船舶焊接方式及其焊接缺陷的控制研究

宋江斌 萬多豪 王立軍

摘 ? 要：船舶焊接在船舶建造領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。焊接費(fèi)用視不同情況而定，一般占到全船建造的35%～45%，非但如此，焊接質(zhì)量的好壞，將直接影響到船舶的各個(gè)方面。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、不同材料的船用鋼材，采用合適的焊接方式十分重要。本文通過查閱大量文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)踐，詳盡描繪了各類焊接方式及其相應(yīng)缺陷的控制方法，希望幫助焊接工作者開展焊接作業(yè)，提高焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接質(zhì)量 ?船舶焊接 ?船用鋼材 ?焊接缺陷

中圖分類號(hào)：U671.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0065-02

20世紀(jì)90年代中后期，隨著先進(jìn)制造技術(shù)向數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，船舶焊接制造工藝也向以工藝知識(shí)為核心、基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)與管理的方向發(fā)展[1]。焊接工藝作為船舶制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)及支撐，但在經(jīng)濟(jì)、地區(qū)等各類因素的影響下，現(xiàn)代化的建造模式并未普及。更有甚者，對(duì)于焊接規(guī)范熟視無睹，往往以利益權(quán)衡是非，采用錯(cuò)誤的焊接方式。這嚴(yán)重影響到船舶航行的安全性，大大降低了船體強(qiáng)度。一旦遇上觸礁、碰撞等事故，后果不堪設(shè)想。為此，采用正確的焊接方式及補(bǔ)償手段尤為重要。

1 ?常用的焊接方式

船舶焊接方法多種多樣，常見的有埋弧自動(dòng)焊、CO2氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、電渣焊等。

埋弧自動(dòng)焊，是指在以機(jī)械自動(dòng)化的形式下進(jìn)行焊絲送給、電弧引燃、電弧移動(dòng)，最終達(dá)到熔合母材的工藝手段。這類焊接方式的最大特征是在進(jìn)行焊接時(shí)電弧被顆粒狀的焊劑所覆蓋，因而又被稱為焊劑層下自動(dòng)電弧焊。

CO2氣體保護(hù)焊，是指焊接接觸點(diǎn)處在CO2氣體流的保護(hù)下，并以焊絲與母材為電極，最終使兩者熔合的一種焊接方法。

鎢極氬弧焊，是指在氬氣流的保護(hù)下，通過鎢棒與母材間產(chǎn)生的高能電弧來熔化給進(jìn)焊絲和母材，以達(dá)到熔合目的的一類焊接方法。

電渣焊，是指運(yùn)用電阻熱的工作原理，利用熔渣釋放出的高溫促使進(jìn)給焊絲與焊件熔化最終熔合形成所需焊縫的焊接手段。

2 ?常用焊接方式的缺陷及其控制

2.1 埋弧自動(dòng)焊的缺陷及其控制

埋弧自動(dòng)焊工藝中，最為常見的缺陷有：裂紋、未焊透、夾渣、未熔合、氣孔、咬邊等，其中危害最大的是裂紋。

引發(fā)裂紋問題的原因很多，針對(duì)不同的原因，有不同的應(yīng)對(duì)措施：首先，要確保選配焊絲的準(zhǔn)確性。對(duì)于不同的焊接材料，應(yīng)選擇不同的焊絲。低碳鋼可選用低錳焊絲，低合金鋼應(yīng)當(dāng)選擇中錳焊絲或高猛焊絲，強(qiáng)度級(jí)別較高的低合金鋼則要選用Mn-Mo焊絲。其次，要保證焊絲的品質(zhì)，選擇使用合格焊絲是防止裂紋缺陷的必要舉措。再者，在實(shí)行焊接前應(yīng)當(dāng)預(yù)熱焊接部位，同時(shí)焊接過后還應(yīng)緩慢冷卻。

彼此交錯(cuò)的加熱線也會(huì)相互影響。在焊接過程中，金屬的熔化和重新結(jié)晶使金屬組織發(fā)生變化，又因熱分布不均，使焊接產(chǎn)生了應(yīng)力和變形，所以，焊接過程中若不注意焊接順序，則會(huì)產(chǎn)生焊縫的斷裂和焊件變形的嚴(yán)重后果[2]。焊接時(shí)要嚴(yán)格按照焊接規(guī)范，不可盲目進(jìn)行焊接操作。

對(duì)于埋弧自動(dòng)焊中的氣孔問題，可以側(cè)重考慮焊接用具的整潔情況。焊縫中存在大量氣孔，往往是焊劑不干凈，焊接坡口有銹、油污或氧化物引起的。因此在燒焊之前應(yīng)多多留意，需將各類焊具清洗干凈，同時(shí)要保證焊劑的干燥。準(zhǔn)備完善后，便可將氣孔頻出的問題解決掉。

而夾渣、咬邊、未熔合、未焊透這幾類問題，關(guān)鍵在于操作的精細(xì)程度。只要合理調(diào)整焊絲，留意焊絲的位置，角度以及焊道的整潔程度就可以將焊接缺陷降低到最少。

2.2 CO2氣體保護(hù)焊的缺陷及其控制

采用CO2氣體保護(hù)焊，極易出現(xiàn)合金元素的燒損、顆粒飛濺、氣孔殘留、焊縫金屬含氧量過高等問題。

處于高溫電弧氛圍下的CO2極具氧化性，它的這一特性正是引起氣孔殘留、顆粒飛濺、合金元素?zé)龘p的主要原因。而焊接過程中的中間副產(chǎn)物FeO，則是導(dǎo)致焊縫金屬含氧量過高、氣孔殘留、顆粒飛濺問題的直接因素。

因此，可以通過選用加有各類脫氧劑的焊絲來進(jìn)行聯(lián)合脫氧。有了脫氧劑的參與，既可以減少合金元素被氧化燒損的數(shù)量，又能夠還原部分中間產(chǎn)物FeO，減輕了焊縫金屬含氧量過高而引起的機(jī)械性能下降的問題。

氣孔殘留與顆粒飛濺問題，在本質(zhì)上是十分復(fù)雜的，產(chǎn)生的氣孔一般有三類：CO氣孔、氫氣孔和氮?dú)饪住?/p>

CO氣孔頻出的問題，可以通過選用合適的脫氧劑焊絲來解決。而焊絲、母材表面不干凈，存在水分和油污常常會(huì)引發(fā)氫氣孔問題，只要清理掉雜質(zhì)，并對(duì)焊絲及CO2氣體進(jìn)行干燥，就可以大大降低氫氣孔出現(xiàn)的概率。對(duì)于氮?dú)饪?，只要保證CO2氣流的穩(wěn)定性，以及所用CO2氣體的純度，確保燒焊過程中沒有大量氮?dú)饣烊爰纯伞?/p>

至于顆粒飛濺問題，其本質(zhì)誘發(fā)因素復(fù)雜?？梢酝ㄟ^在焊絲中添加脫氧劑，穩(wěn)弧劑來緩解，對(duì)于電極的選擇，電流強(qiáng)度的控制也應(yīng)細(xì)細(xì)斟酌。

2.3 鎢極氬弧焊的缺陷及其控制

鎢極氬弧焊中常見的問題有裂紋、氣孔殘留、焊縫表面氧化及鎢極污染焊縫等。

氣孔殘留往往是由于外界氣體混入焊接工具不潔引起的。預(yù)防產(chǎn)生氣孔的辦法有：選擇合適的焊接電流和焊接速度、認(rèn)真清理坡口邊緣水份、油污和銹跡等[3]。裂紋問題，保證好焊前預(yù)熱，放慢焊后的冷卻速度，便可以規(guī)避。焊縫表面氧化常常是氬氣流使用不當(dāng)造成，燒焊前做到提前釋放氬氣流，燒焊后延時(shí)切斷氬氣流，燒焊時(shí)確保氬氣流的穩(wěn)定性，就能解決焊縫表面氧化問題。針對(duì)鎢極污染焊縫的問題，只要依據(jù)所使用的電流大小來選擇鎢極直徑，采用正確的引弧方式，穩(wěn)定電弧長(zhǎng)度，就能防范鎢極污染焊縫這一弊病。

2.4 電渣焊的缺陷及其控制

電渣焊相比以上三種焊接手段，它所存在的焊縫缺陷要少很多。它的主要問題在于焊縫的熱影響區(qū)晶粒粗大，這意味著對(duì)應(yīng)部位的沖擊韌性低。所以，在燒焊結(jié)束后，經(jīng)過正火、回火等措施后，就能緩解晶粒粗大的情況，以改善沖擊韌性低的問題。

3 ?常用船舶焊接方式的適用情況

3.1 埋弧自動(dòng)焊的適用情況

船舶結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于焊接方法的選擇十分重要。

由于埋弧自動(dòng)焊的特性以及所用焊劑的局限性。埋弧自動(dòng)焊很難應(yīng)用于彎曲不平的船用鋼材上。受到焊接設(shè)配的約束，埋弧自動(dòng)焊很難應(yīng)用到立焊和仰焊中，僅局限于俯焊。埋弧自動(dòng)焊有焊劑使用要求，因而不適合用來焊接鋁、鈦等強(qiáng)氧化性的金屬。對(duì)于薄板，因所需的電流過小，埋弧自動(dòng)焊的穩(wěn)性就相對(duì)較差，所以不能用它來進(jìn)行薄板的焊接。埋弧自動(dòng)焊的自動(dòng)化程度很高，但對(duì)焊接母材的預(yù)處理要求卻很苛刻，考慮到交船時(shí)間的緊迫性，可以選用另外合適的焊接手段。

簡(jiǎn)而言之，埋弧自動(dòng)焊在時(shí)間充裕，焊接平直厚板的情況下最為適用。

3.2 CO2氣體保護(hù)焊的適用情況

CO2氣體保護(hù)焊根據(jù)焊絲的不同，可分為實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊和藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊。

對(duì)于實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，它的適用范圍很廣泛，鋼材厚度對(duì)它的影響不大，同時(shí)它適用各類金屬材料的焊接，操作簡(jiǎn)便，效率又高。但是，為確保焊接點(diǎn)處在良好的CO2氛圍下，開展焊接工作前必須要做好防風(fēng)措施，這是CO2氣體保護(hù)焊的繁瑣之處。實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊不能使用交流電源進(jìn)行焊接，更不能進(jìn)行易氧化有色金屬的焊接，并且實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊引起的顆粒飛濺明顯，弧光強(qiáng)烈。

藥芯焊絲很好的彌補(bǔ)了前者的不足，飛濺小，電壓電流選擇范圍廣，最大的不足是藥芯焊絲制造困難，工藝復(fù)雜，容易變質(zhì)。

在一些重要工作中，CO2氣體保護(hù)焊起著至關(guān)重要的作用。CO2氣電垂直自動(dòng)焊工藝在船臺(tái)大合攏時(shí)，焊接垂直對(duì)接縫中廣泛被采用，可以使長(zhǎng)達(dá) 15～30cm 的對(duì)接縫穩(wěn)定牢靠地被焊接在一起，使得焊接效能得以提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了舊有技術(shù)下的效能[4]?？偠灾跓o特殊要求下，追求高效，高質(zhì)量的焊接工藝時(shí)，可以優(yōu)先考慮CO2氣體保護(hù)焊。

3.3 鎢極氬弧焊的適用情況

鎢極氬弧焊具有焊接后殘余焊接應(yīng)力及變形小的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)，使得鎢極氬弧焊非常適合薄板及輕薄構(gòu)件的焊接。鎢極氬弧焊的使用范圍廣泛，焊接母材為有色金屬、不銹鋼、活潑性較強(qiáng)的合金時(shí)就可以選用鎢極氬弧焊。

鎢極氬弧焊由于所使用的電流較小，使得其工作效率低下，倘盲目增大焊接電流，則易引起鎢極破碎，使得焊縫存在夾渣。并且氬氣昂貴，生產(chǎn)成本較高。鎢極氬弧焊適用于有特殊要求的焊接部位，考慮到成本與效率，可在小范圍內(nèi)使用。

3.4 電渣焊的適用范圍

電渣焊時(shí)常用于大厚度的母材之間的焊接。當(dāng)焊接工作時(shí)遇上大厚度焊件或焊接焊縫截面變化大的情況時(shí)，可以選用電渣焊。電渣焊的選用可以提高焊接經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)電渣焊的焊縫缺陷較少，焊縫問題也易于控制。但是電渣焊對(duì)于焊接位置的要求較大，要求焊縫處于垂直位置。并且電渣焊容易引起焊接處晶粒粗大的問題。

4 ?結(jié)語

由于船舶焊接在船舶建造工藝中的重要地位，所以了解并掌握各類焊接方式十分重要。而規(guī)范使用焊接方式是保證焊接質(zhì)量的根本保證。焊接質(zhì)量如果達(dá)不到要求，船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將大打折扣，遇上突發(fā)事件，將引發(fā)重大問題，后果不堪設(shè)想。因此，規(guī)范焊接工作，是船舶焊接的首要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧欣，吳松林. 船舶焊接工藝評(píng)定專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用，2012，27（2）：80-83.

[2] 李鳴. 小型船舶焊接工藝[J]. 江蘇船舶，1999，16（2）：39.

[3] 馬鑑，劉永壽. 船舶焊接工藝的探討[J]. 中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2010（10）：308.

[4] 文大勇. 試析船舶焊接工藝的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2012，12（7）：89-90.