋。由于冷裂紋的產(chǎn)生與氫的擴散有關(guān)，而氫的擴散又與時間有關(guān)，故冷裂紋往往在焊后一定時間內(nèi)發(fā)生，故又稱冷裂紋為延遲裂紋。 減少氫的來源，使氫有機會逸出焊縫金屬，避免出現(xiàn)淬硬組織等，都可防止或減少焊接冷裂紋的出現(xiàn)。從減少氫的來源考慮，應(yīng)采用低氫型焊接材料，焊前嚴格烘干焊接材料，不要在濕度較大的雨雪天焊接等都可減少焊縫金屬中的氫含量；控制焊后冷卻速度和多層焊的層間溫度，使其不發(fā)生或少發(fā)生馬氏體的轉(zhuǎn)變，既可防止組織脆化，又利于氫的逸出，故有利于防止冷裂紋的出現(xiàn)；焊后進行熱處理，可以起到除氫、消脆和消除焊接應(yīng)力的作用，因此可以防止冷裂紋的產(chǎn)生。工程中進行焊后熱處理是防止焊后產(chǎn)生冷裂紋的常用方法。 （三）焊縫的氣孔和夾渣 焊縫的氣孔和夾渣也是常見的焊接缺陷。它們的存在會降低焊縫金屬的致密性，削弱焊縫金屬的強度，增加焊縫金屬的脆性，降低其耐蝕性。因此，它們也是評定焊縫質(zhì)量的重要指標。 氣孔 氣孔的產(chǎn)生是多方面的，大致可以歸納為以下幾個方面： a、冶金反應(yīng)方面 前面已經(jīng)講到，在焊接冶金反應(yīng)中，可能會產(chǎn)生多種氣體，在這些氣體中，除了外界帶來的氫、氮等氣體外，還有冶金反應(yīng)生成的一氧化碳，它們都是產(chǎn)生氣孔的主要氣體。 溶池中的氧和金屬中的碳在焊接高溫下結(jié)合生成一氧化碳，一氧化碳不溶于金屬，可以從焊縫金屬中逸出。結(jié)晶過程中生成的一氧化碳可能來不及逸出金屬外，而在晶界處形成氣孔。母材或焊接材料的含碳量越高，或焊接過程中脫氧不完全時，容易產(chǎn)生一氧化碳氣孔。 前文已講過，氫氣若在焊縫冷卻時聚集在材料的微觀孔隙內(nèi)，可還原為氫氣。高壓的氫氣可擴展原來的微觀孔隙而成為氣孔。氫氣形成的氣孔與一氧化碳等其它氣體形成的氣孔性質(zhì)不同，它可使氣孔進一步擴展而成為裂紋。 氮氣的影響與氫相似，但焊接過程中由于嚴格控制了焊縫金屬與空氣的接觸，故焊縫出現(xiàn)氮氣氣孔的現(xiàn)象較少。 b、藥皮和焊劑的物理性能影響 藥皮和焊劑在焊接過程中所形成的熔渣覆蓋在焊縫金屬表面上，以保護高溫的焊縫金屬不與空氣接觸而發(fā)生化學反應(yīng)。如果熔渣透氣性不好，不利于焊縫中的氣體逸出，則容易造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。但如果熔渣的透氣性太大，容易造成空氣的侵入，使熔渣起不到應(yīng)有的保護作用。 c、焊接工藝方面的影響 如果焊接速度較快，金屬的冷卻速度也較快，不利于氣體的逸出，容易產(chǎn)生氣孔。焊接電弧較長時，容易使空氣侵入，產(chǎn)生氣孔的可能性就越大。焊前對焊條嚴格烘干，焊件進行預(yù)熱，清除干凈焊件表面的油物、油漆等，都可以減少氣孔的生成。 夾渣 夾渣是指焊接過程中因來不及浮出而夾在焊縫金屬內(nèi)的熔渣等非金屬化合物。一般情況下，它呈塊狀或條狀存在于焊縫金屬中。 夾渣產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面： a、焊接電流過小，或者焊接速度太快，使焊縫金屬冷卻速度太快，以致熔渣來不及浮出焊縫金屬； b、手工焊接時由于運條不當，以致熔化金屬和熔渣混淆在一起； c、多道焊接時，前道焊接時的熔渣清除不干凈。 工程上，焊縫的內(nèi)部夾渣是嚴格控制的缺陷，常通過無損探傷檢驗并進行評級。對于高壓管道，一般不允許有條狀夾渣存在。 （四）其它焊接缺陷 除了上述的幾種主要的、也是影響比較大的缺陷之外，焊接中還經(jīng)常出現(xiàn)下列一些缺陷。這些缺陷對焊接接頭的性能都會帶來一些不利的影響，因此一般的焊接施工規(guī)范中對它們都有具體的限制。 外部缺陷 外部缺陷除了前面提到的裂紋、氣孔和夾渣外，常見的還有咬邊、焊瘤、未焊滿、燒穿、焊縫尺寸超差等缺陷。 a、咬邊 它是焊件母材沿焊縫邊緣在焊接過程中被熔去的溝槽。咬邊的存在會減少焊縫金屬的有效受力面積，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，對焊縫的強度不利。，如果存在較大的咬邊，可采用補焊（如果允許的話）進行修理。 b、焊瘤 它是熔化金屬流敷在未熔化的母材表面，形成的未熔合的瘤狀物。焊瘤的存在容易引起夾渣、未焊透和焊接接頭應(yīng)力集中等問題，使接頭強度降低。焊瘤可進行鏟除修理。 c、弧坑或未焊滿 它是在焊縫邊緣或焊縫收尾處因熔化金屬未填滿焊縫而留下的溝槽或凹坑?；】踊蛭春笣M對焊接接頭性能的影響類似咬邊，可采用補焊修理。 d、燒穿或焊漏 它是指熔化金屬從焊縫的另一面漏出，甚至燒穿成洞。燒穿或焊漏會嚴重影響焊接接頭的強度和嚴密性，是不允許存在的缺陷。產(chǎn)生燒穿或焊漏的原因可能是焊接電流過大，電弧停留時間太長或者焊縫裝配間隙過大等。e、焊縫尺寸超差它是指焊縫尺寸的過寬或過窄，過高或過低，角焊縫的焊腳高不一致等問題。焊縫尺寸的過大或過小，都會引起應(yīng)力集中。焊縫過低時還會削弱焊接接頭強度，過高時容易增加焊接應(yīng)力，且浪費焊接材料，故均應(yīng)進行控制。 內(nèi)部缺陷 內(nèi)部缺陷除上面提到的