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焊接件是各类工程机械设备结构中的重要组成部分。在施工作业过程中，焊接件开裂是设备常见故障之一。焊接开裂时，会影响设备正常运行，甚至造成无法作业，导致停工。对工程机械常见焊接件开裂与修复技术的研究，是设计、工艺与维修人员密切关注的课题。
随着工程机械焊接结构趋向于高参数、大型化、耐磨、重载、轻量化的方向发展，焊接构件制造也不断应用新材料、新工艺、新技术。焊接构件不仅要满足产品设计性能、参数要求，还要求焊接接头具备更高的可靠性，同样对焊接件开裂预防与修复技术也要求更加严格。
1 焊接开裂的基本原因
企业在产品结构件设计、加工、检验等过程建立了有效的质量控制体系，力求提高焊接接头性能，达到预防、消除焊接缺欠，保证焊缝可靠性的目标。但是，焊接由于其自身的特点而被视为“特殊过程”。
这是因为焊接作为一种热加工技术，其随后的检验根本无法充分验证其加工结果，不能完全控制与了解焊接接头性能是否达到了预期的要求。事实上，所有的焊接产品都是带着这种未知的“问号”进入用户的手中运行和使用。
在设备作业运行中，当构件受到冲击、拉压、扭转、弯曲载荷与过载、震动、环境温度变化等复杂工况时，避免不了形成裂纹，裂纹逐渐扩展导致焊接开裂直至构件断开失效。所以这种“特殊过程”的缘故，造成焊接接头性能的不稳定性，导致接头强度下降，是焊接开裂的基本原因。
2 焊接件类别与焊接开裂分析
工程机械产品品种繁多、焊接件几何形状复杂，尺寸、重量相差悬殊，工序长短和复杂程度也各不相同。大都是采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等焊接工艺方法。
对工程机械产品焊接件分类并进行开裂分析：
2.1按焊接件结构特点，见表一。
表一
2.2按焊接件功能，见表二。
表二
2.3按钢材强度级别，见表三。
表三
通过以上对焊接件分类与焊接开裂的分析可以看出，焊接件开裂主要集中在工作装置类构件。这是因为此类焊接件不仅结构复杂、承受大的工作载荷，抗变形能力差，而且采用的钢材品种多、强度级别高，焊接施工难度大。是常见易开裂的焊接件。
3 焊接件常见裂纹与开裂的特点
3.1氢致裂纹
这是一种最常见的冷裂纹。它往往不是焊后立即出现，而有一段孕育期，延迟一段时间才产生，亦称延迟裂纹。这种延迟现象主要由氢引起，因此又称氢致延迟裂纹，或简称氢致裂纹、氢裂纹。
氢致裂纹开裂部位：对于强度不很高的碳钢与合金结构钢焊接接头，往往先在热影响区粗晶区开裂，扩展到其他区域；强度很高时往往先在焊缝区开裂，扩展到热影响区。
按开裂位置可分为：焊缝金属裂纹、热影响区裂纹；
按相对焊缝的启裂和扩展位置，热影响区氢致裂纹通常有三种形态和部位：
⑴ 焊趾裂纹 一般起源于焊缝趾部（焊缝表面与热影响区交界处）具有明显应力集中的地方，再向热影响区和母材延伸。
⑵ 焊根裂纹 这是最常见的氢致延迟裂纹，起源于第一层焊道根部与热影响区相交处应力集中****的部位，然后向热影响区和焊缝延伸。究竟向何处延伸，取决于母材和焊缝的强度，塑性、和根部的形状。
⑶ 焊道下裂纹 发生于焊道下方离熔合线不远的粗晶区内，其走向大体于熔合线平行。是一种微小裂纹，往往不能在焊件表面发现，它不是一条连续裂纹，而是由一条条小的显微裂纹集合而成。这种裂纹往往在使用含氢量较高的焊条、小线能量电弧焊接高强钢时现。
引起氢致开裂的原因：硬化组织、应力、和扩散氢，其中扩散氢为主导因素。
3.2 淬硬裂纹
由淬硬组织引起。某些钢种淬硬倾向很大，焊后冷却过程中，由于相变产生很脆的马氏体，在焊接应力的作用下引起开裂。这种开裂与氢的关系不大，没有氢的作用也会开裂。
例如：弹簧钢、Mn13耐磨钢、某些高强钢以及异种钢焊接时，都可能出现这种裂纹。它的产生既然不取决于氢的存在，也就没有裂缝延迟出现的特征，在焊后可以立即发现。
3.3焊缝表面缺陷引起的裂纹
由于施工操作不当造成的焊接缺陷，也是产生焊接裂纹的重要因素。主要有：焊缝表面形状不符合技术要求。如余高过大、咬边、弧坑、熔合不良等缺陷。
焊缝表面缺陷一般具有明显应力集中、形成裂纹源，或焊缝截面尺寸减小， 承载强度降低，造成焊接开裂。
3.4 疲劳裂纹
疲劳是由于在重复载荷的作用下，导致焊接接头或材料产生裂纹，开裂、扩展、失效的一个过程。工作应力往往远远低于材料的屈服强度。钢材的强度越高，缺口效应引起的应力集中程度对钢材疲劳强度的敏感性就越大。
3.5施工不当，焊缝存在熔合不良、未焊透、咬边等缺陷，造成焊缝金属有效厚度不足，承载强度降低，形成裂纹。
4 焊接开裂修复
焊接开裂修复是工程机械施工过程中设备维修常见的手段，由于受施工现场加工设备、材料、工具、工人技能水平等条件的限制。一定程度上会给正确、有效的焊接修复带来影响。因此，了解与掌握合理、可行的焊接修复技术，很有必要。
4.1实物焊接开裂分析
实物焊接开裂分析是根据开裂的形态、位置分析导致焊接开裂的原因。目的是为了正确制定焊接修复方案和焊接修复工艺方法提供依据，防止焊接开裂再次产生，力求修复后焊接件满足设备正常作业，保障施工。实物焊接开裂分析主要从以下几方面进行。
4.1.1开裂状态分析：
观察开裂出现在焊接件的位置与形态。开裂的位置是在焊缝上还是在母材上，测量开裂长度尺寸、扩展方向、断口特征；开裂部位的焊接件变形状况，分析焊接件开裂与工作载荷的关联因素。初步确定焊接开裂是由焊接缺陷引起还是设备作业过载引起。
4.1.2化学成分分析：
化学成分分析是判定母材焊接工艺性（可焊性）、进行焊接工艺评定与制定焊接修复工艺的重要依据。通过母材的化学成分计算碳当量判定母材的可焊性。
⑴ 工程机械焊接件常用钢材碳当量与可焊性参见表四。
表四
⑵ 有条件时对缺陷部位的母材用手电钻打孔，取铁屑样进行母材的C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、V、Cu等化学成分进行检验，确定母材的化学成分含量、再查阅相关金属材料手册等技术资料判定母材牌号、强度级别，通过计算母材的碳当量判定母材可焊性。
4.1.3焊接件结构特征分析
焊接件用钢板厚度尺寸较大时，刚性较强，因而焊缝拘束度较大。焊缝在冷却过程中的收缩变形大量存在于焊缝金属中，容易产生较大应力，引起焊缝裂纹，因此在焊接修复时要采取相应对策。
4.2 焊接修复方案与修复工艺制定
4.2.1焊接修复方案制定主要是根据焊接件开裂的程度、焊缝形式及维修场地具备的焊接设备、焊接材料、焊工等条件制定可行的修复施工方法。
4.2.2修复工艺制定内容
⑴ 焊接方法：焊接修复一般选择焊条电弧焊或气体保护焊。包括采用焊接材料、焊接设备、预热等内容。
焊接材料的选择。焊接方法首先是焊材的选择，焊材选择原则是依据母材的强度要求来确定。工程机械重要焊接件较多采用屈服强度为275-345Mpa的钢材如Q345（16Mn），一般采用等强匹配原则。
随着工程机械焊接结构趋向于高参数、大型化、耐磨、重载、轻量化的方向发展，采用了低合金调质高强钢。在此类钢材强度级别较高时，焊材选择以保证焊接接头的塑韧性的原则可采用低强匹配。
焊接设备选择。焊接设备选择根据选择的焊材种类、修复场所具备的条件确定选用交、直流弧焊电源。
预热。预热主要根据母材的焊接性较差、板材厚度尺寸大、低温环境施工等来确定。以保证焊接接头性能，提高焊接接头抗裂性。
当母材的碳当量≥0.45、板材厚度尺寸≥80mm、环境温度≤5℃进行预热。 一般焊材选择参见表五。
表五
⑵ 焊缝坡口形式设计
坡口制备是保证焊缝良好熔合与熔透性的关键工序，根据开裂部位确定焊缝坡口形式是修复工艺的重要内容。坡口形式根据焊缝形式与板厚尺寸确定。
一般板厚≤4mm,对接焊缝可不制备坡口，在板厚≥5mm为保证焊缝熔透性，要制备坡口，由于焊接修复施工容易受到坡口加工、焊接位置等条件的限制，一般采用单面焊。较多采用单面V形坡口或V形坡口形式。
⑶ 焊接工艺规范制定
焊接修复工艺规范内容主要有焊材牌号、焊材规格、焊接电流、电弧电压 保护气体种类流量、焊接速度、预热温度等。
选择工艺规范时要考虑焊接接头的性能。尤其是碳当量较高的母材焊接接头热影响区对焊接规范要求严格。焊接修复前，应进行工艺评定或工艺试验确定合理的工艺参数。
4.3焊接修复施工及要求
4.3.1工件清理
焊接修复前，将焊接件开裂部位周围粘附的泥土、油污、水、锈蚀、油漆等污物彻底清理干净，露出金属光泽。
4.3.2矫形
焊接件往往在开裂部位通常产生不同程度的变形，在焊接修复前对变形部位进行矫正，焊接变形矫正采用加热矫正、机械施力矫正及两种方法结合运用。 采用火焰加热矫正方法，加热温度在600－800℃，同一加热位置加热次数不应超过两次。焊件热状态矫正，一般不得在蓝脆温度（250－500℃）进行，冷状态矫正不得在环境温度低于－12℃进行。
4.3.3焊前准备
检查焊条、焊丝牌号、规格与焊接用气体、电焊机型号是否符合工艺要求。 焊条按要求进行烘干与保温，一般酸性焊条根据受潮情况在75－150℃烘干1－2小时；低氢型焊条烘干温度在350－380℃，保温时间1.5－2小时，烘干后应缓冷放置于110－120℃的保温箱中存放、待用。
实心焊丝应无油污、锈蚀、镀铜层应完好无损。操作者对焊接机械设备、工具、吊具、防护用品及工位场地进行自检，确认符合安全操作规程。
4.3.4缺陷清除与坡口制备
⑴焊接件缺陷为裂纹时，根据检测确定的缺陷位置、长度尺寸、深度尺寸，用火焰切割方法、凿除、砂轮打磨等方法清除缺陷。
清除裂纹前应在裂纹两端打止裂孔并清除裂纹及其裂纹两端30－50mm长度的焊缝或母材。应将刨槽加工成四侧边斜面角大于15°的坡口或按工艺要求制备坡口。
⑵焊接件缺陷为裂断或断开时，分别对断口进行清理、进行坡口加工。 采用氧－乙炔火焰切割后，必须将坡口面切割熔渣与氧化物用砂轮打磨清理干净，露出金属光泽。
4.3.5装配焊接
坡口装配间隙应符合工艺的规定，一般对接坡口间隙为1～3mm，角焊缝坡口装配间隙为0～2mm。
定位焊缝的长度为焊接接头中较薄板厚度的4-5倍，间距不得超过300mm，定位焊缝的高度不得超过正式焊缝的2/3，****不超过6mm。定位焊应布置在焊缝交叉口的50mm以外，定位焊缝的起弧与收弧应平滑过渡。定位焊焊缝不得有裂纹，否则必须清除重焊，定位焊焊缝如存在气孔、夹渣应清除。
焊前预热用大号气焊焊矩、割枪、电加热板或专用喷枪、火焰加热器加热；采用红外测温仪测温。预热时的加热区域应在焊接坡口两侧，宽度为各焊件施焊处厚度2倍以上，且不小于100 mm。预热温度一般在100－150℃。
焊接要求焊接施工应在装配－定位焊检验合格后尽快进行。低合金高强钢、合金钢或焊件厚度超过300mm，应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧，也不得在焊缝端部引弧。
在未作预热要求的情况下，焊接环境气温低于10℃或相对湿度大于85％，应将焊缝区加热到20℃以后再焊接。
多层焊接时，施焊过程中控制层间温度不超过规定的范围。焊接预热时，应控制层间温度不得低于预热温度。碱性焊条施焊时，应采用短弧焊。 4.3.6焊接检查
所有焊缝外形均匀、成形良好。焊道与焊道、焊道与基本金属间过渡平滑，焊渣与飞溅清除干净。角焊缝焊道与基本金属平缓过渡。所有焊缝均不得存有裂纹、烧穿、熔合不良等缺陷。
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