氩弧焊焊接310S不锈钢管缺陷产生原因及对策
文章来源：304不锈钢管
作者：外链代发
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2022-06-12 14:08:01
氩弧焊以其广泛的适应性，发展成为我国最常用的310S不锈钢管焊接技术之一，但各种缺陷会对焊接结构的性能产生不良影响。本文对氩弧焊主要的焊接缺陷及其成因进行分析，然后研究了防止缺陷发生的有效策略。
1氩弧焊工作原理
氩弧焊是最常用的310S不锈钢管焊接技术之一，在焊接过程中利用惰性气体氩气做保护气，将焊接区域与周围空气隔绝开，以防止焊接部位氧化，提高焊接质量。氩弧焊技术的工作原理与普通电弧焊相似：利用高电流使焊材熔化形成熔池，作用到焊接基材，使焊材与被焊基材相互结合到一起。在焊接过程中需要对焊接区域不停地输送氩气，使焊接区域空气被氩气挤开，避免空气中的氧气在高温下加速对焊接区域基材的氧化。氩弧焊常用于对铜、铝等有色310S不锈钢管的焊接作业。根据氩弧焊电极的不同可将其划分为非熔化极氩弧焊（MAG）和熔化极氩弧焊（MIG），两者都是在氩气的保护下完成焊接过程，其区别在于：MAG是利用电弧在非熔化极（多为钨极）与工件间的作用使焊材熔化，完成焊接过程；MIG直接将焊丝作为通电电极，在高电流作用下，焊丝熔化为熔池，冷却后形成焊缝。MAG的焊接接头更加致密，力学性能更好；MIG更加方便，容易操作。目前我国常用的氩弧焊技术多为MIG。氩弧焊利用氩气进行焊接保护，熔池结晶过程简单，焊缝更加纯净；同时氩气可以对电弧形态进行控制，使热量集中，减小焊接应力与热变形的影响；电弧参数精确可控，焊接过程更加稳定；另外，氩气为惰性气体，在焊接温度下也不与焊材发生反应，保证了焊接质量，因此氩弧焊几乎适用于所有310S不锈钢管材料的焊接作业。
2氩弧焊焊接缺陷的检测及成因分析
2.1焊接裂纹。
裂纹是指焊接完成后，在应力作用下焊接位置的基材310S不锈钢管原子间结合键断裂而产生新界面，这些界面在焊接表面就会表现为裂纹。焊接裂纹主要包括热裂纹、冷裂纹两类，冷裂纹多发生在冷却过程中温度降至焊接310S不锈钢管的固相温度以下的阶段，常出现在角焊缝和开坡口焊缝底焊道上。热裂纹则指发生在焊接310S不锈钢管固相温度以上时焊接材料的凝固过程中，在氩弧焊中热裂纹相对常见。热裂纹的产生主要与焊材合金的化学组成有关，由于合金中各物质的熔点不同，焊接过程中结晶界面的合金元素出现偏析现象，焊接处310S不锈钢管原子间应力增大，导致结合键断裂、新界面产生，焊接位置出现裂纹。以铝合金焊接为例，氩弧焊过程中极少出现冷裂纹，但热裂纹很常见。铝合金膨胀系数较高、收缩应力大，焊接过程中熔化区间较宽，焊缝处容易形成热裂纹。另外，焊接速度、焊前清理与准备工作、焊缝深宽比，以及焊接310S不锈钢管的选材、焊缝设计、电流强度等都会对热裂纹的出现产生影响。小裂纹在临界尺寸以下，一般不会导致焊接结构在运行过程中直接断裂，但裂纹引发的三向应力、缺口效应、温度降低等问题，会使裂纹逐渐扩大，至临界值后最终导致结构断裂。裂纹相对其他缺陷，可能导致的后果更加严重，在电弧焊工程中对焊接结构的危害最高。根据焊接作业的结构不同，裂纹检测的方法也有所差异：内部裂纹常用的检测方法为超声波法和射线法；表面裂纹则多用染色渗透法；另外，金相法多用于对焊接材料裂纹的快速检测。在本文中焊接裂纹主要指焊接区域，尤其是焊接接头的局部位置由于310S不锈钢管原子受应力作用而发生结合键断裂，形成新界面，在焊接表面呈现出的缝隙。
2.2焊口裂纹。
焊口裂纹主要指焊接完成后，电弧停止使焊口温度出现突然变化，熔池凝固过程中产生裂纹。焊口裂纹往往从中心位置向四周扩展延伸，在应力相对集中的焊缝末端较为明显，因此虽然与焊接裂纹相比，焊口裂纹并不明显，但隐藏的结构问题不容忽视。
2.3焊合不良。
焊接不良主要指在氩弧焊过程中焊缝内310S不锈钢管熔液的连续性在凝固过程中受到破坏，导致焊接部位焊材与基材连接不良。焊接作业之前310S不锈钢管表面氧化膜清除不彻底是导致焊合不良的重要原因。由于氧化膜的存在，氩弧焊过程中电弧无法直接对焊材310S不锈钢管加热，导致接头处310S不锈钢管熔合不完全，对焊接结构产生影响。检测焊接不良缺陷多采用超声波法，另外对断口试样进行观察也能够发现这一缺陷。
2.4未焊透。
在焊接过程中由于焊接操作问题，接头根部未完全熔化，就会产生未焊透的现象。导致这一焊接缺陷的原因包括：焊接速度快、焊接电流小，热输入太小；坡口角度小、深度大；焊枪角度不合理等。未焊透缺陷会导致焊缝的有效截面积减少，焊接结构所能承受的静载荷降低，进一步导致焊接位置应力集中，发生脆性断裂。检测未焊透缺陷缺陷多采用超声波法和射线法。
2.5焊接夹杂。
焊接夹杂是指焊接过程中电极上夹带的污染物浸入熔池导致焊接缺陷的发生。一般不同焊接电极夹杂的污染物类型存在差异。钨极夹杂物：在焊接过程中，钨极过热或在与焊料、填充料接触时被310S不锈钢管熔液污染，对后续焊接过程造成影响；黑色310S不锈钢管夹杂物：焊材、熔池、或电极被外来310S不锈钢管污染，并留存到焊接位置，对焊接结构产生影响；铜夹杂物：喷嘴、触管等多为铜制品，在氩弧焊过程中，由于极度高温，往往会夹杂其他物质，在焊接接口处形成脆性连接。在焊接过程中焊接夹杂一旦发生，操作者应立刻停止作业，清除污染物，除去缺陷部位，重新实施焊接。射线法对焊接夹杂的检测更加灵敏和清晰。
2.6气孔。
气孔问题也是焊接过程的主要缺陷之一。氩弧焊作业过程中要不断充入氩气，焊接过程和310S不锈钢管凝固过程中也会产生气体，在焊接时这些气体被保留到熔池中，随着凝固过程形成空穴，导致气孔的产生。气孔中气体主要包括两类，一种是由于熔池310S不锈钢管温度变化溶解度下降而析出的气体，主要包括氮气、氢气、氩气等；另一种是高温下310S不锈钢管发生冶金反应而产生的气体，主要包括水蒸气、一氧化碳等。导致气孔产生的原因主要有：在焊接前没有对焊丝或基材进行烘焙预热，或基材存在锈蚀情况，导致焊接过程中局部受热不均匀；电流过大或电极过长，温度变化速度过快；焊接速度快，出现未焊实的情况等。一般情况下，焊接结构中气孔体积小、分布不集中。但大量气孔的存在会对焊接结构的力学性能产生严重影响。气孔缺陷的检测方法相对多样，可采用目测法、超声波法、射线法和颜色渗透法等。
3氩弧焊焊接缺陷的有效防止策略
经过上文对氩弧焊焊接过程中常见缺陷的分析，以下针对缺陷产生原因介绍几种防止缺陷发生的有效策略。
3.1严格执行焊接工艺评定。
在焊接作业前严格执行工艺评定：对焊丝、基材的化学成分进行检测，确保焊接材料符合技术条件；根据焊接要求，确保氩气纯度达到要求；焊接前对焊接材料进行清理，确保焊接接头处无污染物，清理完成后立即实施焊接作业；焊接过程中尽量避免钨极与熔池的接触，并注意对钨极的打磨；选择温度、湿度合适的作业环境。
3.2选择合理的焊接工艺。
根据焊接项目选择合适的焊接工艺，以解决焊接过程中可能出现的应力和变形问题。例如，通过反变形法抵消难以避免的焊接变形，达到稳定焊接结构的目的。
3.3选择合理的装配焊接顺序。
各310S不锈钢管在焊接过程中都会产生惯性力矩，合理的装配焊接顺序能够通过平衡力矩作用，抵消310S不锈钢管间的焊接变形，减少焊接应力。例如，焊接对称焊缝要按照从中间到外周的顺序，如下图1所示，在夹具的稳定作用下进行焊接作业，尽量保持焊缝的自由收缩，以解决焊接结构在应力作用下的变形问题。
3.4选择合理的焊接方法。
氩弧焊作业过程中可采用细丝形式充入氩气，一方面降低焊接成本，提高生产效率；另一方面氩弧热量更加集中、焊接速度更快，焊缝热影响区更窄，能有效规避焊接变形问题，焊接质量更稳定。
3.5采用合理的焊接工装。
焊接工装能够对310S不锈钢管进行固定，有效控制焊接结构的变形情况。在框架、车型、车架等复杂结构或某些重要部件时，焊接工装能够通过固定310S不锈钢管位置，保证310S不锈钢管间应力和变形情况的平衡，以提高焊接结构质量。
4结论
焊接前严格的工艺检查与评价、科学合理的工艺选择和安排、完备的作业设备等都是有效规避焊接缺陷、提高焊接质量的有效方法。除了要具备丰富的理论知识外，操作人员在氩弧焊作业过程中还要针对实际出现的问题灵活应对，才能保证焊接结构性能的稳定。
1氩弧焊工作原理
氩弧焊是最常用的310S不锈钢管焊接技术之一，在焊接过程中利用惰性气体氩气做保护气，将焊接区域与周围空气隔绝开，以防止焊接部位氧化，提高焊接质量。氩弧焊技术的工作原理与普通电弧焊相似：利用高电流使焊材熔化形成熔池，作用到焊接基材，使焊材与被焊基材相互结合到一起。在焊接过程中需要对焊接区域不停地输送氩气，使焊接区域空气被氩气挤开，避免空气中的氧气在高温下加速对焊接区域基材的氧化。氩弧焊常用于对铜、铝等有色310S不锈钢管的焊接作业。根据氩弧焊电极的不同可将其划分为非熔化极氩弧焊（MAG）和熔化极氩弧焊（MIG），两者都是在氩气的保护下完成焊接过程，其区别在于：MAG是利用电弧在非熔化极（多为钨极）与工件间的作用使焊材熔化，完成焊接过程；MIG直接将焊丝作为通电电极，在高电流作用下，焊丝熔化为熔池，冷却后形成焊缝。MAG的焊接接头更加致密，力学性能更好；MIG更加方便，容易操作。目前我国常用的氩弧焊技术多为MIG。氩弧焊利用氩气进行焊接保护，熔池结晶过程简单，焊缝更加纯净；同时氩气可以对电弧形态进行控制，使热量集中，减小焊接应力与热变形的影响；电弧参数精确可控，焊接过程更加稳定；另外，氩气为惰性气体，在焊接温度下也不与焊材发生反应，保证了焊接质量，因此氩弧焊几乎适用于所有310S不锈钢管材料的焊接作业。
2氩弧焊焊接缺陷的检测及成因分析
2.1焊接裂纹。
裂纹是指焊接完成后，在应力作用下焊接位置的基材310S不锈钢管原子间结合键断裂而产生新界面，这些界面在焊接表面就会表现为裂纹。焊接裂纹主要包括热裂纹、冷裂纹两类，冷裂纹多发生在冷却过程中温度降至焊接310S不锈钢管的固相温度以下的阶段，常出现在角焊缝和开坡口焊缝底焊道上。热裂纹则指发生在焊接310S不锈钢管固相温度以上时焊接材料的凝固过程中，在氩弧焊中热裂纹相对常见。热裂纹的产生主要与焊材合金的化学组成有关，由于合金中各物质的熔点不同，焊接过程中结晶界面的合金元素出现偏析现象，焊接处310S不锈钢管原子间应力增大，导致结合键断裂、新界面产生，焊接位置出现裂纹。以铝合金焊接为例，氩弧焊过程中极少出现冷裂纹，但热裂纹很常见。铝合金膨胀系数较高、收缩应力大，焊接过程中熔化区间较宽，焊缝处容易形成热裂纹。另外，焊接速度、焊前清理与准备工作、焊缝深宽比，以及焊接310S不锈钢管的选材、焊缝设计、电流强度等都会对热裂纹的出现产生影响。小裂纹在临界尺寸以下，一般不会导致焊接结构在运行过程中直接断裂，但裂纹引发的三向应力、缺口效应、温度降低等问题，会使裂纹逐渐扩大，至临界值后最终导致结构断裂。裂纹相对其他缺陷，可能导致的后果更加严重，在电弧焊工程中对焊接结构的危害最高。根据焊接作业的结构不同，裂纹检测的方法也有所差异：内部裂纹常用的检测方法为超声波法和射线法；表面裂纹则多用染色渗透法；另外，金相法多用于对焊接材料裂纹的快速检测。在本文中焊接裂纹主要指焊接区域，尤其是焊接接头的局部位置由于310S不锈钢管原子受应力作用而发生结合键断裂，形成新界面，在焊接表面呈现出的缝隙。
2.2焊口裂纹。
焊口裂纹主要指焊接完成后，电弧停止使焊口温度出现突然变化，熔池凝固过程中产生裂纹。焊口裂纹往往从中心位置向四周扩展延伸，在应力相对集中的焊缝末端较为明显，因此虽然与焊接裂纹相比，焊口裂纹并不明显，但隐藏的结构问题不容忽视。
2.3焊合不良。
焊接不良主要指在氩弧焊过程中焊缝内310S不锈钢管熔液的连续性在凝固过程中受到破坏，导致焊接部位焊材与基材连接不良。焊接作业之前310S不锈钢管表面氧化膜清除不彻底是导致焊合不良的重要原因。由于氧化膜的存在，氩弧焊过程中电弧无法直接对焊材310S不锈钢管加热，导致接头处310S不锈钢管熔合不完全，对焊接结构产生影响。检测焊接不良缺陷多采用超声波法，另外对断口试样进行观察也能够发现这一缺陷。
2.4未焊透。
在焊接过程中由于焊接操作问题，接头根部未完全熔化，就会产生未焊透的现象。导致这一焊接缺陷的原因包括：焊接速度快、焊接电流小，热输入太小；坡口角度小、深度大；焊枪角度不合理等。未焊透缺陷会导致焊缝的有效截面积减少，焊接结构所能承受的静载荷降低，进一步导致焊接位置应力集中，发生脆性断裂。检测未焊透缺陷缺陷多采用超声波法和射线法。
2.5焊接夹杂。
焊接夹杂是指焊接过程中电极上夹带的污染物浸入熔池导致焊接缺陷的发生。一般不同焊接电极夹杂的污染物类型存在差异。钨极夹杂物：在焊接过程中，钨极过热或在与焊料、填充料接触时被310S不锈钢管熔液污染，对后续焊接过程造成影响；黑色310S不锈钢管夹杂物：焊材、熔池、或电极被外来310S不锈钢管污染，并留存到焊接位置，对焊接结构产生影响；铜夹杂物：喷嘴、触管等多为铜制品，在氩弧焊过程中，由于极度高温，往往会夹杂其他物质，在焊接接口处形成脆性连接。在焊接过程中焊接夹杂一旦发生，操作者应立刻停止作业，清除污染物，除去缺陷部位，重新实施焊接。射线法对焊接夹杂的检测更加灵敏和清晰。
2.6气孔。
气孔问题也是焊接过程的主要缺陷之一。氩弧焊作业过程中要不断充入氩气，焊接过程和310S不锈钢管凝固过程中也会产生气体，在焊接时这些气体被保留到熔池中，随着凝固过程形成空穴，导致气孔的产生。气孔中气体主要包括两类，一种是由于熔池310S不锈钢管温度变化溶解度下降而析出的气体，主要包括氮气、氢气、氩气等；另一种是高温下310S不锈钢管发生冶金反应而产生的气体，主要包括水蒸气、一氧化碳等。导致气孔产生的原因主要有：在焊接前没有对焊丝或基材进行烘焙预热，或基材存在锈蚀情况，导致焊接过程中局部受热不均匀；电流过大或电极过长，温度变化速度过快；焊接速度快，出现未焊实的情况等。一般情况下，焊接结构中气孔体积小、分布不集中。但大量气孔的存在会对焊接结构的力学性能产生严重影响。气孔缺陷的检测方法相对多样，可采用目测法、超声波法、射线法和颜色渗透法等。
3氩弧焊焊接缺陷的有效防止策略
经过上文对氩弧焊焊接过程中常见缺陷的分析，以下针对缺陷产生原因介绍几种防止缺陷发生的有效策略。
3.1严格执行焊接工艺评定。
在焊接作业前严格执行工艺评定：对焊丝、基材的化学成分进行检测，确保焊接材料符合技术条件；根据焊接要求，确保氩气纯度达到要求；焊接前对焊接材料进行清理，确保焊接接头处无污染物，清理完成后立即实施焊接作业；焊接过程中尽量避免钨极与熔池的接触，并注意对钨极的打磨；选择温度、湿度合适的作业环境。
3.2选择合理的焊接工艺。
根据焊接项目选择合适的焊接工艺，以解决焊接过程中可能出现的应力和变形问题。例如，通过反变形法抵消难以避免的焊接变形，达到稳定焊接结构的目的。
3.3选择合理的装配焊接顺序。
各310S不锈钢管在焊接过程中都会产生惯性力矩，合理的装配焊接顺序能够通过平衡力矩作用，抵消310S不锈钢管间的焊接变形，减少焊接应力。例如，焊接对称焊缝要按照从中间到外周的顺序，如下图1所示，在夹具的稳定作用下进行焊接作业，尽量保持焊缝的自由收缩，以解决焊接结构在应力作用下的变形问题。
3.4选择合理的焊接方法。
氩弧焊作业过程中可采用细丝形式充入氩气，一方面降低焊接成本，提高生产效率；另一方面氩弧热量更加集中、焊接速度更快，焊缝热影响区更窄，能有效规避焊接变形问题，焊接质量更稳定。
3.5采用合理的焊接工装。
焊接工装能够对310S不锈钢管进行固定，有效控制焊接结构的变形情况。在框架、车型、车架等复杂结构或某些重要部件时，焊接工装能够通过固定310S不锈钢管位置，保证310S不锈钢管间应力和变形情况的平衡，以提高焊接结构质量。
4结论
焊接前严格的工艺检查与评价、科学合理的工艺选择和安排、完备的作业设备等都是有效规避焊接缺陷、提高焊接质量的有效方法。除了要具备丰富的理论知识外，操作人员在氩弧焊作业过程中还要针对实际出现的问题灵活应对，才能保证焊接结构性能的稳定。
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