10 welding defects & remedies

12
IV.Welding defects & Remedies Page 1 WELDING DEFECTS AND REMEDIES INTRODUCTION: With the correct welding conditions, techniques and material quality standards, the arc welding process will yield a very high quality weld deposit. However, weld defects can occur. Most defects encountered in welding are due to an improper welding procedure. Once the causes are determined, the operator can easily correct the problem. Defects usually encountered include incomplete penetration, incomplete fusion, undercutting, porosity, and longitudinal cracking. This paper deals with the various welding defects, their causes and corrective action that should be taken. What is the difference between Discontinuities and Weldingdefects? A discontinuity is an objective lack of material, an interruption in the physical consistence or uniform nature of a part. Examples are cracks, seams, laps, porosity or inclusions. It may or may not be considered a defect depending if its presence endangers or not the integrity, the usefulness and the serviceability of the structure. A defect is a rejectable discontinuity, which occurs in an amount great enough to render a particular object or structure unsuitable for its intended service based on criteria in the applicable code. A defect is always a discontinuity but a discontinuity need not necessarily be a defect. Welding discontinuities / defects should be judged and interpreted by qualified and trained welding inspectors by visual examination or by other non destructive testing methods like radiography, ultrasonic testing, magnetic particle testing, liquid penetrant testing, eddy current testing, etc. Classification of Defects: The weld defects can be broadly classified into three types: 1. Planar defects / two dimensional defects: Planar defects such as cracks, lack of fusion, lack of penetration, are critical in nature and are not tolerated to any extent. 2. Voluminar defects / three dimensional defects: Voluminar defects such as slag inclusion, cavities, porosities, etc are tolerated to a certain extent depending on the product class and applicable code. 3. Geometric defects: Geometric defects such as excess reinforcement, underfill, root suckback, and distortion are also permitted to a certain extent. If they form sharp notches, they are smoothened out wherever accessible to avoid stress concentration.

Upload: viluk

Post on 01-Dec-2015

389 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Welding Defects & RemediesWelding Defects Welding Defects & Remedies

TRANSCRIPT

Page 1: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 1 

 

WELDING DEFECTS AND REMEDIES 

 

INTRODUCTION: 

With the correct welding conditions, techniques and material quality standards, the arc welding process will yield a very high quality weld deposit. However, weld defects can occur. Most defects encountered in welding are due to an  improper welding procedure. Once the causes are determined, the operator can easily  correct  the  problem.  Defects  usually  encountered  include  incomplete  penetration,  incomplete fusion,  undercutting,  porosity,  and  longitudinal  cracking.  This  paper  deals  with  the  various  welding defects, their causes and corrective action that should be taken. 

 What is the difference between Discontinuities and Welding‐defects?  A discontinuity  is  an objective  lack of material,  an  interruption  in  the physical  consistence or uniform nature of a part. Examples are cracks, seams, laps, porosity or inclusions. It may or may not be considered a defect depending if its presence endangers or not the integrity, the usefulness and the serviceability of the structure.  

A defect  is  a  rejectable discontinuity, which occurs  in  an  amount  great  enough  to  render  a particular object or structure unsuitable for its intended service based on criteria in the applicable code. 

A defect is always a discontinuity but a discontinuity need not necessarily be a defect. 

Welding  discontinuities  /  defects  should  be  judged  and  interpreted  by  qualified  and  trained welding inspectors by visual examination or by other non destructive testing methods like radiography, ultrasonic testing, magnetic particle testing, liquid penetrant testing, eddy current testing, etc.  

 

Classification of Defects: 

The weld defects can be broadly classified into three types: 

1. Planar defects /  two dimensional defects: Planar defects such as cracks,  lack of  fusion,  lack of penetration, are critical in nature and are not tolerated to any extent. 

2. Voluminar defects / three dimensional defects: Voluminar defects such as slag inclusion, cavities, porosities, etc are  tolerated  to a certain extent depending on  the product class and applicable code. 

3. Geometric  defects: Geometric  defects  such  as  excess  reinforcement, underfill,  root  suckback, and  distortion  are  also  permitted  to  a  certain  extent.  If  they  form  sharp  notches,  they  are smoothened out wherever accessible to avoid stress concentration. 

Page 2: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 2 

 

TYPES OF WELD DEFECTS: 

 

Incomplete Penetration  

This type of defect is found in any of the three ways:  

• When the weld bead does not penetrate the entire thickness of the base plate. 

• When two opposing weld beads do not interpenetrate.  

• When the weld bead does not penetrate the toe of a fillet weld but only bridges across it.  

Welding current has the greatest effect on penetration. Incomplete penetration  is usually caused by the use of too low a welding current and can be eliminated by simply increasing the amperage. Other causes can be the use of too slow a travel speed and an  incorrect torch angle. Both will allow the molten weld metal to roll in front of the arc, acting as a cushion to prevent penetration. The arc must be kept on the leading edge of the weld puddle. 

 

Figure 1 ‐ Examples of Lack of Penetration 

Lack of fusion  

Lack of fusion occurs when there is no fusion between the weld metal and the surfaces of the base plate. This defect can be seen in Figure 2. The most common cause of lack of fusion is a poor welding technique. Either the weld puddle is too large (travel speed too slow) and/or the weld metal has been permitted to roll in front of the arc. Again, the arc must be kept on the leading edge of the puddle. When this is done, the weld puddle will not get too large and cannot cushion the arc. Another cause is the use of a very wide weld  joint.  If the arc  is directed down the center of the  joint, the molten weld metal will only flow and cast against the side walls of the base plate without melting them. The heat of the arc must be used to melt the base plate. This is accomplished by making the joint narrower or by directing the arc towards the side wall of the base plate. When multipass welding thick material, a split bead technique should be used whenever possible after the root passes. Large weld beads bridging the entire gap must be avoided. Lack of fusion can also occur in the form of a rolled over bead crown. Again, it is generally caused by a very low travel  speed  and  attempting  to make  too  large  a weld  in  a  single pass. However,  it  is  also  very often 

Page 3: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 3 

 

caused  by  too  low welding  voltage. As  a  result,  the wetting  of  the  bead will  be  poor. When welding aluminum,  the common cause of  this  type of defect  is  the presence of aluminum oxide. This oxide  is a refractory with a melting point of approximately 35000F (19270C). It is also insoluble in molten aluminum. If this oxide is present on the surfaces to be welded, fusion with the weld metal will be hampered. 

The best safeguard against this  is to remove all oxide as soon before welding as possible. Although  iron oxide (rust, mill scale) can be welded over in mild steel, an excessive amount can cause lack of fusion.  

 

Figure 2 – Example Lack of Fusion 

Undercutting  

As shown in Figure 3, undercutting is a defect that appears as a groove in the parent metal directly along the edges of the weld. It is most common in lap fillet welds, but can also be encountered in fillet and butt joints. This  type of defect  is most  commonly  caused by  improper welding parameters; particularly  the travel  speed  and  arc  voltage. When  the  travel  speed  is  too  high,  the weld  bead will  be  very  peaked because of  its extremely  fast solidification. The  forces of surface  tension have drawn  the molten metal along the edges of the weld bead and piled it up along the center. Melted portions of the base plate are affected  in the same way. The undercut groove  is where melted base material has been drawn  into the weld and not allowed to wet back properly because of the rapid solidification. Decreasing the arc travel speed will  gradually  reduce  the  size  of  the  undercut  and  eventually  eliminate  it. When  only  small  or intermittent  undercuts  are  present,  raising  the  arc  voltage  and  using  a  leading  torch  angle,  are  also corrective actions. In both cases, the weld bead will become flatter and wetting will improve. 

 

 

Figure 3 – Examples of Undercutting 

However,  as  the  arc  voltage  is  raised  to  excessive  levels,  undercutting  may  again  appear.  This  is particularly  true  in spray arc welding. When  the arc becomes very  long,  it also becomes  too wide. This 

Page 4: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 4 

 

results in an increased amount of base material being melted. However, the heat transfer of a long arc is relatively poor, so actually the arc is supplying no more total heat to the weld zone. The outermost areas are very quickly cooled and again proper wetting  is prevented. The arc  length should be kept short, not only to avoid undercutting but to  increase penetration and weld soundness. Excessive welding currents can  also  cause undercutting.  The  arc  force,  arc heat  and penetration  are  so  great  that  the base plate under the arc  is actually”blown” away. Again, the outermost areas of the base material are melted but solidify quickly. Puddle  turbulence and  surface  tension prevent  the puddle  from wetting properly.  It  is always advisable to remain within the current ranges specified for each wire size. 

 

Porosity  

Porosity  is gas pores found  in the solidified weld bead. As seen  in Figure 4, these pores may vary in size and are generally distributed in a random manner. However, it is possible that porosity can only be found at  the weld center. Pores can occur either under or on  the weld surface. The most common causes of porosity are atmosphere contamination, excessively oxidized work piece surfaces, inadequate deoxidizing alloys  in  the wire  and  the  presence  of  foreign matter. Atmospheric  contamination  can  be  caused  by: 1)   Inadequate shielding gas flow. 2)   Excessive shielding gas flow. This can cause aspiration of air into the gas stream. 3)   Severely clogged gas nozzle or damaged gas supply system  (leaking hoses,  fittings, etc.) 4)   an excessive wind in the welding area. This can blow away the gas shield.  

 

 

Figure 4 – Examples of Porosity 

The  atmospheric  gases  that  are  primarily  responsible  for  porosity  in  steel  are  nitrogen  and  excessive oxygen. However,  considerable  oxygen  can  be  tolerated without  porosity  in  the  absence  of  nitrogen. Oxygen  in  the  atmosphere  can  cause  severe  problems  with  aluminum  because  of  its  rapid  oxide formation. The gas  supply  should be  inspected at  regular  intervals  to  insure  freedom  from  leakage.  In addition, excessive moisture  in  the atmosphere  can  cause porosity  in  steel and particularly aluminum. Care  should  be  exercised  in  humid  climates.  For  example,  a  continuous  coolant  flow  in water  cooled torches can cause  condensation during periods of high humidity and consequent contamination of  the shielding gas. Excessive oxidation of the work pieces is an obvious source of oxygen as well as entrapped moisture.  Again,  this  is  particularly  true  for  aluminum  where  a  hydrated  oxide may  exist.  Anodized coatings on aluminum must be removed prior to welding because they contain water as well as being an insulator. Porosity can be caused by  inadequate wire de‐oxidation when welding semi‐killed or rimmed 

Page 5: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 5 

 

steels. The oxygen in the steel can cause CO porosity if the proper deoxidizing elements are not present. Foreign matter can be a source of porosity. An example is excessive lubricant on the welding wire. These hydrocarbons  are  sources  of  hydrogen,  which  is  particularly  harmful  for  aluminum.  Other  causes  of porosity may be extremely fast weld solidification rates and erratic arc characteristics. When solidification rates are extremely rapid, any gas that would normally escape  is trapped. Extremely high travel speeds and  low welding current  levels should be avoided. Erratic arc can be caused by poor welding conditions (voltage  too  low  or  high,  poor  metal  transfer)  and  fluctuation  in  the  wire  feed  speed.  All  these occurrences cause severe weld puddle turbulence. This turbulence will tend to break up the shielding gas envelope and cause the molten weld metal to be contaminated by the atmosphere. 

Longitudinal cracking 

Longitudinal or centerline cracking, of the weld bead is not often encountered in MIG welding. However, that which does occur can be one of two types: hot cracks and cold cracks. Typical hot cracks are shown in Figure  5. Hot  cracks  are  those  that  occur while  the weld  bead  is  between  the  Liquidus  (melting)  and Solidus (solidifying) temperatures. In this temperature range the weld bead is”mushy”. Hot cracks usually result from the use of an incorrect wire electrode (particularly in aluminum and stainless steel alloys). The chemistry of the base plate can also promote this defect (an example would be any high carbon stainless steel casting). Any combination of the joint design, welding conditions and welding techniques that results in a weld bead with an excessively concave surface can promote cracking. One form of this defect, which may often be encountered, particularly with any 5000 series aluminum, is called a crater crack. These are small cracks, which appear, at the end of the weld where the arc has been broken. Although small, these cracks are troublesome since they can propagate into the weld bead. A crater crack is shown in Figure 6. The major reason for this defect is the incorrect technique for ending the weld. To properly end a weld, the crater should be filled. This is done by reversing the arc travel direction before breaking the arc. This technique is depicted in Figure 7. In addition, if the welding control is designed to supply gas for a short time after the arc is broken, the crater should be shielded until it is completely solidified.  

  

Figure 5 –Longitudinal Cracking  Figure 6 ‐ Example of Crater Cracking 

Those cracks that occur after the weld bead has completely solidified are called cold cracks. These defects occur only when the weld is too small to withstand the service stresses involved.  

Page 6: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 6 

 

 

Figure 7 – Crater Filling Technique 

Slag inclusions  

These can occur when several runs are made along a V groove when joining thick plates using flux cored or flux coated rods and the slag covering a run is not totally removed after every run before the following run.These are formed due to entrapment of oxides and non‐metallic solid material in the weld deposit or between the weld metal and base metal. Slag  inclusions as shown  in figure 8 usually appear as a  linear continuous or interrupted band 

 

 

 

 

 

 

Proper preparation of  the  groove before depositing  further  layers, preheating  the base metal  to have control on  the  rate of  solidification  and hence  release of  slag  from molten metal,  avoiding  larger  size electrodes for root pass welding, thus preventing the slag flowing down into the root opening, are some of the ways of preventing slag inclusion.  

Tungsten inclusions 

These  are  particles  deposited  in  the  weld  metal  from  a  tungsten  electrode  in  TIG  process,  by  the occasional touching of the electrode to the job of molten metal. All tungsten inclusions are not generally considered harmful unless  their size and number becomes excessive. Replacement of electrodes at  the correct time will ensure the removal of this defect. In Radiography they are revealed as white spots due to higher  density  of  tungsten  compared  to  the weld metal.  To  avoid  this  defect  thoriated  or  zirconiated tungsten electrodes are used in place of pure tungsten electrodes. 

 

Figure 8 ‐ Radiograph of a butt weld showing two slag lines in the weld root 

Page 7: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 7 

 

 

 

Figure 9: Tungsten Inclusions 

Burn through 

It is the icicles or graphs found at the root of the weld. Sometimes it creates an opening at the root. This occurs because of the usage of very high current and low travel speed. Use of consumable inserts restricts burn through. 

 

Figure 10 – Burn through 

 

ARC STRIKES 

Arc  strikes  result when  the arc  is  initiated on  the base metal  surface away  from  the weld  joint either intentionally  or  accidentally.  They  represent  any  localized  HAZ  caused  by  an  arc.  By  giving  proper instructions to the welder and by good housekeeping this defect can be avoided. By dressing up the area, the ill effects are removed. 

SPATTER  

Spatters are metal particles expelled during fusion welding that do not form a part of the weld. These are mostly attached  to  the base metal adjacent  to  the weld. Spatters may mask  the defects and are  to be removed by grinding or chipping. Spatters occur due to high welding currents which can cause excessive 

Page 8: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 8 

 

turbulence in the weld zone.The use of argon mixtures will reduce the amount of spatter compared to the amount produced when straight CO2 shielding gas is used. 

 

 

Figure 11 – Spatter 

Mismatch  

Mismatch is a term associated with a condition where two pieces being welded together are not properly aligned. The  radiographic  image  shows a noticeable difference  in density between  the  two pieces. The difference in density is caused by the difference in material thickness. The dark, straight line is caused by the failure of the weld metal to fuse with the land area. 

 

Figure 12 – Mismatch 

For quick reference, Table1 lists all possible welding defects, their causes and corrective action 

FAULT OR DEFECT  CAUSE AND  / OR CORRECTIVE ACTION  

1) POROSITY    A. Oil, heavy rust, scale, etc. on plateB. Wire – may need higher in Mn & Si  C. Shielding problem; wind, clogged or small      nozzle, damaged 

Page 9: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 9 

 

gas hose, excessive gas flow, etc.D. Welding over slag from covered electrode 

LACK OF PENETRATION A. Weld joint too narrowB. Welding current too low  C. Electrode stick out weld puddle rolling in front of the arc  

LACK OF FUSION  A. Welding voltage and/or current too low  B. Wrong polarity, should be DCRP C. Travel speed too low  D. Welding over convex bead  E. Torch oscillation too wide or too narrow  F. Excessive oxide on plate 

UNDERCUTTING  A. Travel speed too highB. Welding voltage too high  C. Excessive welding currents  D. Insufficient dwell at edge of weld bead 

CRACKING  A. Incorrect wire chemistryB.  Weld bead too small C. Poor quality of material being welded  

UNSTABLE ARC  A. Check gas shielding.B. Check wire feed system  

POOR WELD  STARTS  OR WIRE STUBBING 

A. Welding voltage too lowB. Inductance or slope too high  C. Wire extension too long  D. Clean glass or oxide from plate 

EXCESSIVE SPATTER  A. Use Ar‐CO2 or Ar‐O2 instead of CO2

B. Arc voltage too low  C. Raise inductance and/or slope 

BURNTHROUGH  A. Welding current too highB. Travel speed too low C. Decrease width of root opening D. Use Ar‐CO2 or Ar‐O2 instead of CO2  

CONVEX BEAD  A. Welding voltage and/or current too low  B. Excessive electrode extension  C. Increase inductance D. Wrong polarity, should be DCRP  E. Weld joint too narrow 

 

Welding distortion 

Welding  distortion  or  deformation  or  warping  of  weldment  during  welding  is  a  natural  outcome  of intrinsic non‐uniform heating  and  cooling of  the  joint. Distortion  is  the  result of  the  action of  internal stresses, which are produced while welding, and  remain  in  the part after heating  is  removed.  It  is  thus undesirable change in original shape due to high heat input and mechanical forces. 

Distortion if not controlled within the permissible specified a limit becomes a geometric defect.   

 

Page 10: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 10 

 

Stresses  are  due  to  volume  changes  with  heating  and  to  decreasing  yield  strength  at  elevated temperature.  Metal  subject  to  thermal  expansion  while  heating  tends  to  be  compressed  by  the surrounding cool structure. The heated volume has now  lower yield strength at high  temperature, and then  it  is  easily upset  to  shorter dimensions. Upon  cooling  the  same material  tends  to  contract  in  all directions and is now stressed in tension by the attached cool structure, which did not move appreciably in the process. By now the yield strength is again higher, at lower temperature; so that the upset material cannot  regain  its original dimensions.The  result  is  the development of  internal  tension  stresses  in  the weld. These residual stresses are the cause of deformation.  

Distortion of Arc‐welded components  is generally caused by  two  factors: shrinkage of  the cooling weld metal  and  local  expansion  and  contraction  of  the  plate.  Longitudinal  shrinkage  shortens  the  weld, transverse shrinkage decreases the width, and angular distortion causes rotation of the plates. Apart from these simple effects of shrinkage, longitudinal contraction of a weld may cause components to bow in a direction depending on  the  location of  the weld  in  relation  to  the neutral axis of  the  component. The middle of a length of weld will bow towards the neutral axis. 

Some  values  for  shrinkage  quoted  in  TWI's  booklet  CONTROL  OF  DISTORTION  IN  WELDED FABRICATIONS (available from Woodhead Publishing) are as follows: 

Transverse  shrinkage  Fillet welds: 0.8mm per weld where the leg length of the weld does not exceed 0.75 x the plate thickness. Butt welds: 1.5 ‐ 3mm per weld for 60° V joints, depending on the number of runs per weld. 

Longitudinal shrinkage  

• Fillet Welds: 0.8mm/3m of weld 

• Butt Welds: 3mm/3m of weld.  The above allowances for distortion apply to welded joints that are free to move; in practice, the restraint built up during the fabrication will determine the distortion. 

How to decrease Distortion?  

Sometimes  to  decrease  the  amount  of  deformation  it  is  sufficient  to  place  the  elements  at  an  angle before welding  in order to counter the movement by a certain opposite displacement to be  introduced before welding Or (for butt welds) to weld a short length at one end and then start again from the other end, while the first end is already rigidly welded. Otherwise one can distribute short stretches of welding at distant places, by introducing sequences aimed at avoiding local concentration of heat input.  

One  can provide  very  rigid  fixturing  that will  not  allow  any movement while welding  is performed. Movement can be prevented: residual stresses cannot. One can easily prove that the part is now highly stressed (presenting a high level of residual stresses).  

After taking the part out from the fixture if one removes some of the weld by partial asymmetric cutting or grinding, the remaining portion will deform considerably to rearrange the remaining internal stresses.  

Page 11: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 11 

 

This deformation  is an  indirect proof of  the high  level of stresses which were present  in  the as welded part. Material removal  is at the base of certain methods of residual stresses measurement. Occasionally when the residual stresses exceed material strength, cracks may appear in the weld at high temperature or while cooling near room temperature.  

It  is good practice to relieve  the residual stresses of a constrained welded assembly. The reason  is that these stresses can sum up with external stresses  in service and exceed the material strength, producing failure, or further deformations.  

The most common method of stress relieving is performed by heating the welded assembly in a suitable furnace. By heating the welded structure uniformly  in a furnace at elevated temperature, the remaining maximum  stress will be  reduced  to  the  lower  yield  strength  value which  the material  exhibits  at  that temperature.  

Another  method  uses  mechanical  peening  of  the  weld  either  by  hammering  or  by  shot  peening equipment which  is done  sometimes on  tool  steels  immediately  after  shielded metal  arc welding  and before cool down 

The  general  approach would be  to  reduce  the  causes of Welding‐distortion by providing  suitable pre‐heating, if possible, so that there will be less expansion difference, between material at weld temperature and surrounding structure.  

Rectification of distortion is possible by the use of mechanical force or judiciously applied heating, but the cost  of  correction  is  generally  at  least  ten  times  that  of making  the  job  to  the  required  dimensional tolerances in the first place. 

Page 12: 10 Welding Defects & Remedies

IV.Welding defects & Remedies  Page 12 

 

SUMMARY 

Imperfections may exist in the weld and / or base metal; they are generally described as discontinuities. If a certain discontinuity  is of sufficient size,  it may render a structure unfit for  its  intended service. Codes dictate the permissible  limits for discontinuities. Those with values greater than these  limits are termed defects. Defects are discontinuities, which require some corrective action. Judgment of defects should be done by properly trained, experienced welding  inspectors. By knowing how these defects can form, the welding inspector may be successful at spotting the causes and prevent them from occurring.    

 

Rules for minimizing distortion during welding

1. Design fabrications so that welds are balanced on each side of the neutral axis. 

11. Use high speed welding processes where possible, e.g. iron powder MMA electrodes, MIG welding or Mechanised welding.

2. Do not over specify fillet weld sizes.  12. Use frequent tacking.

3. Use double sided welds rather than single sided and minimum bevel angles, to reduce the amount of weld metal. 

13. Balance welding on each side of the neutral axis, i.e. do not weld all one side before starting the other. 

4. Use minimum gap sizes.  14. Weld fabrications clamped back to back and preset if possible; alternatively stress relieve before releasing from the clamps. 

5. In non‐fatigue sensitive areas use intermittent fillet welds where possible. 

15. Use block welding to prevent movement. 

6. Use double fillet welds where possible, rather than full penetration T butt welds. 

16. When block welding thick plate, butter the sides of the preparation and build up the buttering progressively towards the centre of the joint, so that most of the joint can contract transversely before the joint is bridged. 

7. Use clamps strong backs, jigs or fixtures. 

17. Weld first the joints that cause the most contraction.

8. Use welding petitioners so that welding can be carried out in the flat or horizontal‐vertical positions with high deposition rates. 

18. Make use of sub‐assemblies.

9. Deposit a few weld runs alternately on each side of the joint in double V butt welds. 

19. Make frequent dimensional checks during welding, and if distortion is evident change the welding sequence or the clamping arrangements accordingly. 

10. Weld a large construction from the center outwards. 

20. Use proper welding sequence with appropriate Interpass temperature.