船舶焊接常見缺陷形成機(jī)理與解決措施分析

李磊，束暉，徐佳煜

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

船體焊接技術(shù)是利用外板、艙室、分段、總段等材料進(jìn)行焊接，以保證結(jié)構(gòu)鋼在焊接過程中達(dá)到焊接要求，并達(dá)到連接。該方法采用了一種以金屬為原料進(jìn)行焊接的空間結(jié)構(gòu)體系，采用了一種連續(xù)的整體冶金技術(shù)。焊接質(zhì)量直接關(guān)系到船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作性能。船舶生產(chǎn)工藝技術(shù)要求高，生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，維修費(fèi)用高，焊接質(zhì)量控制要求高。如何改善焊接工藝，是當(dāng)前我國船舶行業(yè)面臨的一個(gè)長期難題。在焊接工藝中，應(yīng)從人、機(jī)、料、法、環(huán)等多方面進(jìn)行綜合控制，做到事前、事中、事后分析，并對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。焊接作業(yè)量大、焊接部位復(fù)雜、母材品種多樣、工藝參數(shù)不合理、焊接環(huán)境惡劣、焊接技術(shù)水平低等問題。氣孔、夾渣、裂紋是船舶制造中普遍存在的問題。本文從常見焊接缺陷的成因入手，分析了常見的焊接缺陷，分析了造成這種情況的原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。焊接缺陷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、坡口形狀、母材、材料、工藝參數(shù)、熱處理和焊接工藝有關(guān)。

1 船舶焊接方法概述

在現(xiàn)代船舶行業(yè)中，焊接技術(shù)的運(yùn)用，極大地縮短了建造周期，推動(dòng)了船舶行業(yè)的迅速發(fā)展。目前，在船舶工程中，采用的主要焊接技術(shù)有：（1）手工電弧焊。采用焊條的藥皮中添加一定的鐵粉，采用特殊的方法進(jìn)行焊接，但由于其效率低，在實(shí)際生產(chǎn)中使用較少。（2）CO2氣體保護(hù)焊。CO2焊是目前我國船塢應(yīng)用最多的一種方法，其特點(diǎn)是：CO2焊接技術(shù)相對(duì)SMAW 工藝更加集中，具有更小的熱影響區(qū)，提高了焊接效率，而且沿著焊縫的溫度和溫度分布比較均勻，而且應(yīng)力分布比較均勻，適合于大型部件的焊接。（3）氬弧焊接。因?yàn)樵谑褂眠^程中，氣體在經(jīng)過氬氣接頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量，然后通過金屬片的表面，與基片進(jìn)行緊密結(jié)合，從而達(dá)到牢固的焊接效果。（4）激光焊接。利用大功率激光作為熱源進(jìn)行高精度焊接，熱影響區(qū)小，熱集中，焊接變形，殘余應(yīng)力，目前在艙室鋼板焊接中得到了廣泛的應(yīng)用。

焊接工藝過程包括氣孔、焊后殘余應(yīng)力、熱影響區(qū)、應(yīng)力、機(jī)械損傷、應(yīng)力分布、腐蝕等。焊縫應(yīng)力分布時(shí)，通常會(huì)對(duì)焊縫產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致焊縫性能降低和焊接質(zhì)量降低。因此，焊接接頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意避免應(yīng)力集中，防止出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。焊接接頭尺寸大小應(yīng)根據(jù)構(gòu)件尺寸確定。不同材料的焊縫尺寸大小不一，其中一些接頭厚度較小、形狀復(fù)雜的造船構(gòu)件可能需要較大的焊接電流和切割長度。此外，如果焊縫過小，可能無法滿足焊縫的尺寸要求而造成焊接質(zhì)量缺陷。此外，還要注意到高溫下焊縫溫度分布不均勻和焊縫裂紋的產(chǎn)生影響了焊縫性能。

為了防止焊縫中出現(xiàn)裂紋，焊縫接頭的外觀應(yīng)進(jìn)行充分預(yù)熱，并在預(yù)熱溫度下保證焊接材料的熱影響區(qū)處于熔深區(qū)域以下。此外，還需嚴(yán)格控制焊接電流，以防止因?yàn)殡娏鬟^大而導(dǎo)致熔池和接頭熔化并降低接頭強(qiáng)度。因?yàn)楹缚p接頭熔化后還會(huì)繼續(xù)向熔池內(nèi)填充，因此，當(dāng)焊縫成形后，應(yīng)及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行回火處理以消除缺陷。在熔化前應(yīng)先進(jìn)行探傷檢查，以防止熔深不足或探傷不徹底導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。由于在焊縫成形后，焊縫的缺陷會(huì)繼續(xù)向整個(gè)熔池發(fā)展而形成裂紋，因此其探傷必須完全結(jié)束并及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行徹底探傷以消除裂紋后進(jìn)行焊縫成形或焊道成形。為了防止焊縫因缺陷繼續(xù)向下發(fā)展而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)缺陷進(jìn)行徹底探傷檢查并及時(shí)修補(bǔ)。如果發(fā)現(xiàn)焊縫有缺陷或存在嚴(yán)重質(zhì)量問題，應(yīng)立即對(duì)焊縫進(jìn)行焊補(bǔ)。焊補(bǔ)時(shí)，應(yīng)采用合適的壓力和溫度以及相應(yīng)的焊前準(zhǔn)備、操作程序及電弧控制方法等來保證焊接質(zhì)量。對(duì)于一些焊縫質(zhì)量較差或存在少量焊縫缺陷而需對(duì)焊縫進(jìn)行修理時(shí)，應(yīng)采取嚴(yán)格而有效的保護(hù)措施，以防止影響焊縫使用安全及造成質(zhì)量事故等問題出現(xiàn)。

2 船舶焊接缺陷形成機(jī)理分析

2.1 焊接變形

焊縫的變形主要是由于焊接時(shí)的非均勻加熱和冷卻所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。高溫下，材料屈服強(qiáng)度為0，并出現(xiàn)自由變形。當(dāng)傳熱源被轉(zhuǎn)移后，材料的恢復(fù)強(qiáng)度會(huì)受到周圍金屬的限制，而在組織轉(zhuǎn)變時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生應(yīng)力。一般情況下，有三種類型的焊接應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于焊條或焊料在工件表面形成的應(yīng)力，一般是由于熱源引起的。組織應(yīng)力是在轉(zhuǎn)變過程中，溫度和溫度不均勻所引起的組織變形。由于結(jié)構(gòu)自身的約束條件所產(chǎn)生的應(yīng)力，即外部約束應(yīng)力，包括結(jié)構(gòu)形式、焊縫位置、焊接順序、自重、夾具的彈性等。焊接工藝技術(shù)的好壞直接關(guān)系到焊接質(zhì)量。在有限的條件下，如薄板的厚度、自由狀態(tài)等，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的尺寸變化，縮短、彎曲、變形等。在焊接過程中，由于材料的彎曲變形和剩余應(yīng)力的增加，容易導(dǎo)致焊縫的變形和疲勞破壞。

2.2 焊接裂紋

焊接裂紋是指在焊接部位或焊接部位產(chǎn)生的局部裂紋。在焊接時(shí)，由于焊縫的存在，會(huì)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成很大的影響。從某種意義上說，它可以使焊接構(gòu)件和焊接構(gòu)件發(fā)生化學(xué)變化，使其承載能力下降，耐腐蝕性能下降，強(qiáng)度和韌性下降。焊縫裂紋主要由內(nèi)部和外部的溫度引起。內(nèi)應(yīng)力集中是指在焊接過程中，由于焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和輸入熱量的不均而產(chǎn)生的裂紋。內(nèi)熱效應(yīng)是指在焊接過程中，由于焊工未按工藝規(guī)程進(jìn)行操作，或因操作不當(dāng)而造成的內(nèi)壁變形；表面熱效應(yīng)是指在焊接過程中，由于溫度過高而產(chǎn)生的大量空隙和空穴。焊接具有極強(qiáng)的破壞性，如果在海上發(fā)生裂紋，對(duì)船舶的航行造成不可挽回的損害。

焊縫表面、根部和鄰近表面都有焊縫。造成這種情況的主要原因有：（1）焊縫表面的缺陷會(huì)導(dǎo)致焊縫的變形；由于焊工操作不當(dāng)，會(huì)造成焊縫處的孔洞或電弧深度，進(jìn)而加劇焊縫缺陷；（2）焊縫缺陷可能導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展；（3）焊接裂紋是由焊接變形引起的。應(yīng)力集中裂紋、應(yīng)力脈動(dòng)裂紋、應(yīng)力裂紋等是裂紋形成的主要原因。殘余應(yīng)力裂紋是指大裂紋，也叫擴(kuò)展裂紋。裂紋主要集中在焊點(diǎn)，近縫區(qū)裂紋很少，根據(jù)使用情況分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊裂紋。

2.3 焊接環(huán)境影響

船體的焊接作業(yè)以內(nèi)場(chǎng)及干船塢為主，其作業(yè)環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。在焊接過程中，大氣環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境以及各種氣體的存在，都會(huì)對(duì)焊件產(chǎn)生一定的污染，并引起焊接質(zhì)量問題。對(duì)于分段、總段和外段，大多數(shù)情況下都是在外場(chǎng)和碼頭進(jìn)行的。因此，要采取科學(xué)的技術(shù)措施，對(duì)工程建設(shè)的環(huán)境進(jìn)行有效的治理，以保證工程項(xiàng)目的各項(xiàng)安全指標(biāo)在控制范圍內(nèi)。在焊接工藝、工藝參數(shù)選擇、材料選擇、焊接順序的合理安排、焊接內(nèi)外環(huán)境的控制下，保證了焊接的質(zhì)量。焊接工人面對(duì)很多不利因素，首先，要面對(duì)的是氣候問題，南方多雨，如果母材長期在雨中浸泡，則會(huì)導(dǎo)致長期的含水量。在焊接前，如果不及時(shí)處理，就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷。另外，對(duì)焊接作業(yè)人員的安全也有一定的不確定性，稍有疏忽就可能造成電擊事故。另外，外力引起的氣流會(huì)嚴(yán)重影響熔池的保護(hù)，導(dǎo)致工件的內(nèi)外表面產(chǎn)生氣孔，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)展裂紋。

3 船舶焊接缺陷解決措施分析

3.1 焊接工藝認(rèn)可實(shí)驗(yàn)

焊接工藝認(rèn)可實(shí)驗(yàn)是在具體條件下的工藝試驗(yàn)，業(yè)績根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)條件要求和施工條件等進(jìn)行的焊接工藝試驗(yàn)，并通過認(rèn)可實(shí)驗(yàn)證明選用的焊接材料、焊接工藝，達(dá)到“船規(guī)要求”，并獲船檢部門認(rèn)可。（1）焊接工藝方法；（2）母材的鋼種、鋼級(jí)、厚度及其應(yīng)用范圍；（3）焊接材料的牌號(hào)、認(rèn)可等級(jí)、規(guī)格和制造廠；（4）焊接設(shè)備的型號(hào)和制造廠（5）坡口設(shè)計(jì)和加工要求；（6）焊道布置和焊接順序；（7）焊接位置（平、立、橫、仰焊等）；（8）焊接規(guī)范參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度和保護(hù)氣體流量）；（9）焊前預(yù)熱和層間溫度、焊后熱處理及焊后消除應(yīng)力的措施等；（10）檢驗(yàn)項(xiàng)目及試樣尺寸和數(shù)量。上述計(jì)劃認(rèn)可經(jīng)船檢部門批準(zhǔn)后，方可進(jìn)行認(rèn)可試驗(yàn)。

3.2 檢查焊接過程中的影響因素

在船舶的焊接中，一旦出現(xiàn)了這些缺陷，就會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成很大的影響。X 射線、超聲波、磁粉、PT 等多種檢測(cè)手段都有?？梢圆扇∠铝写胧海?）在使用電焊機(jī)進(jìn)行焊接前，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，并對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行檢查；（2）在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，必須保證操作者的工作環(huán)境比較安全。在焊接過程中，因焊接材料的差異及使用情況的差異較大。為了確保船舶工程質(zhì)量與規(guī)范之間的一致性與標(biāo)準(zhǔn)化，必須加強(qiáng)對(duì)這些問題的分析與研究，并采取相應(yīng)的對(duì)策。

3.3 焊接工藝過程參數(shù)控制

在焊接工藝中，槽型是影響焊縫性能和降低焊縫成本的主要因素，而槽型是保證焊縫質(zhì)量，保證焊縫性能，降低焊縫變形，降低焊縫材料損失的主要指標(biāo)。坡口的幾何形狀與焊縫組織、力學(xué)性能密切相關(guān)，合理的坡口形狀對(duì)焊縫的性能和焊接質(zhì)量起著決定性的作用。在焊接工藝中，電流對(duì)焊接溫度起著重要作用，當(dāng)電流增大時(shí)，應(yīng)加快速度，避免熱量的累積。從生產(chǎn)效率上看，為了提高生產(chǎn)率，必須采用較高的電流，但是電流太高會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成影響，而且高溫會(huì)導(dǎo)致一些合金元素的損傷，從而影響焊接后的組織性能，從而導(dǎo)致焊縫熔合區(qū)、熱影響區(qū)的晶粒增加，從而降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和耐撞性。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量選取WPS所允許的最大值，使兩者達(dá)到均衡，達(dá)到雙贏。同時(shí)，選擇合適的焊接電壓取決于電弧的長度，為了獲得較長的電弧，應(yīng)選擇較高的電弧。在采用垂直、仰角時(shí)，為了避免熔滴過量對(duì)焊接工人造成傷害，要盡可能地減小電弧。

此外，在焊接過程中，要注意焊接的速度，要保證焊接結(jié)束后，焊縫的寬度和剩余高度要保持在一定的范圍之內(nèi)，否則，由于焊接速度太快，不能將工件熔化，從而降低焊接質(zhì)量；如果焊接速率太低，導(dǎo)致局部熱集中，導(dǎo)致局部溫度急劇上升，熱影響區(qū)的寬度變大，焊縫的晶粒變粗，力學(xué)性能降低，工件的變形也會(huì)隨之增加。對(duì)于厚度較小的焊件，由于溫度的累積，很容易使其發(fā)生熔融。隨著電弧電壓的提高，焊點(diǎn)的寬度、厚度、剩余高度都會(huì)降低，電流對(duì)焊點(diǎn)的影響最大，但對(duì)熔化深度和熔寬的影響最大。所以，在進(jìn)行焊接時(shí)，必須將上述三方面因素結(jié)合起來，才能達(dá)到更好的效果。

4 結(jié)語

近幾年，隨著我國船舶工業(yè)的快速發(fā)展，焊縫的質(zhì)量問題越來越嚴(yán)重。為此，船舶生產(chǎn)廠家應(yīng)加大對(duì)焊接工藝的研究，以提高其焊接質(zhì)量，確保其焊接效果。（1）在船舶生產(chǎn)中，存在大量的焊接缺陷，這些缺陷對(duì)船舶的使用壽命和安全性造成了很大的影響。（2）在焊接過程中，由于焊縫內(nèi)外存在缺陷，造成了大量的孔隙和腐蝕變形。（3）要根據(jù)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ǎ苑乐垢g過度。（4）由于船舶生產(chǎn)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量、效率、成本、工期等方面的要求，今后仍將繼續(xù)使用手工半自動(dòng)的方法。（5）從以上分析和控制措施中，可以看出：改進(jìn)和控制船舶焊接問題的方法和效果是顯著的；對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，可以有效地改善船舶的生產(chǎn)和安全。船舶的焊接技術(shù)要求很高，其焊接質(zhì)量要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以確保其質(zhì)量。要使焊接技術(shù)在確保焊接質(zhì)量與安全方面起到重要的作用。同時(shí)，在船舶的設(shè)計(jì)中，要充分重視工藝的影響，并在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用焊接技術(shù)來改善其耐腐蝕、耐熱等方面，以確保船舶的安全性。在船舶的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)焊接的質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。對(duì)新材料、新技術(shù)的研究，使之得到恰當(dāng)?shù)母纳啤４靶袠I(yè)要加大技術(shù)創(chuàng)新力度，加大新產(chǎn)品開發(fā)力度。因此，必須加強(qiáng)對(duì)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和研究，以保證船舶的安全、壽命。