机械结构件焊接缺陷浅析

摘要：重型机械所用结构件种类繁多，基本采用手工电弧焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊及埋弧自动焊等方式来进行焊接操作。由于结构件本身的焊接难度系数、焊接工艺和焊接装备的差异，导致焊接质量得不到充分保证。就中厚板结构件焊接过程中经常出现的缺陷、检测方法、焊接变形及矫正、焊后处理手段进行简要说明，为焊接质量检验及焊接操作提供参考。

关键词：结构件；焊接缺陷；焊缝检测方法；焊接变形及矫正；焊接应力

重型机械所用结构件种类繁多，多数结构件材料是Q235B、Q345B、45号钢或者低合金钢等，这些结构件外形尺寸相差很大，基本采用手工电弧焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊及埋弧自动焊等方式来进行焊接操作。大型机械厂有自己企业内部的焊接工艺与标准、焊接操作人员，但小型机械厂有时很多结构件是采用外协加工，由于焊接人员与焊接检验人员均不是本企业员工，加之结构件本身的焊接难度系数、焊接工艺和焊接装备的差异，导致焊接质量得不到充分保证。本文就中厚板结构件焊接过程中经常出现的缺陷、检测方法、焊接变形及矫正、焊后处理手段进行简要说明，为焊接质量检验及焊接操作提供参考。

1结构件常见焊接缺陷

如图1焊接缺陷图所示，中厚板结构件常见焊接缺陷有冷热裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合及未焊透等。除了上述焊接缺陷外，焊接时还有焊接飞溅等工艺缺陷。由于焊接结构设计不合理，焊缝布置不当，焊接工艺措施不合理，或者母材抗裂性能差，焊接材料质量不好，焊接工艺参数选择不当，焊接内应力过大，坡口及焊道表面不够清洁或有氧化皮及焊渣等杂物，焊件会产生相应的焊接缺陷如冷热裂纹，未熔合和未焊透等。另外，由于焊工焊接操作技术不佳也会引起焊接缺陷，如焊瘤、咬边及气孔等。对于厚板焊接而言，如装载机的动臂板和动臂横梁的焊接，除了要防止产生常见的焊接裂纹、未熔合和未焊透焊接缺陷外，更需要注意动臂板（一般为Q345A材料）钢材的Z向性能（厚度方向所能承受的拉力）。

2结构件焊缝检测方法

焊接缺陷多种多样，而对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施。通常焊接质量的检验包括外观检查、无损探伤和机械性能试验3个方面。焊接质量管理人员可以从这3个方面来检验结构件的焊接质量。（1）外观检查。外观检查一般以肉眼观察为主，有时用5~20倍放大镜进行观察。通过外观检查，可以发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。外观检查需要由经验丰富的施焊人员或者检验人员来完成。（2）无损探伤。有别于外观检查，隐藏在焊缝内部的夹渣、裂纹、气孔、未熔合及未焊透等缺陷的检验，无法通过目测来获知，可使用X光检验（RT）、超声波无损探伤（UT）、磁力探伤（MT）和渗透检验（PT）等来进行无损探伤。这些无损探伤手段都是焊缝检验的关键方法，也是焊接质量的重要保证手段。无损探伤需要由具有相关资格的人员来进行操作。（3）机械性能试验。实际生产中，为确定焊缝热影响区金属的机械性能，需要对焊接接头进行冲击、拉伸及弯曲性能试验。一般只对新钢种进行这些试验，并且通过制定试验板来完成。机械性能试验是必不可少的检验手段和方法。

3结构件焊接变形及矫正

在重型机械中厚板结构件焊接过程中，除了焊接缺陷外，不可避免地会产生焊接应力和变形。常见焊接残余变形有：线性缩短（纵向收缩、横向收缩）、角变形、挠曲变形，弯曲变形、扭曲变形和波浪形失稳变形等。焊接变形是在焊接过程中，由于钢材受热后冷却出现不平衡收缩造成的。影响焊接变形的主要因素有：（1）焊缝在结构件中的位置及刚性。焊接结构的设计对焊接变形的影响最为关键，总体趋势是随着拘束度的增加，焊接残余应力增加，焊接变形则相应减少。（2）焊接工艺因素。主要影响因素包括焊接方法、焊接热输入（电流电压）、构件的定位或者固定方法、焊接顺序、焊接工装夹具的使用等。其中影响最大的是焊接顺序。（3）材料因素。有些焊接变形主要是由于材料本身的物理特性造成的，主要因素为材料的热膨胀系数、屈服极限以及弹性模量等。焊接变形的常见通用矫正方法有机械校正法和火焰校正法两大类。（1）机械矫正法。对于低碳钢结构，可直接应用机械矫正法矫正；对于低合金结构钢结构，必须消除焊接应力后才能进行机械矫正，否则，不仅矫正困难，还会产生断裂。矫正方法主要包括：锤击矫正、滚矫、扳矫、压矫及顶矫。锤击矫正：钢结构焊后有突起的部位可用大锤锤击，以消除变形和部分焊接应力，但由于锤击会对结构的机械性能产生较大影响，所以应尽量少用此种方法。滚矫：用矫直机的托辊对钢结构的焊接变形部位进行滚动矫正，对某些结构的波浪形焊接变形有非常好的矫正作用。但受矫直机的影响，滚矫这种方法有一定的应用局限性。H型钢的滚矫如图2所示。扳矫：用辅助扳正工具（如加长扳手类工具）对变形的焊接结构件进行矫正。压矫：平板类结构件或较为复杂的结构件可通过辅助焊接平台，利用辅助压平装置进行压矫，如图3所示。顶矫：利用焊接辅助工装，对焊接结构件凹陷下去的部位用千斤顶进行矫正。（2）火焰矫正法。火焰矫正法是用火焰不均匀加热引起结构变形来矫正原有的残余变形。大型钢结构厂有时专门设有火工这个岗位，就是利用火焰来加热变形焊接钢结构件。常见方法包括：1）点状加热矫正；2）线状加热矫正；3）三角形加热矫正（见图4）。应用火焰矫正法时，火焰的温度应为600~900℃，以800~900℃为佳。

4焊接应力的处理

焊接过程是金属局部不均匀的加热冷却过程，焊缝两侧的金属温度随距离呈陡降温度特性，在焊接过程中被强烈加热的金属受到周围金属的约束，无法自由的热涨冷缩，导致内部产生应力。在结构件的焊接过程中，除了焊接缺陷和焊接变形外，同时存在着焊接应力，即焊接接头各部位受热及冷却速度不同产生的热应力、金相组织变化产生的组织应力和施焊时钢结构本身的约束产生的拘束应力。为了消除这些应力，可采用如下方法：（1）热处理法，即利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的。一些重要的碳钢结构件焊后需要进行热处理，一般来讲，结构件在热处理反应炉内整体加热到退火温度，保温一定时间后冷却，就可以使金属材料在高温下发生蠕变，使应力松弛。（2）加载法，即通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。其方法有：1）机械拉伸法；2）温差拉伸法；3）表面冲击法（如喷丸、锤击和超声冲击）。（3）时效法，即振动时效、热时效和自然时效处理。振动时效是对结构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，材料发生局部的宏观和微观的塑性变形，这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。热时效法可以消除应力，去氢和恢复塑性，但这种方法不太适合异种金属构件。在一些钢结构焊接生产厂，较为重要的合金钢（如42CrMo）焊接完毕后，焊缝需要用保温棉覆盖十几个小时，达到热时效的目的。自然时效处理是把焊接完毕的结构件（或铸件），自然放置较长一段时间后，达到消除应力的目的。这种方法较为笨拙，除非这种工件不急于使用，否则一般不采用此种时效处理方法。

参考文献

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作者:高振坤 单位:天津利丰工程技术有限公司