船舶焊接常见缺陷形成机理与解决措施分析

李磊，束晖，徐佳煜

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

船体焊接技术是利用外板、舱室、分段、总段等材料进行焊接，以保证结构钢在焊接过程中达到焊接要求，并达到连接。该方法采用了一种以金属为原料进行焊接的空间结构体系，采用了一种连续的整体冶金技术。焊接质量直接关系到船舶结构构件的工作性能。船舶生产工艺技术要求高，生产周期长，工艺复杂，维修费用高，焊接质量控制要求高。如何改善焊接工艺，是当前我国船舶行业面临的一个长期难题。在焊接工艺中，应从人、机、料、法、环等多方面进行综合控制，做到事前、事中、事后分析，并对焊接质量进行有效的控制。焊接作业量大、焊接部位复杂、母材品种多样、工艺参数不合理、焊接环境恶劣、焊接技术水平低等问题。气孔、夹渣、裂纹是船舶制造中普遍存在的问题。本文从常见焊接缺陷的成因入手，分析了常见的焊接缺陷，分析了造成这种情况的原因，提出了相应的预防措施。焊接缺陷与结构应力、坡口形状、母材、材料、工艺参数、热处理和焊接工艺有关。

1 船舶焊接方法概述

在现代船舶行业中，焊接技术的运用，极大地缩短了建造周期，推动了船舶行业的迅速发展。目前，在船舶工程中，采用的主要焊接技术有：（1）手工电弧焊。采用焊条的药皮中添加一定的铁粉，采用特殊的方法进行焊接，但由于其效率低，在实际生产中使用较少。（2）CO2气体保护焊。CO2焊是目前我国船坞应用最多的一种方法，其特点是：CO2焊接技术相对SMAW 工艺更加集中，具有更小的热影响区，提高了焊接效率，而且沿着焊缝的温度和温度分布比较均匀，而且应力分布比较均匀，适合于大型部件的焊接。（3）氩弧焊接。因为在使用过程中，气体在经过氩气接头时，会产生热量，然后通过金属片的表面，与基片进行紧密结合，从而达到牢固的焊接效果。（4）激光焊接。利用大功率激光作为热源进行高精度焊接，热影响区小，热集中，焊接变形，残余应力，目前在舱室钢板焊接中得到了广泛的应用。

焊接工艺过程包括气孔、焊后残余应力、热影响区、应力、机械损伤、应力分布、腐蚀等。焊缝应力分布时，通常会对焊缝产生不利影响，从而导致焊缝性能降低和焊接质量降低。因此，焊接接头设计时，应注意避免应力集中，防止出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷。焊接接头尺寸大小应根据构件尺寸确定。不同材料的焊缝尺寸大小不一，其中一些接头厚度较小、形状复杂的造船构件可能需要较大的焊接电流和切割长度。此外，如果焊缝过小，可能无法满足焊缝的尺寸要求而造成焊接质量缺陷。此外，还要注意到高温下焊缝温度分布不均匀和焊缝裂纹的产生影响了焊缝性能。

为了防止焊缝中出现裂纹，焊缝接头的外观应进行充分预热，并在预热温度下保证焊接材料的热影响区处于熔深区域以下。此外，还需严格控制焊接电流，以防止因为电流过大而导致熔池和接头熔化并降低接头强度。因为焊缝接头熔化后还会继续向熔池内填充，因此，当焊缝成形后，应及时对焊缝进行回火处理以消除缺陷。在熔化前应先进行探伤检查，以防止熔深不足或探伤不彻底导致焊缝出现裂纹。由于在焊缝成形后，焊缝的缺陷会继续向整个熔池发展而形成裂纹，因此其探伤必须完全结束并及时对焊缝进行彻底探伤以消除裂纹后进行焊缝成形或焊道成形。为了防止焊缝因缺陷继续向下发展而出现开裂现象，应对缺陷进行彻底探伤检查并及时修补。如果发现焊缝有缺陷或存在严重质量问题，应立即对焊缝进行焊补。焊补时，应采用合适的压力和温度以及相应的焊前准备、操作程序及电弧控制方法等来保证焊接质量。对于一些焊缝质量较差或存在少量焊缝缺陷而需对焊缝进行修理时，应采取严格而有效的保护措施，以防止影响焊缝使用安全及造成质量事故等问题出现。

2 船舶焊接缺陷形成机理分析

2.1 焊接变形

焊缝的变形主要是由于焊接时的非均匀加热和冷却所产生的残余应力。高温下，材料屈服强度为0，并出现自由变形。当传热源被转移后，材料的恢复强度会受到周围金属的限制，而在组织转变时，其体积会发生变化，并产生应力。一般情况下，有三种类型的焊接应力。热应力是由于焊条或焊料在工件表面形成的应力，一般是由于热源引起的。组织应力是在转变过程中，温度和温度不均匀所引起的组织变形。由于结构自身的约束条件所产生的应力，即外部约束应力，包括结构形式、焊缝位置、焊接顺序、自重、夹具的弹性等。焊接工艺技术的好坏直接关系到焊接质量。在有限的条件下，如薄板的厚度、自由状态等，都会产生相应的尺寸变化，缩短、弯曲、变形等。在焊接过程中，由于材料的弯曲变形和剩余应力的增加，容易导致焊缝的变形和疲劳破坏。

2.2 焊接裂纹

焊接裂纹是指在焊接部位或焊接部位产生的局部裂纹。在焊接时，由于焊缝的存在，会对其内部结构造成很大的影响。从某种意义上说，它可以使焊接构件和焊接构件发生化学变化，使其承载能力下降，耐腐蚀性能下降，强度和韧性下降。焊缝裂纹主要由内部和外部的温度引起。内应力集中是指在焊接过程中，由于焊接时产生的应力和输入热量的不均而产生的裂纹。内热效应是指在焊接过程中，由于焊工未按工艺规程进行操作，或因操作不当而造成的内壁变形；表面热效应是指在焊接过程中，由于温度过高而产生的大量空隙和空穴。焊接具有极强的破坏性，如果在海上发生裂纹，对船舶的航行造成不可挽回的损害。

焊缝表面、根部和邻近表面都有焊缝。造成这种情况的主要原因有：（1）焊缝表面的缺陷会导致焊缝的变形；由于焊工操作不当，会造成焊缝处的孔洞或电弧深度，进而加剧焊缝缺陷；（2）焊缝缺陷可能导致裂纹扩展；（3）焊接裂纹是由焊接变形引起的。应力集中裂纹、应力脉动裂纹、应力裂纹等是裂纹形成的主要原因。残余应力裂纹是指大裂纹，也叫扩展裂纹。裂纹主要集中在焊点，近缝区裂纹很少，根据使用情况分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹。

2.3 焊接环境影响

船体的焊接作业以内场及干船坞为主，其作业环境对焊接质量有很大影响。在焊接过程中，大气环境、振动环境以及各种气体的存在，都会对焊件产生一定的污染，并引起焊接质量问题。对于分段、总段和外段，大多数情况下都是在外场和码头进行的。因此，要采取科学的技术措施，对工程建设的环境进行有效的治理，以保证工程项目的各项安全指标在控制范围内。在焊接工艺、工艺参数选择、材料选择、焊接顺序的合理安排、焊接内外环境的控制下，保证了焊接的质量。焊接工人面对很多不利因素，首先，要面对的是气候问题，南方多雨，如果母材长期在雨中浸泡，则会导致长期的含水量。在焊接前，如果不及时处理，就会产生焊接缺陷。另外，对焊接作业人员的安全也有一定的不确定性，稍有疏忽就可能造成电击事故。另外，外力引起的气流会严重影响熔池的保护，导致工件的内外表面产生气孔，严重时产生扩展裂纹。

3 船舶焊接缺陷解决措施分析

3.1 焊接工艺认可实验

焊接工艺认可实验是在具体条件下的工艺试验，业绩根据产品结构特点，技术条件要求和施工条件等进行的焊接工艺试验，并通过认可实验证明选用的焊接材料、焊接工艺，达到“船规要求”，并获船检部门认可。（1）焊接工艺方法；（2）母材的钢种、钢级、厚度及其应用范围；（3）焊接材料的牌号、认可等级、规格和制造厂；（4）焊接设备的型号和制造厂（5）坡口设计和加工要求；（6）焊道布置和焊接顺序；（7）焊接位置（平、立、横、仰焊等）；（8）焊接规范参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度和保护气体流量）；（9）焊前预热和层间温度、焊后热处理及焊后消除应力的措施等；（10）检验项目及试样尺寸和数量。上述计划认可经船检部门批准后，方可进行认可试验。

3.2 检查焊接过程中的影响因素

在船舶的焊接中，一旦出现了这些缺陷，就会对施工质量造成很大的影响。X 射线、超声波、磁粉、PT 等多种检测手段都有。可以采取下列措施：（1）在使用电焊机进行焊接前，应对焊缝进行相关的测试，并对焊缝内部进行检查；（2）在进行试验时，必须保证操作者的工作环境比较安全。在焊接过程中，因焊接材料的差异及使用情况的差异较大。为了确保船舶工程质量与规范之间的一致性与标准化，必须加强对这些问题的分析与研究，并采取相应的对策。

3.3 焊接工艺过程参数控制

在焊接工艺中，槽型是影响焊缝性能和降低焊缝成本的主要因素，而槽型是保证焊缝质量，保证焊缝性能，降低焊缝变形，降低焊缝材料损失的主要指标。坡口的几何形状与焊缝组织、力学性能密切相关，合理的坡口形状对焊缝的性能和焊接质量起着决定性的作用。在焊接工艺中，电流对焊接温度起着重要作用，当电流增大时，应加快速度，避免热量的累积。从生产效率上看，为了提高生产率，必须采用较高的电流，但是电流太高会对焊接质量造成影响，而且高温会导致一些合金元素的损伤，从而影响焊接后的组织性能，从而导致焊缝熔合区、热影响区的晶粒增加，从而降低焊接接头的疲劳强度和耐撞性。因此，在实际生产中，应尽量选取WPS所允许的最大值，使两者达到均衡，达到双赢。同时，选择合适的焊接电压取决于电弧的长度，为了获得较长的电弧，应选择较高的电弧。在采用垂直、仰角时，为了避免熔滴过量对焊接工人造成伤害，要尽可能地减小电弧。

此外，在焊接过程中，要注意焊接的速度，要保证焊接结束后，焊缝的宽度和剩余高度要保持在一定的范围之内，否则，由于焊接速度太快，不能将工件熔化，从而降低焊接质量；如果焊接速率太低，导致局部热集中，导致局部温度急剧上升，热影响区的宽度变大，焊缝的晶粒变粗，力学性能降低，工件的变形也会随之增加。对于厚度较小的焊件，由于温度的累积，很容易使其发生熔融。随着电弧电压的提高，焊点的宽度、厚度、剩余高度都会降低，电流对焊点的影响最大，但对熔化深度和熔宽的影响最大。所以，在进行焊接时，必须将上述三方面因素结合起来，才能达到更好的效果。

4 结语

近几年，随着我国船舶工业的快速发展，焊缝的质量问题越来越严重。为此，船舶生产厂家应加大对焊接工艺的研究，以提高其焊接质量，确保其焊接效果。（1）在船舶生产中，存在大量的焊接缺陷，这些缺陷对船舶的使用寿命和安全性造成了很大的影响。（2）在焊接过程中，由于焊缝内外存在缺陷，造成了大量的孔隙和腐蚀变形。（3）要根据实际情况选用适当的焊接方法，以防止腐蚀过度。（4）由于船舶生产技术对生产质量、效率、成本、工期等方面的要求，今后仍将继续使用手工半自动的方法。（5）从以上分析和控制措施中，可以看出：改进和控制船舶焊接问题的方法和效果是显著的；对焊缝缺陷进行进一步的优化和完善，可以有效地改善船舶的生产和安全。船舶的焊接技术要求很高，其焊接质量要符合相关标准，以确保其质量。要使焊接技术在确保焊接质量与安全方面起到重要的作用。同时，在船舶的设计中，要充分重视工艺的影响，并在适当的应用焊接技术来改善其耐腐蚀、耐热等方面，以确保船舶的安全性。在船舶的实际应用中，对焊接的质量进行了严格的控制。对新材料、新技术的研究，使之得到恰当的改善。船舶行业要加大技术创新力度，加大新产品开发力度。因此，必须加强对新材料、新技术的应用和研究，以保证船舶的安全、寿命。