钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施

陈临泉，刘余涛

中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710000

1 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。

1.1 热、冷裂纹的产生原因

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。

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。

1.2 热裂纹的特征

热裂纹多贯穿在焊缝表面，断口有被氧化色彩，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；在焊后立即可见，多可以用肉眼看见。

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

1.3 裂纹的防止措施

热裂纹的防止限制或减小硫、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。

冷裂纹的防止措施很多，常通过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。

2 气孔

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。

2.1 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。

2.2 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，下面逐一介绍各种有害气体的来源、危害以及具体的控制措施。

2.2.1 氧在焊缝中的作用

氧主要来源于焊接区电弧中的氧化性气体（如CO2、O2、H2O等）、焊剂、药皮中的水分和焊件表面的铁锈、水分。氧对焊缝质量的影响较大，它能加速焊缝中有益元素的烧损而使焊缝的强度、塑性、冲击韧性降低和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反应易形成不溶于金属的气体，若结晶时来不及逸出焊缝就形成气孔。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。具体控制措施有：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。

2.2.2 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分、焊条、焊剂中的有机物、空气中的水分、焊件表面的铁锈、油脂及油漆。氢对焊缝的影响主要是形成气孔，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。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，这是氢气孔在焊缝中的特征，它也是产生冷裂纹的主要原因之一。控制氢的措施主要有：清理焊件及焊丝表面的油污，铁锈、水分。焊前按规定烘烤焊条、焊剂。气体保护焊对气体进行去水分、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。

2.2.3 氮对焊缝的作用

熔池中的氮主要来自空气中，氮对焊缝质量的影响主要是导致焊缝中饱和的氮来不及逸出焊缝时而形成气孔，同时也影响焊缝的力学性能。其特征是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，也是生产中常见的气孔。控制氮的措施主要有清理焊件及焊丝表面的油污、铁锈、水分，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分、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，电流采用直反接等。

3 结论

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，避免危及到结构稳定和人民生命财产的事故发生。

[1]邓文英主编金属工艺学（上下）[M].3版.高等教育出版社，1994，3.

[2]陈云祥主编焊接工艺（焊接专业）[M].机械工业出版社，2004，3.