1、引言
    鄂式破碎機(jī)廣泛用于公路、建筑工程機(jī)械中，由于其工作時(shí)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(jī)機(jī)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(gè)月左右，多臺(tái)機(jī)架主焊縫開裂，返修時(shí)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(yīng)力集中，顯著降低焊縫的強(qiáng)度和韌性，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)載強(qiáng)度有顯著的影響。人們通過研究統(tǒng)計(jì)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(xiǎn)的缺陷。按產(chǎn)生的時(shí)間不同，可分為熱裂紋和冷裂紋，前者是在焊接時(shí)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(yán)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(shí)間較長，平時(shí)不會(huì)引起操作人員的注意，但一旦發(fā)生其后果卻是災(zāi)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(xué)冶金反應(yīng)的產(chǎn)物。
    焊接低合金鋼時(shí)，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?xì)饪住?br />     氫氣孔的主要來源是焊條藥皮和焊劑中的有機(jī)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(jìn)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(shí)熔池和熔滴就有可能吸收大量的氫。而當(dāng)溫度下降時(shí)，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(dāng)氣泡上浮速度小于結(jié)晶速度時(shí)就形成氫氣孔。
    碳對(duì)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(duì)氧的親和力都大些。因此，上述反應(yīng)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(huì)形成氣孔，而且氣泡析出時(shí)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(yīng)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(yīng)進(jìn)行，而生成一定數(shù)量的c0。這時(shí)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(yīng)是吸熱過程，促使冷速加大，對(duì)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(shí)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(kuò)展，最后發(fā)生脆性斷裂，因此危害性很大。
    大量的實(shí)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(yīng)力的影響等。
    3.2.1氫對(duì)焊縫的影響
    焊接時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(kuò)散，焊縫中的含氫量是隨時(shí)間而變化的。隨著放置時(shí)間的增加，部分氫從焊縫中逸出，部分氫則擴(kuò)散到鋼微缺陷處，成為殘余氫，而這些殘余氫繼續(xù)對(duì)焊縫起作用，成為冷裂紋的罪魁禍?zhǔn)住?br />     氫是鋼中擴(kuò)散最快的元素，其擴(kuò)散的速度與溫度的高低成正比，溫度升高，氫擴(kuò)散得越快。焊后焊件在較高溫度停留時(shí)間長些或設(shè)法使焊件冷卻得慢些就可以使氫充分?jǐn)U散到焊件外面，使焊縫中的氫含量減少。焊前進(jìn)行預(yù)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(xué)成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。其中化學(xué)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(yīng)用Q235，低合金結(jié)構(gòu)鋼主要應(yīng)用Q345。低合金鋼含有錳、釩等合金元素而具有較高的強(qiáng)度。0345的屈服強(qiáng)度比Q235提高將近一半，抗拉強(qiáng)度也提高不少。但抗拉強(qiáng)度提高時(shí)相對(duì)降低了塑性和韌性，對(duì)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(yán)重長大，當(dāng)快速冷卻時(shí)，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由金屬強(qiáng)度理論可知，馬氏體是一種脆硬組織，發(fā)生斷裂時(shí)只消耗較低的能量。因此，焊接接頭有馬氏體存在時(shí)，裂紋易于形成并擴(kuò)展。另外，淬硬會(huì)形成更多的晶格缺陷——空位和位錯(cuò)，在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯(cuò)會(huì)發(fā)生移動(dòng)和聚集，當(dāng)濃度達(dá)到一定的臨界值后，就會(huì)形成裂紋源．在應(yīng)力和氫的作用下，裂紋源不斷擴(kuò)展，形成宏觀裂紋。
    一般以焊后熔合區(qū)在800～500℃冷卻時(shí)間小于出現(xiàn)鐵素體臨界冷卻時(shí)間作為出現(xiàn)裂紋的判據(jù)。焊接生產(chǎn)中常采用預(yù)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(shí)間，從而降低淬硬傾向。
    3.2.3拘束應(yīng)力的影響
    焊接接頭在拘束狀態(tài)下產(chǎn)生的焊接應(yīng)力對(duì)延時(shí)裂紋起著很大的作用。焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程，會(huì)產(chǎn)生縱向和橫向焊接殘余應(yīng)力。施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫及附近溫度最高，達(dá)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(shí)，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(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中這種拉應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)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(shí)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(yīng)力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。
    焊縫在施焊過程中，先后冷卻的時(shí)間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強(qiáng)度，會(huì)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(shí)受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，同時(shí)在先焊焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。橫向收縮引起的橫向應(yīng)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(yīng)力外，還存在著沿鋼板厚度方向的殘余應(yīng)力。這三種應(yīng)力形成比較嚴(yán)重的三軸應(yīng)力，大大降低了材料的塑性，增高了強(qiáng)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(shí)，特別是板厚大，拘束應(yīng)力大，使焊縫不能自由收縮，導(dǎo)致雙向、三向焊接應(yīng)力產(chǎn)生。這種焊接殘余應(yīng)力一般能達(dá)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(yīng)力無法釋放．均會(huì)造成裂紋的產(chǎn)生。因此，采用合理的結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計(jì)，采用剛性較小的節(jié)點(diǎn)形式，并合理安排施焊次序等，可以降低拘束應(yīng)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(jī)機(jī)架焊接時(shí)，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(jìn)行350—400℃烘干2小時(shí)，且保溫后隨用隨取。但通過跟蹤焊接過程發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(duì)焊件表面進(jìn)行較嚴(yán)格的清理。但實(shí)際施焊過程中對(duì)工藝執(zhí)行并不嚴(yán)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(dāng)時(shí)焊接是在冬季，環(huán)緊溫度低于0℃。低溫條件下焊接時(shí)，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(shí)出現(xiàn)裂紋的傾向更大。
    4.4拘束應(yīng)力
    機(jī)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(yīng)力和拘束應(yīng)力。
    4.5無后熱、消氫措施
    低合金高強(qiáng)鋼中焊接冷裂絞的產(chǎn)生，焊縫中的氫是罪魁禍?zhǔn)�。焊前預(yù)熱、后熱可以使焊件在焊后降低冷卻速度，延長冷卻時(shí)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(shí)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(yīng)力、降低材料的淬硬性。選用合適的后熱溫度可彌補(bǔ)預(yù)熱溫度的不足，降低預(yù)熱溫度。
5、焊接工藝措施
    針對(duì)上述因素，決定清除開裂焊縫，對(duì)鄂式破碎機(jī)機(jī)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(jìn)行350一400℃，2小時(shí)的烘干，烘干后的焊條裝入保溫筒內(nèi)隨用隨取。焊前嚴(yán)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(yù)熱和焊后脫氫處理
    焊前對(duì)工件進(jìn)行150℃的預(yù)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(jìn)行調(diào)整，將直通焊改為對(duì)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(yīng)力。除蓋面層、底層外，每層焊道焊后必須用風(fēng)鎬捶擊消除應(yīng)力。
6、結(jié)語
    用手工電弧焊焊接16Mn鋼鄂式破碎機(jī)機(jī)架時(shí)，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(duì)工件表面的油銹、水分等進(jìn)行清理，并嚴(yán)格控制焊條的烘干溫度及時(shí)間，焊前預(yù)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(jī)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。