黄建明实战案例专栏 | 【案列14】焊缝横向裂纹产生的原因和解决方法

文章来源:微信公众号:航空无损检测
14 焊缝横向裂纹产生的原因和解决方法

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做好五个控制焊缝质量的环节,我们不单控制好横向裂纹,还可以得到高质量的钢结构,从而打造中国海工国际品牌。有好的质量和好的信誉,财源自然会滚滚来来



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实战案例专栏 /   案例14

目前 ,焊缝「横向裂纹」正肆无忌惮地横扫着中国焊接制造业,为各大企业带来重大的损失。


特别是做海外工程交货到国外后才发现「超级延迟」的横向裂纹,最后被业主要求惩罚性的巨额赔偿,令各大企业损失巨额金钱和商誉。


(远东无损检测信息网:近年国内知名钢结构公司国际钢结构工程中,据我所知有两家陷入横向裂纹事件,损失惨重,其中有一家被德国客户索赔6亿欧元)。


企业为了返修和重复检测不知花费多少人力物力和时间,可以用疲于奔命来形容。


是什么原因造成横向裂纹呢?怎样解决呢?


我相信我的有些方法可以把横向裂纹减至最少,而且是很便宜的方法。请看我以下的分析和解释。


横向裂纹产的原因分析


什么原因造成「横向裂纹」呢?有很多人都在调查研究,却无法找出真正原因和彻底解决的办法。


根据我这些年来在国内外的调查研究结果,我发现横向裂纹主要在埋弧焊(SAW)和气体保护药芯焊(CO2+FCAW)这两种焊接方法中产生,特别是CO2气体保护药芯焊。


我认为产生的原因不是单一因素造成的,正如我朋友说的,安全事故至少由两个以上的原因造成,比如说有人高处跳下由于地面是倾斜不平的,结果把腰给折伤了。


如果说地面是平坦的跳下没事,反过来说此人不跳下来那怕地面有刀子也没事啊!这就是说最少两个因素才造成安全事故。


横向裂纹则何止两个因素,它是多种因素造成的,我觉得用癌症的癌字来比喻横向裂纹最恰当。


我们的老祖宗在创造这个癌字时就告诉我们,癌症的癌字本身就是个病,它是由三个口吃进大量的毒素堆积如山才形成癌症的。


横向裂纹在我们常规的焊接中是很少见的,例如:气孔、夹渣、未熔合、咬边等是常见的,好像我们经常会有点伤风感冒和拉肚子;


偶尔也会出现纵向裂纹和焊趾边冷裂纹,也像我们在体育运动时不小心发生断手断脚的意外,这也是容易理解和防范的,而癌症是很少见的,但是见到它时已经是为时已晚了,判若死刑了几乎是没得救了。


横向裂纹也像癌细胞会扩散转移一样,返修时真是越修越裂,跟着气刨跑,遍地开花没办法修理。


我们焊接时也有三个口这就是:

1.母材;

2.焊材;

3.焊接过程。


1. 母材


含碳量高的高强度钢较低碳钢的容易产生横向裂纹,TMCP材料由于其独特的生产工艺,造成它是一种较敏感性材料,母材中含有其它非金属杂质多的、厚度大的、带有夹层的、表面有腐蚀生锈的等。


2. 焊材


埋弧焊和药芯焊两者的共通点是都有药粉(剂),它们在制造的过程中,各种配料所用的纯度不足或本身带杂质,都会影响焊缝性能。


焊材行业竞争激烈,为了保持利润改用其它便宜的配方或者用纯度不足的材料(偷工减料),这是会降低焊接性能或者叫抗裂能力的。


若有些焊材厂不注重每个生产环节,在生产的过程和库存时就受潮,等到用户使用时为时已晚了。


埋弧焊在焊接的过程中回收没有熔化的药粉时,会同时把其它杂质一同吸收回料斗之中,特别是卷管连续生产的螺旋焊缝,在机械强力卷管的同时大量的钢板表面氧化物(氧化皮)脱落与其它沙尘粉末焊渣等混合在药剂中再重新进入焊道熔池中,造成污染,再遇上药剂受潮、母材预热和保温不足时,也会产生横向裂纹。


不同品牌药芯焊丝的质量有参差不齐的情况,焊丝储藏和使用方法不当也是令焊缝产生横向裂纹的源头。


首先是原厂生产时就分为两种包装--普通包装和真空包装。在室内受控制的环境下用普通包装,再按厂家要求短时间内用完也没事。


若是普通包装储藏不当、运输途中保护不足、中间经销商的处理不当令焊丝受潮,又在没任何防护措施的天然环境下使用焊丝,让焊丝进一步受潮和其它污染,也是会造成横向裂纹的。


无论是普通包装还是真空包装,厂家都要求用户在开封后24小时内使用,中途小休不用时将焊丝存放于干燥箱中。


若在户外有雨、雪、露水和海风的地方焊接,必须将焊丝用一个有防水性能的保护罩罩住来使用,开封后超过24小时无论是否有保护罩或存放干燥箱都不得再使用。


这一点在我们中国好象没有人知道似的,我们无论在室内室外都是没有用保护罩的,任凭风吹雨打,完全没有时间观念,也没有室内室外有所不同观念。


其实即使在室内,在春冬季节、阴冷潮湿的气候下,室内也是很潮湿的,我们是一卷15公斤的焊丝可以连续超过24小时、48小时甚至「长年使用」都行,这种严重的错误行为我们却习以为常。


请看以下一家国外品牌的焊丝厂对用户提出的「药芯焊丝储藏和使用注意事项」: 


- Storage Conditions and Usage with FCWS 

药芯焊丝储藏和使用注意事项


1.Packing of wires 包装的焊丝


Each wire spool shall be covered with a polyethylene film and further packaged in the corrugated box for protection during transportation or storage.

每卷焊丝应当用聚乙烯薄膜覆盖,并进一步在瓦楞纸箱包装,运输或贮存过程中保护。


2.Recommendable storage condition for non-opened wires in corrugated boxes非开封瓦楞纸箱推荐的存储条件


     2.1 Wires should be stored in a warehouse free of rain, snow, or dew etc.

焊丝应存放在仓库无雨、雪、或露水等

     2.2 They should not be put on floor directly but on a wooden pallet.

它们不应该直接放在地板上,但可以放在木质托盘上。

     2.3 It is desirable that they are stored in a place of less humidity

它们应该存放在一个湿度较低的地方。


3. Countermeasures about open-packed wires开封焊丝的对策


     3.1 It is not necessary to re dry them. If re drying, the plastic spool might be transformed by heat.

这是没有必要重新干燥它们的。如果再干燥,塑料芯盘可能受热变形。

     3.2 When welded at the place suffered from rain, snow, dew and sea breeze etc., the wire feeder should be protected by water proof cover.

在遭受到雨、雪、露和海风等的地方焊接时,应该用有防水功能的盖罩住送丝机

     3.3 It is desirable that they are used in a place of less humidity.

它们应该在湿度较低的地方使用

     3.4 Spool-opened wires should be used within 24 hours, if they are left after working, they should be stored under dry conditions.

焊丝开封后应在 24 小时内使用完毕,完工后如果有剩余焊丝留下,应存放在干燥的条件下。

     In this case, the surface of each wire should be covered with a polyethylene film or sheet for protection.

在这种情况下,每根焊丝表面应覆盖聚乙稀膜或保护膜。


3.焊接过程


焊接过程是其中最主要的原因。焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定包括:


焊接方法、焊前准备加工、装配、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。


3.1  在焊接过程中从坡口预制、打磨、组对、坡口角度间隙、表面处理、工件预热、保温、焊后缓冷除氢等等;


3.2  是否严格按已经做好的焊接工艺操作;


3.3  焊工是否持相应合资格;


3.4  焊接环境是否有做到防风、防雨、防雪、防露水、防潮气并且做到透光透气照明适当的安全可靠的;


3.5  焊缝表面是否清除油污、水迹、铁锈;


3.6  是否过分使用碳弧气刨,开坡口、清根、多次返修后没有将其碳化物清除而进行焊接,气刨的压缩空气是否除水;


3.7  焊机和焊枪的保养维护不当,无法发挥应有焊接性能;


3.8  焊接过程中对焊丝没有采取应有保护和使用超过时限或者使用已经受潮受污染的焊丝;


3.9  埋弧焊的药剂使用不同品牌的焊丝,药剂没有充分烘干,药剂在回收过程将钢板氧化物(氧化皮)、其它杂质、焊渣、沙尘粉末等一并吸收,再次投入焊接时造成;


3.10  工件组合的内应力过大,没有控制焊接变形,所带来的拘束应力过大超出焊缝所能承受的拉应力;


3.11  NDT检验过高地要求而返修反造成更多的缺陷;


3.12  厚度大焊道多的焊缝也是原因之一,焊缝中的杂质堆积会产生累积效应而产生横向裂纹;


3.13  焊缝的排列形状和次序也会影响焊缝内的拘束力(内应力),当然还有其它焊接过程的不当事情我在此就不一一例出了。


总结


虽然横向裂纹产生的原因是多方面的,但是我个人认为主要原因在药芯焊丝,母材方面的问题较少,因为我们所用的海洋钢结构都是普通低碳低合金钢,焊接工艺也是成熟的和常用的,我们主力放在药芯焊丝的监控方面。


我有 10 个「焊丝使用守则」的建议:


1.   尽可能都用真空包装;

2.   用小容量5kg包装(或者在高空、露天场地、狭窄环境等等);

3.   在露天场地用防水性能的盖罩罩住焊丝进行焊接;

4.  中途休息或超出1小时不焊接时存放在干燥箱内;

5.   开封后超出24小时不得再使用;

6.   拆封时若见到生锈和变色不得使用;

7.   使用途中焊丝雨水淋湿或其它污染不得再用;

8.   同一批号焊丝出现横向裂纹时停止使用,直到查出原因为止;

9.   若有可能我们可以像派驻钢板厂验收钢板材料一样,全程监控焊丝的生产、库存、运输等过程;

10.  采取退货索赔和不再采用的惩罚制度选择质量信誉好的焊材厂。


80 年代和90年代国内还没有能力生产药芯焊丝,我曾经为香港两个日本公司设计CO2气体保护药芯焊生产线,用的全部国外药芯焊丝。


24 小时连续工作,成年累月并且在露天场地,我只是用油桶罩住焊缝进行焊接的,成千上万的构件无论是春夏秋冬从未见过横向裂纹。


现在外国品牌进入国内生产,国内也有些厂家能够生产药芯焊丝了,所以问题就来了。


那会我在国内参观一家国际上最有名气的焊材厂,他们是通过收购一家在国内设厂的台资焊材厂,然后挂外国品牌用台湾机器、国内人管理和生产。


生产设备并不先进,再加上凡事差不多的工作态度,让我看到在 3 月初春的江南, 天阴正下着小雨,阴霾迷雾非常潮湿,乍暖还寒的天气特别令人感到阴冷阴冷的,连我穿著羽绒大衣都感觉寒气逼人。


车间门口是敞开的在不受控制温度和湿度的环境下生产,这样做本身就会使焊丝可能受到潮了。


很多人以为药芯焊丝是密封的,其实不然,它是由薄钢板卷入药粉的,无论它卷成管状是多么严密,它一样会吸入潮气,就像我们做渗透探伤原理的毛细管渗入,中心干燥药粉是很容易将潮气吸入。更可恨的是还不能像手工电焊条那样用高温把它再烘干。


多年前,我曾经在建造车间的门板上看到一张惩罚焊工的通告,是说有位焊工因为保温筒的电源线松脱没有及时接上,让QC人员发现结果要被罚款人民币100元,想想看我们的农民工多年前的工资能有多少个100元?这是多么严厉啊!


为什么要这么严厉呢?


因为我们都知道,低氢焊条如果受潮就会引起延迟裂纹,这是在用焊条的年代大家早已形成的共识。


可是现在我们很多人都不知道药芯焊丝比电焊条更为要求严厉,特别是有些焊接大师傅盲目的认为药芯是万能焊丝,只看到它的效率没有看到它最危险的一面。


我认为药芯焊丝比焊条更要严格管理,现在我们所有参与建造的人都要知道药芯要像焊条那样防止受潮,形成共识共同监管药芯焊丝。


将管理电焊条方法用来控制药芯焊丝,我相信横向裂纹马上会大大减少。


保证焊接质量的五大控制环节:


1.   安全舒适的焊接工作环境;

2.   适用的焊接工艺规程及标准化作业;

3.   高质量的焊接材料;

4.   高性能和稳定性的焊接设备;

5.   优秀焊工的操作技能和经验。


做好五个控制焊缝质量的环节,我们不单控制好横向裂纹,还可以得到高质量的钢结构,从而打造中国海工国际品牌。有好的质量和好的信誉,财源自然会滚滚来来。


以上是我个人的经验分享,希望能帮助各位。


(记2012年9月3日)



关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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