船體外板焊縫的開(kāi)裂問(wèn)題及維修方法

聶向陽(yáng)

摘? 要：在船體維護(hù)過(guò)程中，外板焊縫開(kāi)裂是常見(jiàn)問(wèn)題之一，該問(wèn)題的出現(xiàn)容易威脅船體外板的穩(wěn)定性，對(duì)船體質(zhì)量造成負(fù)面影響。基于此點(diǎn)，維護(hù)人員在船體的外板更換中應(yīng)認(rèn)真檢查和發(fā)現(xiàn)外板焊縫發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題的原因，并結(jié)合引發(fā)開(kāi)裂現(xiàn)象的問(wèn)題根源制定維修方法，減少此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：船體外板;焊縫開(kāi)裂;問(wèn)題原因;維修方案

在船體維護(hù)工作匯總，外板的更換是一道關(guān)鍵步驟，外板的焊接涉及到船體的肋骨、縱骨和縱桁等多個(gè)部分。在新舊船體的外板焊接過(guò)程中，較容易出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，這一問(wèn)題對(duì)船體維修造成了嚴(yán)重的干擾，為了減少類(lèi)似現(xiàn)象的發(fā)生，工作人員需要思考和探查出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的原因所在，以此做好維修和防范工作。

一、案例介紹

某一船艇在維修過(guò)程中總共更換48塊外板，更換外板所使用的材料為經(jīng)過(guò)3C認(rèn)證的Q235鋼，鋼材厚度和屈服強(qiáng)度分別是8mm和235MPa，抗拉伸強(qiáng)度380MPa，焊接使用J422酸性焊條展開(kāi)。在焊接完成之后，該船艇發(fā)生了大量的焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，超過(guò)10處焊縫能肉眼觀察到裂紋。根據(jù)記錄的裂紋形成過(guò)程分析，開(kāi)裂的焊縫是在外板焊接一面完成后，在對(duì)另一面進(jìn)行開(kāi)槽時(shí)發(fā)生。雖然在開(kāi)裂問(wèn)題發(fā)生后，維修人員及時(shí)對(duì)焊接材料進(jìn)行了調(diào)整，確保開(kāi)裂問(wèn)題沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)大，但是如果不知曉引發(fā)開(kāi)裂的問(wèn)題癥結(jié)，那么焊接質(zhì)量就始終無(wú)法得到全面保證，焊縫的合格率也難以提高。為了增強(qiáng)維修效率，充分降低維修的周期成本，維修人員需從此次焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象了尋找原因，降低下次外板焊接時(shí)焊縫開(kāi)裂的發(fā)生幾率。

二、引發(fā)焊接裂紋的原因

（一）裂紋類(lèi)型

根據(jù)形成裂紋的機(jī)理區(qū)別，焊接裂紋有冷裂紋和熱裂紋之分[1]。冷裂紋是因?yàn)樵诤附訒r(shí)，焊縫氫含量過(guò)高、鋼淬硬性?xún)A向以及焊接結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力所致，焊接人員在焊接時(shí)，鋼淬硬性?xún)A向和焊接結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力共同作用，加之焊縫的氫含量太大，外板就容易形成裂紋。對(duì)于冷裂紋的防控，以控制氫來(lái)源為主，維修人員在開(kāi)始焊接前需要對(duì)焊條和焊縫預(yù)先加以烘焙和預(yù)熱，減少焊接造成焊縫開(kāi)裂的幾率，在焊后，維修人員還要采取“緩冷”方式，防止裂紋在焊接后出現(xiàn)的可能性。

焊接熱裂紋是因?yàn)楦邷刈饔?，?dǎo)致硫和磷等元素在焊縫中形成液態(tài)薄膜，而在焊接完成后的冷卻過(guò)程中，因?yàn)楦叩蜏禺a(chǎn)生的熱脹冷縮而造成的拉伸應(yīng)力作用，令焊縫開(kāi)裂，因此出現(xiàn)了熱裂紋。熱裂紋的防控原理與冷裂紋一致，以控制硫和磷等元素來(lái)源為主，維修人員在焊接開(kāi)始前首先對(duì)焊縫的表面進(jìn)行清理，清除掉油污和油漆等污穢物，減少有害元素，在挑選焊接材料時(shí)，盡可能選擇硫和磷等有害元素含量較低的鋼材和焊條，以此控制焊接過(guò)程中熱裂紋的出現(xiàn)概率。

（二）原因分析

該船艇在焊接過(guò)程中選用的是8mm厚度的Q235鋼，屈服強(qiáng)度只有235MPa，冷裂紋問(wèn)題主要出現(xiàn)在厚度>16 mm，屈服強(qiáng)度>500MPa的高強(qiáng)鋼中，Q235鋼作為普通碳素結(jié)構(gòu)的低碳鋼，冷卻速度并不快，且無(wú)論是鋼板厚度還是屈服強(qiáng)度，都不符合冷裂紋的產(chǎn)生條件，因此該船體的裂紋為冷裂紋的可能性不高。

那么是否可以推測(cè)船體的裂紋為熱裂紋？通過(guò)對(duì)鋼板母材進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，獲得如表1所示數(shù)據(jù)。

從表1來(lái)看，該船體在外板更換中所選用的新鋼板硫含量較高，錳與硫的比值較小，對(duì)于焊接熱裂紋的抑制效果略顯不足，存在因?yàn)樾落摪逡l(fā)熱裂紋的可能。但是需指出，船體維修的焊接條件不同于船體建造的焊接條件，維修船體時(shí)，焊接工作是在強(qiáng)拘束條件下展開(kāi)，更換的外板因?yàn)槌叽绮淮螅艽w板架結(jié)構(gòu)分割和約束的情況比較明顯，外板四周又為封閉拘束的環(huán)境情況，這導(dǎo)致焊接外板時(shí)，外板難以做到自由伸縮，殘留的焊接應(yīng)力較大，當(dāng)外板固定不穩(wěn)當(dāng)而應(yīng)力集中時(shí)，就會(huì)引起開(kāi)裂問(wèn)題。在該船艇的開(kāi)裂現(xiàn)象中，裂紋是出現(xiàn)于外板焊接完成一面并在另一面進(jìn)行開(kāi)槽的時(shí)段，推測(cè)當(dāng)維修人員在另一面開(kāi)槽時(shí)，因?yàn)檫x用外板的厚度只有8mm，因此在開(kāi)槽后所形成的焊縫截面積并不大，這就使得外板上出現(xiàn)局部強(qiáng)度薄弱問(wèn)題，由于局部強(qiáng)度薄弱，焊接時(shí)就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)度集中的情況，于是便發(fā)生了開(kāi)槽時(shí)大量焊縫發(fā)生開(kāi)裂的問(wèn)題。

因此，該船體的焊縫開(kāi)裂存在兩種可能，其一是因?yàn)閺?qiáng)拘束條件造成的焊接殘余應(yīng)力過(guò)大，從而導(dǎo)致了焊接時(shí)的焊縫裂紋。其二是因?yàn)楹缚p中的硫和磷等有害元素過(guò)多，加之高溫影響，在焊接時(shí)形成了低熔點(diǎn)共晶或液態(tài)薄膜，最終導(dǎo)致了焊縫開(kāi)裂。

三、維修方法

（一）控制焊接電流

在實(shí)際的焊接中，電流與焊接質(zhì)量之間關(guān)系緊密，若不能加強(qiáng)對(duì)電流的高效把控，勢(shì)必影響焊接的質(zhì)量與效率。當(dāng)電流增大時(shí)，則焊接電弧及熱輸入隨之增加，工件熱源下移時(shí)熔深同步增加，由此證實(shí)電流與熔深間呈正比[2]。電流的增加與焊絲融化量間呈正比，即在熔寬固定的條件下，電流越大則融化量越高，由此焊點(diǎn)余高增加。電弧弧柱直徑在電流增大后也將隨之增大，而其潛入工件的深度也將產(chǎn)生顯著變化，但由于該過(guò)程受電弧斑點(diǎn)活動(dòng)范圍限制，因此熔寬將無(wú)變化。由此可見(jiàn)，電流的大小主要與溶深影響密切，如電流過(guò)小時(shí)，將導(dǎo)致電弧欠穩(wěn)定及溶深減小，導(dǎo)致工件焊接夾渣或無(wú)法焊透等一系列問(wèn)題。而當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，工件的熱輸入增加，將易使硫和磷等有害元素發(fā)生反應(yīng)，引發(fā)焊縫開(kāi)裂，嚴(yán)重影響效率，因此焊接電流必須選得適當(dāng)。

（二）電弧電壓控制

電弧電壓通常以電弧的長(zhǎng)短所表示，電弧越長(zhǎng)則表示電壓越高，反之亦然[3]。在實(shí)際的焊接操作中，一般需要合理控制電弧電壓，以保持與焊縫熔寬的適應(yīng)性，以免因電弧過(guò)長(zhǎng)而致燃燒不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生空氣侵入而產(chǎn)生氣孔，影響焊縫的焊接質(zhì)量。而電弧電壓過(guò)大也將增加功率，導(dǎo)致工件熱輸入增大，從而同樣使工件的變形量增加。

（三）焊接速度控制

焊接速度是焊接效率的重要影響因素，也決定著外板的穩(wěn)定性，因此為使焊接速度達(dá)到最佳水平，在保證質(zhì)量的前提下，就必須采用較大的焊接電壓和焊接電流。同理，當(dāng)電壓電流一定時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，達(dá)到滿(mǎn)足的線能量，那么焊接速度也就受到了控制。

（四）氣體保護(hù)

合適的氣體流量是保證焊接質(zhì)量的前提，正確的氣體保護(hù)流量可以將焊絲熔敷率提升到更高水平，并使焊接過(guò)程中減少飛濺及清渣問(wèn)題，從而避免焊接過(guò)程中的污穢積蓄，并在高溫作用下發(fā)生反應(yīng)，引起開(kāi)裂。維修人員當(dāng)通過(guò)氣體保護(hù)大幅提升焊接的質(zhì)量的效率，降低煙塵等附加問(wèn)題，太大或太小的流量都不利于焊接，因此要適當(dāng)調(diào)整。

（五）分段焊接

考慮除熱裂紋外，船體的強(qiáng)拘束條件也存在引發(fā)焊縫開(kāi)裂的可能，因此在焊接時(shí)應(yīng)采取分段焊接。維修人員需先從船體內(nèi)部入手，焊接內(nèi)部焊縫，完成內(nèi)部焊接后再對(duì)船體外部的焊縫用分段進(jìn)行開(kāi)槽，在開(kāi)槽完成后填充焊，用這種方式降低開(kāi)槽對(duì)焊縫有效承載面積的影響，避免發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在完成上述工序之后，維修人員可以選擇蓋面焊的方式進(jìn)行焊接，選用此方法的目的是為了降低焊接過(guò)程對(duì)焊接工裝夾具的要求，在選用焊條時(shí)，維修人員也應(yīng)當(dāng)選用抑制作用更良好的堿性焊條，降低熱裂紋的發(fā)生可能。

四、結(jié)語(yǔ)

焊縫開(kāi)裂問(wèn)題將會(huì)對(duì)船體的維護(hù)工作帶來(lái)巨大的阻礙，維修人員在發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，要結(jié)合選用的材料以及焊接環(huán)境，分析導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的原因，并通過(guò)適當(dāng)控制焊接中的電流、電壓、焊接速度，并采用將焊接分段進(jìn)行等方式，降低焊縫開(kāi)裂繼續(xù)發(fā)生的可能，保證焊接質(zhì)量以及維護(hù)工作的順利進(jìn)行。

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