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1、引言
    鄂式破碎機廣泛用于公路、建筑工程機械中，由于其工作時受沖擊載荷作用，所以提高其焊接質(zhì)量，是焊接生產(chǎn)中研究的問題。某廠生產(chǎn)的鄂式破碎機機架采用16mm和12mm鋼板，結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為16Mn，焊縫采用手工電弧焊。產(chǎn)品出廠后，使用一個月左右，多臺機架主焊縫開裂，返修時發(fā)現(xiàn)主要是焊縫中氣孔和裂紋。本人經(jīng)過深入的調(diào)查和分析，提出了一些工藝措施。
    2氣孔和裂紋的危害
    氣孔是焊接中常見的缺陷之一。氣孔的存在首先影響焊縫的致密性（氣密性和水密性），其次將減小焊縫的有效面積。此外，氣孔還將造成應力集中，顯著降低焊縫的強度和韌性，對結(jié)構(gòu)的動載強度有顯著的影響。人們通過研究統(tǒng)計X射線探傷底片上的缺陷，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)都是氣孔（80%左右），其次為夾渣、未焊透、裂紋。因此，防止氣孔是保證焊縫質(zhì)量的主要內(nèi)容，也是提高焊縫一次合格率的主要措施。
    裂紋是焊接連接中最危險的缺陷。按產(chǎn)生的時間不同，可分為熱裂紋和冷裂紋，前者是在焊接時產(chǎn)生的，后者是焊縫冷卻過程中或冷卻后產(chǎn)生的。在焊接結(jié)構(gòu)中，使用過程中產(chǎn)生冷裂紋往往是很嚴重的質(zhì)量問題。冷裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展一般都比較隱蔽、時間較長，平時不會引起操作人員的注意，但一旦發(fā)生其后果卻是災難性的。
3、焊接氣孔和裂紋的產(chǎn)生
    3.1氣孔
    構(gòu)成氣孔的氣體，一是來自于周圍介質(zhì)，二是化學冶金反應的產(chǎn)物。
    焊接低合金鋼時，形成氣孔的氣體主要是H2和c0，即通常所說的氫氣孔和一氧化碳氣孔。
    氫氣孔的主要來源是焊條藥皮和焊劑中的有機物、結(jié)晶水或吸附水、焊絲與母材表面的油污、鐵銹以及空氣中的水分等，在高溫下分解產(chǎn)生H2，氫分子進一步分解為氫原子和離子。氫在液態(tài)金屬中的溶解度很高，在高溫時熔池和熔滴就有可能吸收大量的氫。而當溫度下降時，溶解度隨之下降，即熔池開始凝固后，氫的溶解度要發(fā)生突變。隨著固相增多，液相中氫的濃度必然增大，并聚集在結(jié)晶前沿的液體中，使其濃度升高處于過飽和狀態(tài)，形成氣泡。氣泡長大到一定程度上浮，當氣泡上浮速度小于結(jié)晶速度時就形成氫氣孔。
    碳對氧的親和力隨溫度升高而增大，高溫下碳比鐵、錳、硅等元素對氧的親和力都大些。因此，上述反應主要發(fā)生在熔滴區(qū)和熔池頭部。c0不溶于液態(tài)鐵中，在高溫形成后很容易形成氣泡并迅速排出，不僅不會形成氣孔，而且氣泡析出時使熔池沸騰，有助于其它氣體和雜質(zhì)排出。
    生成氣孔的co是在冶金反應后期形成的。熔池開始凝固后，液體金屬中的C和Fe0的濃度隨固相增多而加大，造成二者在液體金屬某一局部富集，濃度增加促使了式(2)的反應進行，而生成一定數(shù)量的c0。這時形成的CO由于溫度下降、液體金屬粘度增加及冷卻快等原因，難于從熔池中逸出，而被圍困于樹枝晶粒間。此外，式(2)的反應是吸熱過程，促使冷速加大，對氣體析出更有利。
  3.2裂紋
  在焊接生產(chǎn)過程中，由于采用的焊接材料不同，結(jié)構(gòu)類型、剛度以及施工、安裝的具體條件不同，可能出現(xiàn)各種形態(tài)的冷裂紋，比較常見的有焊趾裂紋、焊道裂紋、根部裂紋等。冷裂紋大多數(shù)具有一定的延時性即是一種延遲裂紋，一般是在有載荷的使用過程中產(chǎn)生的，裂紋發(fā)生之前有一段潛伏期，然后是裂紋的擴展，最后發(fā)生脆性斷裂，因此危害性很大。
    大量的實踐和理論研究表明，冷裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾種：焊接接頭含氫量、材質(zhì)的淬硬傾向現(xiàn)象以及約束應力的影響等。
    3.2.1氫對焊縫的影響
    焊接時，焊接材料中的水分、電弧周圍空氣中的水蒸氣、焊絲和母材表面上的鐵銹油污等雜質(zhì)，在施焊時經(jīng)電弧熱分解而給焊縫中帶人氫，而氫是引起焊接延遲裂紋的主要因素之一。焊接時，在高溫條件下，大量的氫溶解在溶池中，在隨后的冷卻過程中，由于溶解度的急劇降低，氫將極力逸出，但因焊接時冷速過快，使氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，焊縫中的氫處于過飽和狀態(tài)．因而氫要極力擴散，焊縫中的含氫量是隨時間而變化的。隨著放置時間的增加，部分氫從焊縫中逸出，部分氫則擴散到鋼微缺陷處，成為殘余氫，而這些殘余氫繼續(xù)對焊縫起作用，成為冷裂紋的罪魁禍首。
    氫是鋼中擴散最快的元素，其擴散的速度與溫度的高低成正比，溫度升高，氫擴散得越快。焊后焊件在較高溫度停留時間長些或設法使焊件冷卻得慢些就可以使氫充分擴散到焊件外面，使焊縫中的氫含量減少。焊前進行預熱，或者焊后熱處理使焊件在焊后緩慢冷卻，都可以使氫充分逸出減少冷裂紋。
    3.2.2材質(zhì)的淬硬傾向?qū)�冷裂紋的影響
    鋼的淬硬傾向主要決定于其化學成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。其中化學成分有很大的影響。鋼的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生裂紋。鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有兩種：碳素結(jié)構(gòu)和低合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)在在碳素結(jié)構(gòu)鋼這一鋼種中主要應用Q235，低合金結(jié)構(gòu)鋼主要應用Q345。低合金鋼含有錳、釩等合金元素而具有較高的強度。0345的屈服強度比Q235提高將近一半，抗拉強度也提高不少。但抗拉強度提高時相對降低了塑性和韌性，對焊接結(jié)構(gòu)來說增加了轉(zhuǎn)脆傾向。
焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由金屬強度理論可知，馬氏體是一種脆硬組織，發(fā)生斷裂時只消耗較低的能量。因此，焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋易于形成并擴展。另外，淬硬會形成更多的晶格缺陷——空位和位錯，在應力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯會發(fā)生移動和聚集，當濃度達到一定的臨界值后，就會形成裂紋源．在應力和氫的作用下，裂紋源不斷擴展，形成宏觀裂紋。
    一般以焊后熔合區(qū)在800～500℃冷卻時間小于出現(xiàn)鐵素體臨界冷卻時間作為出現(xiàn)裂紋的判據(jù)。焊接生產(chǎn)中常采用預熱、后熱和調(diào)節(jié)線能量等方法來延長800～500℃區(qū)間的冷卻時間，從而降低淬硬傾向。
    3.2.3拘束應力的影響
    焊接接頭在拘束狀態(tài)下產(chǎn)生的焊接應力對延時裂紋起著很大的作用。焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，會產(chǎn)生縱向和橫向焊接殘余應力。施焊時，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫及附近溫度最高，達l600℃左右，其近鄰區(qū)域溫度則急劇下降。不均勻的溫度要求產(chǎn)生不均勻的膨脹，高溫處的鋼材膨脹最大，由于受到兩側(cè)溫度較低、膨脹較小的鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷卻時，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮得比原始長度稍短，這種縮短變形受到兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉應力。在低碳鋼和低合金鋼中這種拉應力經(jīng)常達到鋼材的屈服強度。另外，焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應力。
    焊縫在施焊過程中，先后冷卻的時間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強度，會阻止后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其發(fā)生橫向的塑性壓縮變形。疊加焊縫上的后焊焊縫冷卻收縮時受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應力，同時在先焊焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應力。橫向收縮引起的橫向應力與施焊方向、先后次序有關(guān)。
    在中厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，因此，除有縱向和橫向殘余應力外，還存在著沿鋼板厚度方向的殘余應力。這三種應力形成比較嚴重的三軸應力，大大降低了材料的塑性，增高了強度和硬度，在低溫環(huán)境下，更使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展，加速構(gòu)件的脆性破壞。
    鋼結(jié)構(gòu)在焊接時，特別是板厚大，拘束應力大，使焊縫不能自由收縮，導致雙向、三向焊接應力產(chǎn)生。這種焊接殘余應力一般能達到鋼材的屈服極限值，是產(chǎn)生延遲裂紋及板材層狀撕裂重要的影響因素之一。結(jié)構(gòu)的不合理，剛度過大，拘束力過大，焊接應力無法釋放．均會造成裂紋的產(chǎn)生。因此，采用合理的結(jié)構(gòu)接頭設計，采用剛性較小的節(jié)點形式，并合理安排施焊次序等，可以降低拘束應力。
4、產(chǎn)生氣孔和裂紋的主要原因分析
    4.1焊條烘干
    由于鄂式破碎機機架焊接時，焊縫均采用手工電弧焊，所用焊條為低氫型E5016。要求焊前焊條進行350—400℃烘干2小時，且保溫后隨用隨取。但通過跟蹤焊接過程發(fā)現(xiàn)，對焊條的烘干溫度只有200℃左右，這樣使焊條藥皮中吸附的水分和藥皮組成物中的結(jié)晶水未能清除干凈，從而使由水分引起的氣孔和裂紋傾向增大。
    4.2焊件清理
    由于焊條E5016對焊件表面的水、氧化皮、銹、油污等比較敏感，因此，為防止氣孔，要求對焊件表面進行較嚴格的清理。但實際施焊過程中對工藝執(zhí)行并不嚴格，因而使氣孔和裂紋傾向增大。
    4.3環(huán)境溫度較低
    由于當時焊接是在冬季，環(huán)緊溫度低于0℃。低溫條件下焊接時，由于焊縫金屬冷卻速度較快，因而裂紋傾向增大。特別是Q345，由于其合金元素含量比低碳鋼多，淬硬傾向較低碳鋼大，低溫施焊時出現(xiàn)裂紋的傾向更大。
    4.4拘束應力
    機架主焊縫結(jié)構(gòu)為封閉焊縫，加之焊接順序采用直通焊，造成較大焊接應力和拘束應力。
    4.5無后熱、消氫措施
    低合金高強鋼中焊接冷裂絞的產(chǎn)生，焊縫中的氫是罪魁禍首。焊前預熱、后熱可以使焊件在焊后降低冷卻速度，延長冷卻時間，氫可以較充分地釋放，從而減少焊縫中的氫含量．減少冷裂與材料硬化現(xiàn)象。
    焊后及時后熱，不但可以使氫充分逸出，還可以在一定程度上降低殘余應力、降低材料的淬硬性。選用合適的后熱溫度可彌補預熱溫度的不足，降低預熱溫度。
5、焊接工藝措施
    針對上述因素，決定清除開裂焊縫，對鄂式破碎機機架主焊縫采取如下工藝：
    (1)保持焊條干燥和焊件清潔
    焊條選用抗裂性較好的E5017。焊條在烘干箱內(nèi)進行350一400℃，2小時的烘干，烘干后的焊條裝入保溫筒內(nèi)隨用隨取。焊前嚴格清理焊件坡口及附近50。100mm范圍的油銹及雜質(zhì)，并用手砂輪打磨出金屬光澤。
    (2)預熱和焊后脫氫處理
    焊前對工件進行150℃的預熱。
    焊后將工件加熱到300-400℃．保溫1h．然后蓋石棉被緩冷至室溫。
    (3)合理的焊縫焊接順序
    焊縫焊接順序進行調(diào)整，將直通焊改為對稱、分段、退步、多層窄道焊，通過調(diào)整焊接順序控制變形，減少焊接拘束應力。除蓋面層、底層外，每層焊道焊后必須用風鎬捶擊消除應力。
6、結(jié)語
    用手工電弧焊焊接16Mn鋼鄂式破碎機機架時，為防止使用過程中出現(xiàn)問題，焊前必須制定合理的焊接工藝，除了正確選擇焊條外，焊前對工件表面的油銹、水分等進行清理，并嚴格控制焊條的烘干溫度及時間，焊前預熱、焊后消氫處理、合理的焊接順序等措施，就可防止氣孔和裂紋的產(chǎn)生，使生產(chǎn)的鄂式破碎機焊縫質(zhì)量得到大大提高，經(jīng)使用七、八年后效果良好，一直未出現(xiàn)焊縫質(zhì)量問題。