碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施

刘昌虎 曲杰 王杰

【摘 要】近几年我国高铁行业的发展已经进入了全新时代，转向架作为影响高铁安全运行的重要组成部分，保证其质量和安全是重中之重。转向架的碳钢焊接件焊接裂纹对于整个碳钢焊接有着不良影响，焊接缺陷对整个部件的影响是致命的。对碳钢焊接件容易出现的缺陷进行分析，并且探讨预防和解决焊接缺陷的技术措施，以保证碳钢焊接工作顺利进行，杜绝焊接缺陷的产生，减少报废和返修，避免产生安全事故影响行车安全的现象发生。

【关键词】焊接件；缺陷分析；预防措施

中图分类：TL214 文献标识码：A

引言

在实际生产过程中受焊接工艺、产品结构设计、材料及生产操作等方面的影响，不可避免地会产生一些焊接缺陷，大型铸钢件常见主要焊接缺陷有夹渣、气孔、咬边、裂纹等。本文结合生产实际情况，针对主要缺陷进行汇总并提出防止措施以供参考。

1、焊接结构件在生产过程存在的隐患

1.1焊接产品在生产制造过程中导致的缺陷

焊接缺陷的产生的原因很多。焊接结构在焊制过程中因焊接工艺与设备条件的偏差，残余应力状态和冶金因素变化的影响以及结构材料与尺寸的差异等，导致焊缝中产生不同程度和数量的焊接缺陷，例如裂纹、气孔、夹渣，未熔合、焊透等焊接缺陷。

1.2焊接结构在服役过程中引起的裂纹

焊接结构在服役或超期服役过程中有的经受高温，高压或兼有介质腐蚀的环境，有的承受疲劳、冲击及中子辐照等工况条件，会导致材质变化，严重影响应力并产生裂纹，并为安全运营带来了很大风险。

1.3焊接产品运行中的失效

焊接产品在生产制造过程中已经产生了轻度缺陷，或者不可目视的缺陷，一旦这种遗留缺陷在运行过程中就会由于壓力或震动等内外因素而引发不同程度的裂纹，从而导致产品失效或者其他的质量问题，为行车安全带来很大的危险。

2、焊接缺陷分析

焊接规范的问题：焊接的特点是温度上升速度快，电流大，温度高等，所以焊缝区和金属的温度差很大，冷却速度很快，在产生热应力的情况下极其容易出现裂纹。焊接结构件自身也有着一些缺陷，压力容器在焊接的过程中，会将焊接结构的内在缺陷也带入到相应的容器中，尤其是在焊接的接头处，会出现未熔合、裂纹、咬边、夹渣和气孔等现象，这样就会导致焊缝的实际承载截面出现削弱等现象，周围还会出现残余应力和拘束应力，这些应力会集中，越集中，对于焊接越不利，使得缺陷处最容易最先开裂，成为裂源。部件结构问题：部件在焊接的过程中，使焊缝出现焊接变形的情况，但由于部件的刚度大，产生的内应力较大而导致焊缝裂纹。有些焊缝裂纹严重的会导致压力容器爆炸，部件的角变形与错边导致的，这一缺陷会导致容器的焊接处出现结构不连续等现象，导致了焊接的边缘出现一系列的裂纹。该类缺陷的特点是由于应力都过于集中在焊缝接触处，会加大风险，同时增加出现安全事故的可能性。焊接接头处拉伸残余应力：由于转向架机械部件在生产中存在着较大参与应力，而且在产品进行热处理的过程中并未被完全消除，就会对设备产生影响甚至损坏。压力容器在较大的焊接压力的影响下，通过不断的剪裁使压力容器的个别部位出现裂纹，使设备损坏。有些焊接的残余应力会达到所使用材料的强度，在没有应力的作用下，焊缝也会出现破裂，这种破裂是自然破裂。

3、焊接缺陷造成的主要危害

①焊接变形是结构件焊接制造过程中最常见问题之一，由于焊接过程是一个受到电弧电压、电流、热传导、金属相变和力学性能改变，局部快速的加热到高温并随后快速冷却的非线性瞬间热传导过程，整个焊接件的温度变化急剧，焊缝周围母材热影响区的金相也随温度剧烈变化，其物理性能也随之改变。焊接变形不仅会降低结构件本身强度，还会导致结构件装配尺寸出现误差，影响产品质量，降低生产效率。②降低产品疲劳强度，缩短产品使用寿命。由煤机产品结构件钢板厚度较厚，结构较为复杂，所选母材材质含碳量较高，要求承受的动、静载荷也较为复杂。焊缝应力集中，不仅造成焊缝处强度较低，同时对结构静载荷非脆性破坏影响较大，缩短产品使用寿命，降低产品可靠性。③引发焊接件脆性断裂。煤机产品结构件焊接过程中，产生的结构应力较大，同时过热区和熔合区脆性和韧性都有所下降，焊接缺陷受到外力作用时同时产生内应力，极有可能引起结构件的突然断裂，造成安全事故。

4、焊接质量检验

对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施。因此，工件焊完后应根据产品技术要求对焊缝进行相应的检验，凡不符合技术要求所允许的缺陷，需及时进行返修。焊接质量的检验包括外观检查、无损探伤和机械性能试验三个方面。这三者是互相补充的，而以无损探伤为主。（1）外观检验。①利用肉眼或放大镜对焊缝进行外观检查，可发现焊缝表面缺陷，如咬边、焊瘤、表面裂纹、气孔、夹渣及焊穿等。②利用专业测量仪器如焊接检验尺对焊缝的外形尺寸进行测量。（2）无损探伤。无损探伤是指在不损坏被测件前提下，借助仪器设备对焊缝质量进行检测，检测方法有超声报检测、渗透检测、磁粉检测、射线检测等。本文对煤炭机械焊缝常用的检测方法进行介绍。①超声波检测，利用超声波探伤仪产生的震荡激励探头发射超声波，对工件焊缝进行测试，探头接收到反馈波后显示到仪器屏幕上，从而查看被检验焊缝是否有焊接缺陷。超声波无损检测是目前最常用的焊缝检测方法之一，其主要优点有：检测范围较大，缺陷定位准确，对检测人员和环境不造成伤害。②渗透检测，包含着色探伤检测和荧光渗透检测，主要检测表面焊接缺陷，其主要原理为渗透液在毛细作用下，渗透至焊接表面，再施加显像剂，缺陷内的残留渗透剂又回渗到工件表面，从而显示出缺陷形态，不受焊接结构影响。但渗透检测相关检测参数并不明确，需要在累积中总结，对检验人员业务能力要求较高。③磁粉检测，主要用于检测表面焊接裂纹缺陷的检测方法，工件被磁化后在被测试件上撒上磁粉或磁悬液，若存在表面焊接缺陷，磁粉粒子便会吸附于缺陷位置，通过磁痕来显示和判定缺陷位置、大小。检验结果相对直观可靠。④X射线检测，主要通过X射线成像设备，获取焊接结构的数字成像图并输入计算机，由计算机对数字图像进行处理，通过对缺陷图像的提取，对焊接缺陷进行分析和判定。但X射线检测在实际应用中有一定局限性。（3）打压试验。对于油箱、水箱等要求密封性的结构件，进行打压试验，可根据自身条件选择水压试验或气压试验，以检查焊缝的密封性和承压能力。

结束语

由于焊接缺陷的产生原因较为复杂，结合实际生产经验提出了焊接缺陷防止的主要措施，除此之外还要根据产品结构特点、材质特性、焊接流程控制等方面制定合理的解决方案，希望对焊接工作者有所帮助，共同探讨，共同进步。

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）