1、问题描述
近年来,随着钢结构的日益完善,海上油田建设快速发展,海上采油平台、导管架等海洋工程大量生产制造并投入使用。海洋工程结构中经常会有小夹角焊缝,焊接时难以施焊,焊接后经过超声检测(UT),通常会发现焊缝根部存在未熔合、气孔和夹渣等焊接缺陷。
在船舶及海洋工程中,为了确保焊接质量,焊接检验过程由焊前检验、焊接过程检验和焊后检验三个环节组成。焊接检验又分为破坏性检验和非破坏性检验。由于焊接检验贯穿于焊接生产全过程,从而极大地避免了出现产品最终报废的现象,大幅度减少了原材料和工时的浪费,以及因拖延工期所带来的经济损失显著提高了社会效益和经济效益
2.问题分析
(1)焊接缺陷产生部位
1)焊趾缺陷:焊接后,对焊缝进行射线照相检测(RT)或UT时,通常会发现焊趾部位有细微裂纹。焊工在进行打底焊时焊缝外观成形良好,但是用打磨机打磨后,在焊趾部位或焊根部位可能发现夹渣或不规则形状的裂纹,特别是在焊接厚板、管桁架或者相贯接口时,此种缺陷表现得更为明显。
2)填充层缺陷:填充焊时,焊缝内部质量达不到要求主要是由于焊道与焊道之间清理不干净,导致焊缝内部存有夹渣、未焊透,焊道两侧咬肉等焊接缺陷。如果焊道中间凸起很明显,后续焊道焊接时就非常容易出现夹渣、未熔合等缺陷为了保证焊缝内部质量,每焊一层焊道后要对焊道进行严格打磨。
(2)焊缝外观质量不合格在对焊缝外观进行检查时,通常会发现焊缝外观存在有缺陷。
1)焊缝尺寸和形状不符合要求:焊缝外观形状、尺寸不一致,余高高低不平;焊缝过宽或过窄,余高过高或过低;角焊缝单边等。
2)弧坑:弧坑是焊缝收尾处产生的下塌现象。弧坑处往往是焊缝强度严重降低的部位,此处也是经常发生弧坑裂纹的部位。
3)咬边:由于焊接参数选择不当,或者操作工艺不正确使得电弧烧熔母材,在沿着焊趾的母材部位形成的凹陷或沟槽称为咬边。咬边减小了接头的有效承载截面积,减弱了焊接接头的强度,更严重的是造成了应力集中,承受动载荷或交变载荷的结构容易在此处产生疲劳裂纹,导致结构失效。
4)焊瘤:焊瘤是在焊接过程中,熔化的金属流淌到焊缝以外的未熔化母材表面所形成的金属瘤,该处局部未熔合。焊瘤又称为满溢,经常出现在横焊、立焊和仰焊的接头中。焊瘤不仅影响焊缝的成形美观,而且往往掩盖着夹渣、未焊透和未熔合等缺陷,在此处容易产生应力集中,在动载荷服役环境下容易成为疲劳裂纹的启裂源。
5)表面裂纹、夹渣和气孔:
①焊缝或热影响区出现微裂纹,用肉眼或放大镜可以观察到的称为表面裂纹。裂纹两端呈尖状,而且很容易扩展。
②残留在焊缝表面的熔渣且植根于焊缝金属内部而不易脱落,称为表面夹渣。条状夹渣对焊缝的使用性能危害更大。
③ 焊缝表面有小的孔洞称为表面气孔,有单个气孔,也有连续气孔。单个大的气孔减小了焊缝的有效截面积,降低了焊缝的强度,连续气孔的危害则更大。
(3)焊缝内部质量不合格
1)内部裂纹;存在于焊缝或热影响区内部的裂纹称为内部裂纹。这种裂纹无法用肉眼或放大镜观察到,需要借助专门的仪器设备才能检测到。专门的仪器设备主要是指X射线探伤仪和超声波探伤仪等。
2)未焊透:熔焊时,焊缝根部未完全熔透,称为未焊透这种缺陷一般会降低焊接接头的力学性能,而且易引起裂纹
3)未熔合:在焊道与焊道之间或焊道与母材之间未完全熔化结合、称为未熔合。这种缺陷在不同板厚的焊接接头中很容易出现,其危害主要是降低焊接接头的力学性能。
4)内部气孔:焊缝内部有小的孔洞,或单个或连续分布称为内部气孔。这种缺陷的危害主要是降低焊接接头的力学性能。
5)内部夹渣:残留在焊缝内部的熔渣称为内部夹渣。这种缺陷和焊缝金属内部的气孔一样具有较大的隐蔽性,需要借助于专门的仪器设备才能检测到。内部夹渣同样会降低焊接接头的力学性能。条状或连续夹渣容易诱发裂纹,扩展到一定程度后会使结构失效。
3.对策
1)填充焊时采用小电流多层多道焊,每层焊肉不宜过厚以便焊道内气体逸出熔池,避免形成气孔等焊接缺陷。为了保证焊缝金属的内部质量,每焊一层焊缝时对焊道进行严格打磨,在盖面焊之前预留1.5~2mm盖面余量,以便保证焊缝的外观成形。
2)盖面焊时焊工对盖面焊的作用要明确,焊工的技能水平要达标,避免因焊工对盖面焊的作用不明或者操作技能不过关面导致焊缝两侧出现咬边、夹沟过深、焊脚过大等焊接缺陷,增加焊缝修补工作量,导致生产成本过高。
3)焊缝根部和表面出现的焊接裂纹一般为热裂纹,或叫结晶裂纹。其成因有:熔池中有低熔点共晶,焊接过程中存在拉应力。因此,焊接前要严格检查和清理焊缝坡口的油污分、锈斑等附着物,杜绝杂质元素进入焊接熔池以避免形成们熔点共品液膜;严格控制焊条药皮、焊剂和焊丝等焊接材料中的C、S、P等杂质元素的含量;对厚度大、尺寸大和刚性大的构件,焊接时要注意自身的拘束应力、组织应力、热应力以及残余应力等,防止焊接时焊缝承受较大的拉伸应力;对于弧坑裂纹,要注意采取焊接电流衰减和保护气氛延时停止等措施进行消除。
4)采用合理的焊接方法和工艺,减少焊接应力和变形要熟悉各种焊接材料和焊接方法及其特点,进而减少焊缝外观出现夹沟及焊脚尺寸偏小或偏大等缺陷。在焊前要确保装配质量,坡口清理干净。如果需要返修时,保证彻底去除缺陷后再进行焊接修复。减少焊接应力的措施主要是保证合理的焊接顺序,对于长焊缝,采用分段退焊;采用锤击法振动消除应力等措施。对有预热与层间温度控制要求的焊缝要做好管控;严格执行焊接工艺规程。
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本文部分内容引用:机械工业出版社《现场焊接问题分析及对策》薛小怀 杨文化
