CO2氣體保護(hù)打底焊裂紋控制工藝

李 克 杰

（日本船級(jí)社（中國(guó)）有限公司 上海分公司，上海 200336）

CO2氣體保護(hù)打底焊裂紋控制工藝

李 克 杰

（日本船級(jí)社（中國(guó)）有限公司 上海分公司，上海 200336）

通過試驗(yàn)找出CO2氣體保護(hù)焊的打底焊縱向裂紋成因。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，得出控制打底焊裂紋的關(guān)鍵是控制焊接電流。總結(jié)出安全的焊接參數(shù)，通過船廠的自我管理得以有效地控制打底焊裂紋；對(duì)于平焊和橫焊，給出打底焊裂紋特性的不同之處，并進(jìn)一步驗(yàn)證從襯墊面剖除打底焊是清除大面積打底焊裂紋的有效方法。

CO2氣體保護(hù)焊；打底焊；裂紋；焊接電流；焊接參數(shù)

0 引 言

目前，CO2氣體保護(hù)單面焊以其高效的焊接效率在船舶建造中被廣泛應(yīng)用，各大船廠已對(duì)其焊接方法基本形成自己的焊接工藝，但是，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的過程中，常會(huì)在打底焊的焊道上發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度10～100cm的縱向裂紋，其深度在 1～3mm，這些裂紋如果在后續(xù)的焊接前未清除，便會(huì)形成難以發(fā)現(xiàn)的藏于焊縫的內(nèi)裂紋。眾所周知，由于焊縫的質(zhì)量直接關(guān)系到船舶在海上航行的安全，尤其是焊縫的裂紋在船舶經(jīng)受各種海況的考驗(yàn)后有可能會(huì)延展，給船舶的安全營(yíng)運(yùn)帶來很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此各大船級(jí)社規(guī)范對(duì)于任何形式的焊接裂紋都不允許存在。

有統(tǒng)計(jì)顯示，現(xiàn)代造船中CO2氣體保護(hù)單面焊的焊材耗量占總焊材耗量的70%左右，而且船舶建造的大合攏階段大都采用這種焊法，如果這些內(nèi)裂紋藏于外板、主甲板及內(nèi)底板等強(qiáng)力構(gòu)件的大合攏焊縫上，其危害性可想而知，而且即使后續(xù)的探傷發(fā)現(xiàn)這些裂紋的存在，往往這些內(nèi)裂紋帶有普遍性，會(huì)大大增加后續(xù)探傷和修補(bǔ)的工作量。

1 打底焊熱裂紋

研究表明，類似這種裂紋基本屬于熱裂紋［1-5］。由金屬結(jié)晶理論可知，先結(jié)晶的金屬比較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，并富集在晶粒的周界。在焊縫結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶體不斷增大和推移，此時(shí)會(huì)把熔質(zhì)或雜質(zhì)趕向熔池的中心，熔池中心的雜質(zhì)濃度逐漸升高，致使在最后凝固的部位（焊縫中心）產(chǎn)生較嚴(yán)重的雜質(zhì)富集區(qū)，形成薄弱地帶。又因?yàn)楹缚p金屬在結(jié)晶的同時(shí)體積在縮小，周圍金屬約束其收縮而引起焊縫金屬受到拉伸應(yīng)力的作用，于是就產(chǎn)生了拉伸變形。若此時(shí)產(chǎn)生的變形量超過晶粒邊界所具有的塑性，就會(huì)在薄弱地帶的焊縫中心開裂［6］（見圖1）。

圖1 打底焊裂紋的形成

2 打底焊裂紋的形成因素

為深入地調(diào)查打底焊裂紋的成因，對(duì)易產(chǎn)生裂紋的2種焊接位置（平焊和橫焊）進(jìn)行大量的試驗(yàn)，分別從焊接參數(shù)、焊材種類和放置時(shí)間間隔入手進(jìn)行分析，以找出控制裂紋的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 試驗(yàn)條件

1） 為了更真實(shí)地反映實(shí)際工況，選擇船臺(tái)上大合攏內(nèi)底板［7］（板厚：25mm，材質(zhì)：AH36）作為平焊試驗(yàn)對(duì)象，選擇頂邊艙分段和底邊艙分段在外板上的合攏焊縫（板厚：22mm，材質(zhì)：AH36）作為橫焊的試驗(yàn)對(duì)象（見圖2）；

2） 焊材的等級(jí)選用各大船廠普遍采用的適用于鋼板材質(zhì)為E36及以下的同一等級(jí)為3Y的焊絲（焊絲直徑1.2mm），3種焊材牌號(hào)為K-71TLF（平焊），BFC-711（平焊），TWE711（橫焊）；

3） 約束條件為現(xiàn)行造船較常采用 300～500mm施加點(diǎn)焊的馬板固定；

4） 焊接坡口形式見圖3和圖4；

5） 氣溫20℃；

6） 相對(duì)濕度65%；

7） 陶瓷襯墊烘干；

8） 焊工持有船級(jí)社相應(yīng)焊接等級(jí)資格證書；

9） CO2保護(hù)氣體濃度99.9%。

圖2 試驗(yàn)的焊接位置

圖3 平焊的焊接破口

圖4 橫焊的焊接坡口

2.2 平焊的打底焊試驗(yàn)

表1和表2分別為焊材K-71TLF與BFC-711的打底平焊焊接工況及結(jié)果，對(duì)于焊接工況1～工況3，正反面目視檢查和磁粉探傷及從襯墊面剖除成形焊縫2～3mm深度的目視檢查和磁粉探傷均未發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖5、8。對(duì)于焊接工況4～工況7（見圖6、圖7、圖9及圖10），正面目視檢查及磁粉探傷均發(fā)現(xiàn)裂紋，將焊縫背面的陶瓷襯墊去除后，目視檢查和磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)像焊縫正面長(zhǎng)條形的縱向裂紋，但將焊縫背面進(jìn)行成形焊縫2～3mm深度的剖除后， 工況4～工況7則發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖7和圖10。

表1 K-71TLF的打底平焊焊接工況及結(jié)果

表2 BFC-711的打底平焊焊接工況及結(jié)果

圖5 K-71TLF平焊焊接工況1～工況3—無裂紋

圖6 K-71TLF平焊焊接工況4和工況5—裂紋產(chǎn)生

圖7 K-71TLF平焊焊接工況6和工況7—裂紋遍布焊縫

圖8 BFC-711平焊焊接工況1～工況3—無裂紋

圖9 BFC-711平焊焊接工況4和工況5—裂紋產(chǎn)生

圖10 BFC-711平焊焊接工況6和工況7—裂紋遍布焊縫

經(jīng)多次試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，對(duì)于平焊的打底焊裂紋特性有：

1） 將上述試驗(yàn)結(jié)果在正常的約束條件下放置 24h后再去觀察，各種試驗(yàn)工況的裂紋情況基本沒有變化，說明在合理的約束條件下放置時(shí)間過長(zhǎng)并非造成打底焊裂紋的主因。

2） 觀察工況4～工況7的裂紋形式與生產(chǎn)和檢驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的裂紋形式相同，可見在其他焊接條件滿足要求的情況下，焊接參數(shù)是導(dǎo)致打底焊裂紋產(chǎn)生的主要因素，尤其是電流的影響，電流的增大勢(shì)必導(dǎo)致電壓和焊接速度提高，焊接線能量減少，焊縫結(jié)晶線速度增加，對(duì)粗大柱狀晶體的形成和生長(zhǎng)有利，容易在焊縫中心形成區(qū)域偏析，焊接應(yīng)力大，導(dǎo)致焊接熱裂紋產(chǎn)生。

3） 將所有焊接工況焊縫背面的陶瓷襯墊去除后，目視檢查和磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)像焊縫正面一樣大范圍地產(chǎn)生裂紋，但將焊縫背面進(jìn)行剖除成形焊縫至2～3mm深度后，工況1～工況3未發(fā)現(xiàn)裂紋，工況4～工況7則發(fā)現(xiàn)裂紋，說明：① 打底焊裂紋并不能完全被后續(xù)的蓋面焊熔掉；② 裂紋產(chǎn)生的形式是由焊縫上表面向下延伸，打底焊的厚度在5～6mm，裂紋深度一般在1～3mm。

2.3 橫焊的打底焊試驗(yàn)

表3為焊材TWE-711的打底橫焊焊接工況及結(jié)果。對(duì)于焊接工況1～工況 4，正面和反面及反面剖除成形焊縫至2～3mm深度后均未發(fā)現(xiàn)裂紋（見圖11）。對(duì)于焊接工況5和工況6，正面和反面檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，但從反面剖除成形焊縫至2～3mm深度后發(fā)現(xiàn)有裂紋存在（見圖12）。對(duì)于焊接工況7和工況8，正面檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，但從反面移除襯墊后發(fā)現(xiàn)有裂紋存在（見圖13）；從反面剖除成形焊縫至 2～3mm深度后，發(fā)現(xiàn)有遍布焊縫的縱向裂紋存在（見圖14）。

表3 TWE-711的打底橫焊焊接工況及結(jié)果

圖11 TWE-711橫焊焊接工況1～工況4—無裂紋

圖12 TWE-711橫焊焊接工況5和工況6—襯墊面剖除后有裂紋

圖13 TWE-711橫焊焊接工況7和工況8—襯墊面有裂紋

圖14 TWE-711橫焊焊接工況7和工況8—襯墊面剖除后有裂紋

同樣經(jīng)多次試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，對(duì)于橫焊的打底焊裂紋特性有：

1） 將上述試驗(yàn)結(jié)果在正常的約束條件下放置 24h后再去觀察，各種試驗(yàn)工況的裂紋情況基本沒有變化，說明在合理的約束條件下放置時(shí)間過長(zhǎng)并非造成打底焊裂紋的主因；

2） 觀察工況5～工況8的裂紋形式與生產(chǎn)和檢驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的裂紋形式相同（見圖14）?？梢姡谄渌附訔l件滿足要求的情況下，焊接參數(shù)是導(dǎo)致打底焊裂紋產(chǎn)生的主要因素，尤其是電流的影響，電流的增大勢(shì)必導(dǎo)致電壓和焊接速度的提高，同樣導(dǎo)致焊接熱裂紋產(chǎn)生；

3） 縱向裂紋大多是由焊縫內(nèi)部向襯墊側(cè)衍生，當(dāng)內(nèi)裂紋嚴(yán)重時(shí)，會(huì)滲透至打底焊襯墊面一側(cè)；

4） 裂紋大多集中在橫焊縫偏上的部分（見圖12～15），這是由于橫焊縫的熔敷金屬因重力的作用致使焊縫的下半部分比上半部分寬厚，裂紋出現(xiàn)在抗裂能力較弱的上半部分；

5） 從焊縫的正面檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋存在。

圖15 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的外板大合攏橫焊縫上的裂紋

3 打底焊裂紋控制方法

通過上述對(duì)平焊和橫焊裂紋的成因分析可知，在其他焊接條件正常的情況下，焊接電流是導(dǎo)致打底焊裂紋產(chǎn)生的主要因素，但是現(xiàn)場(chǎng)工人為何不能夠按照工藝要求控制好打底焊的電流呢？ 通過現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，主要有兩方面原因：① 現(xiàn)在的中國(guó)船廠使用的焊工大多是外包制焊工，某些焊工為了盡快完成自己的焊接任務(wù)，就使用大規(guī)范的焊接參數(shù)以提高焊接速度，而且打底焊的裂紋會(huì)被后續(xù)的焊接覆蓋掉，發(fā)現(xiàn)這些裂紋有一定的檢驗(yàn)難度；② 由于打底焊后續(xù)的蓋面焊的電流≈240A，某些焊工在轉(zhuǎn)換到打底焊的時(shí)候未意識(shí)到要將電流調(diào)到＜200A，直接導(dǎo)致打底焊裂紋產(chǎn)生。

通過以上試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，將打底焊的焊接參數(shù)控制在表4的范圍內(nèi)，可有效防止打底焊裂紋的產(chǎn)生，并制定CO2氣體保護(hù)打底焊裂紋控制檢查表進(jìn)行自控。

表4 安全氣體保護(hù)打底焊焊接參數(shù)

4 打底焊裂紋修補(bǔ)工藝

在焊接結(jié)束后發(fā)現(xiàn)大面積打底焊裂紋，須將打底焊全部移除方能有效地去除裂紋，通常采用的方法是用碳弧氣刨?gòu)囊r墊面將打底焊剖除。為檢驗(yàn)大范圍的焊縫剖除處理對(duì)原有焊縫及鋼板性能的影響，設(shè)計(jì)2組焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)，一組為單面焊雙面成形，另一組為單面焊后反面剖除5～7mm打底焊，試驗(yàn)鋼板選用22mm EH36，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 打底焊裂紋修補(bǔ)工藝結(jié)果對(duì)比

其中拉伸試驗(yàn)試板取2組試樣，彎曲試驗(yàn)試板取4組試樣，沖擊試驗(yàn)試板取焊縫中心/熔合線/熱影響區(qū)3個(gè)考察點(diǎn)。以上2組試驗(yàn)結(jié)果均滿足船級(jí)社的規(guī)范要求，且對(duì)比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單面焊后反面剖除打底焊的焊接工藝略優(yōu)于單面焊雙面成形的焊接工藝，這也正是船級(jí)社的規(guī)范中規(guī)定的同樣焊接條件下單面焊可以覆蓋雙面焊的原因，說明用反面剖除打底焊來消除打底焊裂紋的工藝是可行的。

5 結(jié) 語

通過對(duì)CO2氣體保護(hù)打底焊裂紋控制工藝研究，得到以下結(jié)論。

1） 在其他焊接條件滿足要求的前提下，打底焊的焊接參數(shù)，尤其是電流，是造成打底焊裂紋的主要原因。

2） 當(dāng)采用大規(guī)范參數(shù)焊接時(shí)，平焊和橫焊的打底焊裂紋形式有以下區(qū)別：① 平焊的裂紋集中在焊縫中心，橫焊的裂紋集中在焊縫的上半部分；② 平焊的焊接裂紋由焊縫上表面向下延伸，且很少裂穿到襯墊面，橫焊的裂紋由焊縫內(nèi)向襯墊面延伸，且有可能裂穿到襯墊面一側(cè)。

3） 安全打底焊焊接參數(shù)在船廠的內(nèi)控管理下可有效地解決船廠打底焊裂紋的難題。

［1］ 陳志強(qiáng). 無損檢測(cè)優(yōu)化打底焊焊接工藝規(guī)范的研究［D］. 大連：大連理工大學(xué)，2007.

［2］ 趙宗立. 藥芯焊絲陶瓷襯墊單面焊打底焊縫抗裂性研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［3］ 楊衛(wèi)東. 美國(guó)GDS配件藥芯焊絲打底焊裂紋控制［C］//2014軌道交通先進(jìn)金屬加工及檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)，2014.

［4］ 陳志強(qiáng)， 李麗菲， 張萬嶺. 綜合檢測(cè)技術(shù)對(duì)打底層焊道熱裂紋評(píng)價(jià)的研究［C］//2008遠(yuǎn)東無損檢測(cè)新技術(shù)論壇，2008.

［5］ 李秀良，王利輝. 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)打底焊焊接裂紋機(jī)理初探［J］. 廣船國(guó)際，2005 （88）： 45-46.

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Crack Control Technique of CO2Flux Cored Arc Welding

LI Ke-jie

（Shanghai Branch， NIPPON KAIJI KYOKAI （China） Co.， Ltd.， Shanghai 200336， China）

The cause of the first layer longitudinal welding crack in CO2flux cored arc welding （FCAW） is discovered through experiment. With the experience accumulated from on-site construction and inspection， it found that the key point to control the first layer welding crack is to control the current for welding. The safe welding parameters are thus given out， and the first layer welding crack is effectively controlled through the self-control of the shipyard. At the same time， the difference between the first layer welding cracks is pointed out for flat welding and horizontal welding. It further proves that gouging the cracks is an effective way to remove large area of first layer welding cracks.

CO2flux cored arc welding； first layer welding； crack； welding current； welding parameter

U671.83

B

2095-4069 （2016） 04-0059-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.012

2015-07-22

李克杰，男，碩士，注冊(cè)驗(yàn)船師，高級(jí)工程師，1980年生。2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶審圖及檢驗(yàn)等工作。