工具焊接缺陷分析

简介工具焊接常用的对焊、摩擦焊、钎焊3种方法产生的常见缺陷，展示缺陷实例，并列出了防止措施。

1  序言

焊接是机械制造中非常重要的热加工工艺，也是一门综合性的科学技术。由于焊接具有独特优异的经济技术指标，已被广泛应用于国民经济各部门。以下简介工具行业常用的对焊、摩擦焊、钎焊产生的各种缺陷，并展示缺陷实例，希望业界同行从中受益，防止发生类似的问题，力争少出废品、节材节电，为企业增效。

2  对焊缺陷

对焊是将两种金属焊件分别夹持在两夹头中，电流通过两金属的连接端加热至塑性或熔化状态，在轴向压力的作用下产生永久连接。由于焊接处两种金属的化学成分、膨胀系数及塑性均不同，因此在焊接和热处理过程中焊缝往往是产生缺陷最集中的地方。

对焊常见缺陷如下。

2.1 焊缝尺寸不符合技术要求

该缺陷系指焊缝余高及余高差、焊缝宽度及宽度差、错边量、焊后变形量等不符合标准规定的尺寸，例如焊缝高低不平、宽窄不齐、变形较大等。产生此缺陷的主要原因是：坡口角度不合适、钝边及装配间隙不均匀、焊接参数选择不合理，以及焊工操作技能较低等。

2.2 咬边

由于焊接参数选择不当或操作工艺不正确，沿着焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷俗称咬边。咬边不仅减弱了焊接接头的强度，而且因应力集中而容易引发裂纹。

2.3 未焊透

该缺陷是指焊接时焊接接头未完全烧透的现象。未焊透处会造成应力集中，并容易引起开裂，因此焊接接头不容许存在未熔透缺陷。

2.4 未熔合

未熔合是指焊接时，焊道与母材之间、或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分。未熔合直接降低了焊接接头的力学性能，未熔合严重时会使焊接结合体无法承受载荷。

2.5 焊瘤

该缺陷是指焊接过程中已熔化的金属流淌所形成的金属瘤。焊瘤不仅影响了焊缝的成形，而且在焊瘤部位往往还存在夹渣和未焊透等缺陷。

2.6 弧坑

在焊缝收尾处产生的下凹部分叫弧坑。弧坑不仅使该处焊缝的强度严重受损，而且由于杂质的集中，因此会产生弧坑裂纹。

2.7 气孔

焊接时熔池中的气体在凝固时未能及时逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔。气孔的形状多种多样，气孔的存在不但影响焊缝的致密性，而且减少了焊缝的有效截面积，从而降低焊缝的力学性能。

2.8 夹渣和夹杂

夹杂是残留在焊缝金属中由冶金反应产生的非金属夹杂和氧化物。夹渣是残留在焊缝中的熔渣。夹渣种类可分为点状夹渣和条状夹渣。夹渣削弱了焊缝的有效截面积，从而降低了焊缝的力学性能。另外，夹渣还会引起应力集中，进而使焊件在服役时突然失效。

2.9 裂纹

对焊裂纹是常见的一种缺陷，按产生的温度和时间的不同可分为冷裂纹、热裂纹和再热裂纹；按产生部位的不同可分为横向裂纹、纵向裂纹、焊根裂纹、弧坑裂纹、熔合线裂纹及热影响区裂纹等。一旦产生焊接裂纹，不但使产品报废，还会产生严重的事故。

3  摩擦焊缺陷

两焊件（大小相近的棒材）在结合处利用相对旋转摩擦生热，使两端面结合处加热到1000℃左右的塑性状态，然后迅速停止旋转，并加上轴向压力而达到连接的目的。

摩擦焊虽然不会产生像上述对焊那样的气孔、缩孔、疏松之类的缺陷，但当端面焊接准备工作不足、焊接工艺规范选择或控制不当时，常引起未焊合、氧化夹杂及孤形裂纹等缺陷。

4  钎焊缺陷

钎焊也称“钎接”。利用熔点比焊件低的焊料（填充金属）与焊接连接处一同加热，在设定的高温下焊料熔化后渗入并填满连接处的间隙，达到连接牢固的目的。钎焊与其他焊接一样会产生各种缺陷，概括主要有以下3种。

4.1 致密性差

钎焊接头中的夹渣、夹气、夹气-夹渣、气孔和未焊透等均属于致密性低的缺陷，大多存在于焊缝内部，但经机械加工后，就会暴露于焊缝表面。这种缺陷会降低焊接接头的气密性、水密性、导电性及接头的强度。

4.2 裂纹

钎焊过程中产生的裂纹比对焊要少得多，但由于不均匀的急冷，因此裂纹也时有发生。

4.3 针焊接头熔蚀

由于钎焊过程中钎焊金属向液态钎料过度熔解，因此会在焊件表面出现熔蚀缺陷。这主要由于钎料置于钎焊缝的一端，致使焊件金属过度熔解而造成凹陷，严重时会熔穿。

5  各种焊接缺陷实例

5.1 对焊错位

由于对焊机两夹具中心不对称，因此预热时焊件端面部分接触处金属熔化量过大，且熔化不均匀，使顶压后焊件中心不重合，属于低级错误。图1所示为M2钢和45钢焊接的错位实物。

图1  焊接错位

5.2 对焊局部烧伤

图2所示为M2钢和45钢对焊烧伤的实物照片。若焊接夹具钳口不平，则其局部未与工件紧密接触，通电后因钳口与工件之间产生电弧而形成烧伤。另外，也可能是钳口上有脏物，使局部电阻增大，从而形成烧伤。当烧伤程度大于机械加工余量时，会使焊件报废。

图2  局部烧伤

5.3 对焊焊缝断裂

由于预热温度太高，焊缝处形成大的应力。同时在焊接过程中因夹具松动，夹头重量作用在焊缝上，使焊件产生弯曲变形，因弯曲应力的影响而造成焊缝开裂，如图3所示。

图3  焊缝处断裂（未浸蚀）

注：图中黑色部分为裂纹经退火后被氧化；白色为焊合部分。

5.4 对焊焊缝莱氏体

W18高速钢在焊接过程中，由于加热温度超过1300℃，因此焊缝处的金属处于熔化状态，不可避免地会出现莱氏体组织。如果焊接时采用的电压过高，产生较多的熔化金属、再加上切断电流时的顶压力太小，使已熔化的金属未能全部挤出，则凝固后形成大量的过烧莱氏体组织，这将大大降低焊缝强度，使其在服役过程中易折断。图4所示为焊缝处挤入45钢的金相组织。

 图4  焊缝处挤入中碳钢的莱氏体组织（500×） 

注：图中左侧为高速钢部分：回火马氏体＋碳化物；右侧为中碳钢部分：铁素体＋莱氏体＋珠光体。

5.5 对焊焊缝裂纹

对高速钢来讲，焊缝裂纹是在断口上呈月牙形氧化膜，该氧化膜细致而整齐，比较隐蔽，不容易被发现，在淬火后校直时常被压断。图5所示为焊缝断面裂纹形貌。

  图5  焊缝断面裂纹形貌（未浸蚀）

5.6 摩擦焊产主的裂纹

该裂纹发生在高速钢临近焊缝处，其特征是平行于焊缝向心部扩展，如图6所示。焊缝到裂纹之间的距离在0.50～5.0mm。在圆柱形工具的横截面上，裂纹常呈现一个不封闭的圆环，而在纵截面则呈平行于焊缝的直线状，因此沿裂纹断裂时形成一个几乎平行的平状断口。若工件产生了这种裂纹，在淬火前轻轻扔一下或从1.5m高处自由落体就会断为两段。

  

a）在圆柱形工具的表面

b）沿圆柱形工具的纵截面

c）在扇形工具的表面

 图6  焊接时形成的裂纹分布情况

5.7 钎焊夹杂

机械刀片的刀刃常用高速钢或基体钢，刀体用碳素钢，用铜作为焊剂，如焊接清理不干净或地面上的尘土被吹扬到焊面上，就会形成夹杂缺陷，如图7所示。

  图7  夹杂缺陷

6  防止焊接缺陷的具体措施

从以上分析不难看出，对金属材料焊接性能的研究仍然是以接头组织和性能的演变和改善、缺陷的形成与防止、焊接性的评价为主线。

6.1 对焊缺陷仿止措施

由于对焊的两种材料化学成分、膨胀系数以及塑性等性能均不相同，并且在焊接和热处理过程中各种因素的影响下，焊缝是产生缺陷最集中的地方，因此就要对症下药，采取相应的防止措施。

1）导电性、导热性越好的金属，对焊时吸热越小、散热越快。为了获得沿焊件轴向良好的温度分布,焊接时应选用较大焊机功率和较高闪光速度及顶压速度。

2）高温强度越高的材料，其塑性变形阻力越大，顶压时必须施以较大的压强。为了减小顶压力，可以通过调节闪光参数、减少端面附近的温度梯度，以使高温塑性区能宽一些。

3）45钢的结晶温度约为400℃，该区间越宽，表明固-液共存区越宽，顶压时就应该选用较大的顶压余量和顶压力才能将半软化状态的金属完全挤走，否则易产生缩孔、疏松等缺陷。

4）对焊预热、焊后缓冷、及时退火对防止和减少裂纹有益。

5）为避免焊件在热处理过程产生裂纹而引起质量纠纷，建议不要超焊缝范围（盐浴加热）淬火。

6.2 摩擦焊缺陷防止措施

摩擦焊最常见的缺陷是裂纹，为了仿止裂纹的发生，一是要优化焊接工艺，焊后立即保温，及时退火。二是采用参数记录仪监视工艺过程，并及时采样作破坏性试验来保证焊接质量。

6.3 钎焊缺陷防止措施

选用合适的焊剂，严格执行钎焊工艺，关注周围环境对钎焊质量的影响。另外，应适当减缓淬火冷却速度，避免钎焊面被锤击、划痕或冷作硬化。

7  焊接质量检验

为减少和避免焊接缺陷，必须强化质量检验，按过程可分为焊前检验、焊接过程检验、焊后检验3个阶段。

7.1 焊前检验

大部分企业对焊前不作检验，结果就出了问题，但后悔已晚。焊接检查的项目有如下几个方面。

（1）原材料检验  材料来源、单据、合格证、表面质量及尺寸等。

（2）焊件的生产准备  包括坡口的选用、坡口角度、钝边加工质量、配合面及其加工质量等。

（3）焊接装机检验  钎焊前应对焊剂、铁丝捆扎、加强点、装配工艺及定位焊点均要严格检验。

（4）焊接环境检验  包括焊接施工当天的天气情况、风速、相对湿度、灰尘及最低气温等。

（5）焊前预热检验  包括焊件的预热方式、温度及范围等。

7.2 焊接过程检验

为防止和及时发现焊接缺陷，保证焊件在焊接过程中的质量，必须坚持焊中检验，以自检为主、巡检为辅，主要有以下几个项目。

1）焊接工艺方法检验。检查焊接工艺方法是否与焊接工艺规程规定相符，若不符合审批手续，则不能盲目生产。

2）焊接材料检验。在对焊及摩擦焊时，应检查材料特征、颜色、型号标注、尺寸及焊缝外观，另外还要检查焊接材料是否同炉号等。

3）焊接工艺纪律检查。

4）焊接温度检查。

5）焊件表面质量检查。

6）焊后热处理检查。按工艺要求保温、及时退火等。

7.3 焊后检验

焊后检验是焊接检验的最后阶段，其目的是保证焊件质量完全符合工艺技术要求，尽量减少废品，为企业增效。

8  结束语

目前，对焊、摩擦焊、钎焊仍以手工操作为主，由于各种原因难免会出现这样或那样的缺陷，但只要我们认真对待，严格按工艺要求操作，加强质量检验，并关注周围环境对焊接质量的影响，就可以大大减少焊接缺陷，提高正品率。

参考文献：

[1] 王广生，等. 金属热处理缺陷分析及案例[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[2] 李晓延. 国际焊接学会（IIW）2019研究进展[M]. 北京：机械工业出版社，2020.

责任编辑：乔欣 

审核人：游小秀

来源：安徽嘉龙锋钢刀具有限公司