海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量缺陷及其解決措施

高志賓，王磊，卞琦，弭永飛，孫鳳菊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

0 引言

對于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)全生命周期來說，其最核心的兩個(gè)階段是設(shè)計(jì)與建造。而在建造階段中最核心的環(huán)節(jié)是結(jié)構(gòu)焊接，是指將獨(dú)立的金屬材料有機(jī)連接統(tǒng)一為多種功能結(jié)構(gòu)體的技術(shù)。因此，焊接質(zhì)量是決定鋼結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量是由焊工技能水平和熟練程度所決定的，但母材和焊材的各項(xiàng)參數(shù)以及外部環(huán)境也都會影響焊接質(zhì)量，導(dǎo)致出現(xiàn)各類焊接缺陷，如：裂紋、氣孔等[1]。這些焊接缺陷對鋼結(jié)構(gòu)的危害性主要體現(xiàn)在焊道與母材結(jié)合不完美，致使結(jié)合處出現(xiàn)錯(cuò)位、間隙等情況，造成缺陷處應(yīng)力集中，影響鋼結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，致使其極易因外力、自重等作用后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的嚴(yán)重安全事故[2-4]。

1 典型焊接質(zhì)量缺陷類型及產(chǎn)生原因

在焊接過程中，由于各類操作或管理不規(guī)范，導(dǎo)致的焊接質(zhì)量缺陷多種多樣。對于海洋工程裝備制造業(yè)來說，產(chǎn)品工作環(huán)境惡劣，對焊接質(zhì)量要求較高。根據(jù)焊接缺陷的嚴(yán)重性排序，以下為在鋼結(jié)構(gòu)制造過程中常見的幾類焊接質(zhì)量缺陷。

1.1 裂紋

裂紋是指焊接區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，在微觀視界形成新界面，在宏觀視界中表現(xiàn)為裂縫的現(xiàn)象[5]。對于裂紋來說，其具有長寬比大和可生長的特征，按形態(tài)可分為縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、焊趾裂紋、焊根裂紋等，是鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)中最嚴(yán)重的焊接質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命。

產(chǎn)生原因：母材淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋；接頭氫含量越高，裂紋的敏感性越強(qiáng)，越易產(chǎn)生氫裂紋，且有裂紋延遲出現(xiàn)的特征；預(yù)熱緩冷不均勻，熱應(yīng)力釋放不均勻?qū)е履覆膬?nèi)部應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋；熱輸入過大時(shí)，會引起近縫區(qū)的晶粒粗大，降低材料的抗裂性能，熱輸入過小時(shí)，則易使熱影響區(qū)淬硬，不利于氫的逸出；母材過厚，易沿厚度方向產(chǎn)生Z 向應(yīng)力；母材硫、磷含量較高時(shí)，易在焊接后形成低熔點(diǎn)共晶體，該組織在應(yīng)力作用下極易形成結(jié)晶裂紋；母材組對工藝不當(dāng)，可導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)連接受力不均，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；焊接區(qū)域存在水、油、銹等污物，這些污物高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易在焊接區(qū)域產(chǎn)生大量擴(kuò)散氫，很容易造成在焊接區(qū)域產(chǎn)生氫裂紋，對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成致命威脅。

1.2 未熔合

未熔合是指焊道與母材或焊道與焊道之間未完全熔化結(jié)合的現(xiàn)象[6]。對于未熔合來說，其周邊區(qū)域的空隙存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得鋼結(jié)構(gòu)承載后易產(chǎn)生裂紋。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)來說，未熔合是一種危害性較大的焊接缺陷。

產(chǎn)生原因：電弧偏吹導(dǎo)致熱能損失，使得部分母材或上一道焊縫金屬未能完全熔化；焊件表面有油、銹等污物，因污物材料熔點(diǎn)不同，致使其在熔池內(nèi)與冷卻后的母材金屬存在未熔合界面；焊接電流過大，焊條熔化速度和母材或前道焊縫熔化速度不匹配，出現(xiàn)“假焊”情況；橫焊操作時(shí)，因焊道的位置角度特殊，受重力影響，上坡口熔池金屬下墜致使下側(cè)坡口熔化不完全，造成未熔合現(xiàn)象。

1.3 未焊透

未焊透主要是指焊接接頭根部未能完全熔透的現(xiàn)象，在未焊透處會存在機(jī)械缺口或空隙，導(dǎo)致此處應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著。因此，鋼結(jié)構(gòu)極易在承載后引發(fā)裂紋的產(chǎn)生，致使鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而極易造成現(xiàn)場嚴(yán)重安全質(zhì)量事故。

產(chǎn)生原因：坡口角度過小，鈍邊過大，組對間隙過小或錯(cuò)邊，焊條直徑過大，都會導(dǎo)致熔敷金屬未送達(dá)預(yù)定位置，致使未焊透；焊接電流過小，或者焊接速度過快，導(dǎo)致母材單位長度內(nèi)能量輸入不足，底端金屬未能熔化；對于單面焊雙面成型的焊接方式，易因電弧燃燒時(shí)間短導(dǎo)致熔孔未形成，造成未焊透的焊接缺陷。

1.4 咬邊

咬邊是指在焊縫與母材的交界處存在焊趾母材部位金屬被電弧燒熔形成凹槽的現(xiàn)象，就像熔池金屬咬掉了母材金屬一部分，故稱為咬邊。咬邊會減少焊道有效截面積，降低接頭強(qiáng)度，且咬邊處存在應(yīng)力集中導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)生原因：焊接電流過大，電弧過長，焊縫部位高低不平，電弧在焊縫兩側(cè)停留時(shí)間過短，都會導(dǎo)致熔池中心熱輸入高，焊縫兩側(cè)金屬填充不足，出現(xiàn)咬邊。

1.5 夾渣

夾渣是指焊接后殘留在焊道內(nèi)部非金屬的夾雜物，其會降低焊縫有效截面積，降低鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械性能。其中，相比于平焊，立焊和仰焊更易產(chǎn)生夾渣。

產(chǎn)生原因：施焊前未及時(shí)清除上一層焊道的熔渣，焊條藥皮受潮脫落進(jìn)入熔池未及時(shí)浮出；焊條角度和運(yùn)條方法不當(dāng)，焊縫寬度不均勻，熔池寬深比過小，焊接電流過小，坡口設(shè)計(jì)及加工不當(dāng)，導(dǎo)致熔池金屬流動性差，熔渣殘留在熔池中；在母材和焊條形成的熔池中，氧、氮、硫等化學(xué)元素的含量過高，在高溫下產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，其氧化物、硫化物等化學(xué)產(chǎn)物在熔池金屬凝固前未及時(shí)浮出。

1.6 焊瘤

焊瘤是指熔池金屬流到焊縫之外形成金屬瘤的現(xiàn)象，焊瘤的下方常存在未焊透這種焊接質(zhì)量缺陷。而且，焊瘤附近易形成表面夾渣，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，在管道內(nèi)部的焊瘤，會影響管內(nèi)有效截面積，嚴(yán)重時(shí)造成管道堵塞。

產(chǎn)生原因：鈍邊過小，間隙過大，焊接電流過大，焊接速度過慢，焊條角度不合適，導(dǎo)致熔池金屬溫度過高，冷卻速率較慢，后因金屬自重下墜產(chǎn)生焊瘤。

1.7 氣孔

氣孔是指在焊接過程中，因熔池內(nèi)氣泡未能及時(shí)逸出，導(dǎo)致其在焊道區(qū)域形成空穴，稱為氣孔。氣孔會減少焊縫有效截面積，降低焊縫的機(jī)械性能。對于管道上的部分氣孔，尤其是針孔，甚至?xí)l(fā)內(nèi)部液體泄漏等嚴(yán)重問題。

產(chǎn)生原因：焊條、焊劑受潮或未烘干，焊件表面存在油、水、銹等污物，導(dǎo)致其在高溫作用下生成大量一氧化碳等氣體；焊條碳含量過高，其在高溫下與氧反應(yīng)，生成一氧化碳、二氧化碳等氣體；焊接電流過低或焊接速度過快，導(dǎo)致熔池金屬凝固過快，不利于氣體的逸出；焊接電流過高，藥皮過早熔化脫落，失去保護(hù)作用，致使氣體進(jìn)入熔池；電弧長度過長或偏吹，以及運(yùn)條手法不穩(wěn)，易導(dǎo)致熔池周圍氣體保護(hù)層被破壞，空氣中的氮?dú)夂苋菀拙瓦M(jìn)入熔池產(chǎn)生密集氣孔。

1.8 凹陷

凹陷是指焊道中心區(qū)域的金屬低于焊道邊緣和母材表面的現(xiàn)象，減少了焊道的有效截面積，易造成焊接區(qū)域受力不均，大大削弱了焊接接頭強(qiáng)度。

產(chǎn)生原因：組對間隙過大，鈍邊過小，以及熔池體積過大，都會導(dǎo)致熔池金屬因自身重力產(chǎn)生下墜；焊條直徑過大，焊接電流過大，導(dǎo)致熔池金屬中心溫度高，焊道冷卻速率不均勻，易產(chǎn)生中心凹陷；運(yùn)條角度不當(dāng)，導(dǎo)致焊接過程中焊條未能送到坡口根部，后因熔池金屬下墜補(bǔ)充，因此在焊道中心區(qū)域出現(xiàn)凹陷。

1.9 焊縫外形尺寸不符

該缺陷主要表現(xiàn)為焊縫表面高低不平，焊縫成形不美觀，影響了焊材與母材的結(jié)合程度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均，降低接頭強(qiáng)度。

產(chǎn)生原因：坡口角度加工不當(dāng)，組對間隙不均勻，導(dǎo)致熔池金屬分布不均；在焊接過程中，焊接電流過大或過小，焊工的運(yùn)條速度過快或過慢，或者焊條角度不合適，焊工工藝不正確等情況，都會導(dǎo)致熔池金屬流動和凝固成型效果差。

2 焊接質(zhì)量缺陷原因歸類分析及應(yīng)對措施

焊接質(zhì)量缺陷多種多樣，且都為各因素變化導(dǎo)致的焊接結(jié)果，只有從源頭解決焊接缺陷出現(xiàn)的原因，才能從根本上解決焊接質(zhì)量缺陷問題[7]。因此，根據(jù)上述各焊接缺陷原因的特征，對其問題屬性進(jìn)行分析，可將其分為如下幾大類型。

2.1 焊接參數(shù)設(shè)置不合理

其主要是指焊接單位熱輸入不合理，反映在焊接電壓、焊接電流設(shè)置不合理，致使熔池內(nèi)各材料狀態(tài)變化不協(xié)調(diào)，幾乎所有類型的焊接質(zhì)量缺陷都與此原因有關(guān)。因此，鋼結(jié)構(gòu)加工制造企業(yè)需高度重視焊接參數(shù)設(shè)置。對于企業(yè)管理者來說，要嚴(yán)格開展焊接試驗(yàn)評定，制定合理的焊接工藝；對于焊接工人來說，要嚴(yán)格執(zhí)行既定的焊接工藝，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在焊接工藝參數(shù)允許范圍內(nèi)合理設(shè)置并適度調(diào)整電壓、電流等焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量。

2.2 焊工焊接熟練度較低

其主要是指焊工技能水平過低或操作不熟練，導(dǎo)致電弧過長或過短、運(yùn)條速度不當(dāng)、焊條夾持角度不對、引弧方法不正確等情況。對于該原因，企業(yè)需從兩方面解決：一是要合理安排工作量，避免出現(xiàn)焊工因單位時(shí)間內(nèi)待完成工作量過大，導(dǎo)致其為按時(shí)完成任務(wù)，或?yàn)榱说玫礁嗉庸ち浚黄然蛑鲃犹岣哌\(yùn)條速度等現(xiàn)象；二是要提高焊工施焊意識，持續(xù)加強(qiáng)焊接技能鍛煉，養(yǎng)成并保持良好的施焊習(xí)慣，對技能水平過低的焊工，要及時(shí)清退出廠。

2.3 上游工序操作不當(dāng)

其主要是指焊接前后準(zhǔn)備措施不完善的行為，包括材料結(jié)構(gòu)連接方式設(shè)計(jì)不合理、待焊母材坡口加工角度和坡口邊緣直線度偏差過大、材料組對或點(diǎn)焊固定時(shí)的焊接間隙和鈍邊參數(shù)不合理、預(yù)熱緩冷措施不到位，其都可導(dǎo)致裂紋、未焊透、夾渣等焊接質(zhì)量缺陷。因此，企業(yè)不僅需要控制好焊接過程中焊件的預(yù)熱及緩冷速率，防止因鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外加熱或散熱不均等問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放不完全等情況，且要做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及組對工作核查等工作。

2.4 外部環(huán)境因素影響

其主要是指惡劣天氣和焊件表面清理不干凈也會導(dǎo)致焊接缺陷的發(fā)生，包括風(fēng)速過大導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)母材內(nèi)外溫差過大出現(xiàn)應(yīng)力集中或氣體進(jìn)入焊接熔池出現(xiàn)氣孔，焊件表面存在雨雪霜凍等導(dǎo)致焊接區(qū)域擴(kuò)散氫過多形成氫氣孔，焊件表面存在水、油、銹等導(dǎo)致高溫化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。因此，企業(yè)需要持續(xù)加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理，在惡劣天氣下做好防風(fēng)、防水等系列措施。同時(shí)，在焊接作業(yè)前，焊工要及時(shí)清除焊道或母材待焊接區(qū)域表面的水、油、銹等，以及上一道焊縫殘存的藥皮、藥渣等污物，確保焊接區(qū)域清潔干燥。

2.5 材料管理不嚴(yán)格

其主要是指因母材、焊條質(zhì)量較差的情況。其中，母材碳、硫、磷等含量過高導(dǎo)致的材料脆性過大易出現(xiàn)裂紋，焊條受潮或未烘干，藥皮出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致在焊接過程中出現(xiàn)夾渣等問題。因此，企業(yè)需做好供應(yīng)鏈管理工作，向正規(guī)廠家采購化學(xué)元素含量在合理范圍內(nèi)且加工成型較好的鋼材。另外，鋼結(jié)構(gòu)加工制造企業(yè)要盡可能選擇采購使用低氫焊材，并在使用過程中，做好焊條烘干、受損焊條及時(shí)更換以及焊條在使用時(shí)的保溫處理等管理工作。

上述五項(xiàng)原因主要和焊接工藝的設(shè)計(jì)與執(zhí)行管理、焊接人員的管理、焊接保護(hù)措施、焊接材料的管理等有關(guān)，都屬于焊接過程管理問題。因此，為了提高海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，減少焊接質(zhì)量缺陷，企業(yè)必須從焊接過程管理的角度出發(fā)，以人、機(jī)、料、法、環(huán)為切入點(diǎn)，注重解析焊接質(zhì)量問題出現(xiàn)的根本原因。只有找到了問題的源頭，才能從最大程度徹底解決焊接質(zhì)量缺陷的問題。

3 結(jié)語

對于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)加工行業(yè)來說，焊接質(zhì)量是企業(yè)最關(guān)心的參數(shù)。而對于不同企業(yè)來說，焊接人員技能水平參差不齊，所在區(qū)域的焊接環(huán)境差異較大，焊接管理制度和執(zhí)行情況不一，采辦原料質(zhì)量難以保障，這些都可能導(dǎo)致焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題。這些導(dǎo)致焊接質(zhì)量缺陷的原因多種多樣，涉及各環(huán)節(jié)，難以下手解決。但通過對各原因的特征屬性分析可知，這些原因都可歸根于焊接過程質(zhì)量管理。

因此，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)加工企業(yè)需從原料質(zhì)量、焊接管理、人員水平、過程保護(hù)等方面加強(qiáng)焊接過程管理，提升鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。