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谈船舶焊接中常见缺陷的成因和防止措施摘 要：船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键。本文详细介绍了船舶焊接中几种常见的缺陷原因并提出防止措施。关键词：船舶焊接 缺陷 防止措施 船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键，是保证船舶质量的关键，是保证船舶安全航行和作业的重要条件。如果焊接存在着缺陷，就有可能造成结构断裂、渗漏，甚至引起船舶沉没。据对船舶脆断事故调查表明，40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。在乡镇船舶造船中，船舶的焊接质量问题尤为突出。在对船舶进行检验的过程中，对焊缝的检验尤为重要。因此，应及早发现缺陷，把焊接缺陷限制在一定范围内，以确保航行安全。 船舶焊接缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见缺陷有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。 一、气孔气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴，如图（1）。气孔可分为：内部气孔，表面气孔，接头气孔。1.内部气孔：有两种形状。一种是球状气孔多半是产生在焊缝的中部。产生的原因：(1)焊接电流过大；(2)电弧过长；(3)运棒速度太快；(4)熔接部位不洁净；(5)焊条受潮等。上述造成气孔原因如进行适当调整和注意焊接工艺及操作方法，就可以得到解决。2.面气孔：产生表面气孔的原因和解决方法：(1)母材含C、S、Si量高容易出现气孔。其解决办法或是更换母材，或是采用低氢渣系的焊条。(2)焊接部位不洁净也容易产生气孔。因此焊接部位要求在焊接前清除油污，铁锈等脏物。使用低氢焊条焊接时要求更为严格。(3)焊接电流过大。使焊条后半部药皮变红，也容易产生气孔。因此要求采取适宜的焊接规范。焊接电流最大限度以焊条尾部不红为宜。(4)低氢焊条容易吸潮，因此在使用前均需在350的温度下烘烤1小时左右。否则也容易出现气孔。3.波接头气孔：使用低氢焊条往往容易在焊缝接头处出现表面和内部气孔，其解决办法：焊波接头时，应在焊缝的前进方向距弧坑910mm处开始引弧，电弧燃烧后，先作反向运棒返向弧坑位置，作充分熔化再前进，或是在焊缝处引弧就可以避免这种类型的气孔产生。 图（1） 二、夹渣夹渣就是残留在焊缝中的熔渣，如图（2）。夹渣对接头的性能影响比较大，会降低焊缝的塑性和韧性。产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流太小或运条不当形成“糊渣”；使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。进行埋弧焊封底时，焊丝偏离焊缝中心，也易形成夹渣。夹渣的存在会降低焊缝的强度，栽些连续的夹查更是危险的缺陷，裂纹也常从这些地方出现。防止产生夹渣的措施是：选择合理的工艺参数，并在焊接过程中严格清理层间熔渣，焊接时不要将电弧压得过低。当熔渣与熔化金属混合不清时，应适当将电弧拉长，并向熔渣方向挑动，利用增加电弧热量和吹力使熔渣能够顺利地吹到熔池后边或旁边。同时焊接过程中要始终保持熔池清晰，要将液态金属与熔渣分清，形成清亮的熔池。 图（2） 三、咬边沿焊趾的母材部位产生的纵向沟槽和凹陷，称为咬边，如图（3）。咬边减少了基本金属的有效截面积，在咬边处易形成应力集中，承受载荷时有可能在咬边处首先产生裂纹，导致焊接结构破坏。产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等（尤其是在立、横、仰焊焊缝操作时）。埋弧焊的焊接速度过快或焊机轨道不平等原因，都会造成焊件被熔化去一定深度，而填充金属又未能及时填满而造成咬边。咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过高，焊机轨道要平整。 图（3） 四、未焊透、未熔合焊接时，母材和焊缝金属之间或焊缝金属相互之间局部未熔合而留下的空隙，称为未焊透，如图（4）；熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分，称为未熔合，如图（5）。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。因此，在船体的重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。防止未焊透或未熔合的措施：正确选取坡口形式和装配间隙，并清除坡口两侧和焊层间的污物及熔值；选用合适的焊接电流和焊接速度；运条时，随时注意调整焊条的角度；对导热快、散热面积人的焊件，须进行焊前预热或焊接过程中加热；气焊时，正确选择火焰能率，采用中性焰。 图（4） 图（5） 五、焊接裂纹焊接裂纹是危害最大而且最普遍的一种缺陷，如图（6）。结构的破坏多从裂纹处开始，可以成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补。焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、再热裂纹。1、热裂纹热裂纹是在焊缝冷却过程中，在高温阶段产生的裂纹，主要发生在焊缝金属内，少量在近缝区。可以分为结晶（凝固）裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。结晶裂纹是最常见的一种，主要出现在含杂质元素较多的碳钢的焊缝中（S、P、Si和C）、单相奥氏体不锈钢、铝及其合金等焊接结构中。主要影响因素是焊接拉应力、低熔点共晶（焊缝金属的化学成分）、焊接接头过热（工艺）的程度。 减小热裂纹倾向的措施有： 1）降低材料中S、P等杂质元素的含量。 2）适当提高Mn/S比，可以置换Fe-FeS低熔点共晶物的Fe，形成熔点1620C的MnS，从而提高焊缝的抗裂性能。 WC=0.100.12%，WMn=2.5%以前有作用 WC=0.130.20%，WMn=1.8%以下有作用 WC=0.210.23%，WMn有益影响范围更窄。 3）采用适当焊接方法和工艺，控制线能量输入，减少焊缝过热。4）在焊接材料中加入Ti、Mo、Nb或稀土元素，抑制柱状晶粒发展，细化晶粒，明显改善性能。2、冷裂纹焊接冷裂纹是目前焊接生产中影响最大的一种缺陷，主要发生在中碳钢、高碳钢、合金结构钢以及钛合金等的焊接接头热影响区，强度极高的高强钢冷裂纹会出现在焊缝中。大致分为延迟裂纹、淬硬脆化（淬火）裂纹和低塑性脆化裂纹。延迟裂纹是最为普遍的冷裂纹，主要有焊道下裂纹、缺口裂纹和横向裂纹三类。形成条件：氢的存在、钢的淬硬倾向和焊接拘束应力。三个大方面来控制焊接冷裂纹：1）必须尽力减小焊接应力（热应力、相变应力和拘束应力）； 2）消除一切氢的来源；3）改善焊接接头的组织状况。当母材确定后，主要是通过选择焊接方法、控制焊接工艺和合理选用焊接材料，必要时采用焊后热处理。1）焊接工艺的作用： a （局部）预热，增加T8/5，减小和避免淬硬M组织，降低内应力，并有利于氢的逸出。 钢板越厚，钢种的碳当量越大，预热温度越高。 b 焊接线能量的控制El 调整t8/5， El越大，焊缝冷却时间越长，可减轻或避免淬硬组织，并利于氢的逸出，降低了冷裂倾向。但El过大，导致焊接接头过热，组织粗大，焊接接头性能降低。c 多层焊（或双丝焊接） 前道焊缝对后道焊缝有预热作用，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，可以改善焊接接头组织，并利于扩散氢的析出，需要控制层间温度。d 焊后的后热处理 减小残余应力，改善组织，并消除扩散氢。2）焊接材料的选用 选用低氢型焊条和焊剂。 选用CO2气体保护焊接可以获得很低含氢量的焊缝金属。 必须仔细烘干焊接材料，将焊件、焊丝上的铁锈和油污清理干净。3）降低焊接接头的拘束应力 从焊接结构设计和焊接工艺等几方面设法解决。3、层状撕裂在大型焊接结构中，往往采用30100mm甚至更厚的高强钢，如果焊接时在厚度方向承受大的拉伸拘束应力，就会发生如图5-2所示的阶梯型裂纹。 产生原因：Z向拘束应力和轧制过程中在板厚方向上形成的非金属夹杂物（硫化物等）有关。 层状撕裂以预防为主。选用对层状撕裂敏感性小的材料，由厚度方向上的断面收缩率来衡量。从结构设计和工艺上采取措施（低氢焊条，小线能量和预热等） 。5再热裂纹有些重要构件需要消除残余应力，而高温回火是目前最常用的消应力方法。在构件回火或高温长期工作中产生的裂纹称为再热裂纹 。1）特点 a 一般只出现在沉淀强化低合金高强钢、珠光体钢、奥氏体钢等材料焊接构件中（含Mo、V、Cr、Nb和钛等元素）。 b 通常发生在HAZ的粗晶粒区。 c 裂纹起源于应力集中点，如焊趾和焊根处。 d 接头必须有大的残余应力。 e 产生在再热的升温过程中。 2）形成条件 晶内强化、局部大的应力集中。 3）再热裂纹的控制 主要考虑改善过热粗晶区的塑性和减少残余应力，特别是要减少应力集中。 a 预热和焊后热处理可以降低焊接残余应力，减少过热区硬化。b 焊接线能量的控制。c 应用低强焊缝，提高塑性变形能力。d 减少残余应力（应力集中）TIG焊重熔焊缝表面；削去焊缝余高；根除咬边和未焊透。 如图（6） 六、其他缺陷焊接中还常见到一些焊瘤和烧穿、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。熔瘤或烧穿：焊接过程中，熔化金属流到焊缝之外未熔化的母材上而形成的金属瘤称焊瘤，如图（7）。焊接过程中，熔化金属自焊件背面流出形成穿孔称为烧穿，如图（8）。产生焊瘤和烧穿的原因：运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%，使用碱性焊条时，应采用短弧焊接，保持均匀运条。弧坑：焊后在焊缝表面或焊缝背面形成的低于母材表面的局部低陷部分，叫弧坑（也叫凹坑）。弧坑经常发生在焊缝未端收尾收以及焊缝的接头处。弧坑的出现不仅影响焊缝的外观，使该处的强度严重降低，同时在弧坑内很容易产生气孔、夹渣和微小裂纹等缺陷。弧坑的防止措施：收尾时不要过早熄弧、熄火，应作短时间的滞留或作几次环形运条，以填满弧坑；正确选择焊接工艺参数。烧穿焊瘤有些缺陷的存在对船舶安全航行是非常危险的，因此一旦发现缺陷要及时进行修正。对于气孔的修正，特别是对于内部气孔，确认部位后，应用风铲或碳弧气刨清除全部气孔缺陷，并使其形成相应坡口，然后再进行焊补；对于夹渣、未焊透、未熔合的缺陷，也是要先用同样的方法清除缺陷，然后按规定进行焊补。对于裂纹，应先仔细检查裂纹的始、末端和裂纹的深度，然后再清除缺陷。用风铲消除裂纹缺陷时，应先在裂纹两端钻止裂孔，防止裂纹延长。钻孔时采用812mm钻头，深度应大于裂纹深度23mm。用碳弧气刨消除裂纹时，应先从裂纹两端进行刨削，直至裂纹消除，然后进行整段裂纹的刨除。无论采用何种方法消除裂纹缺陷，都应使其形成相应坡口，按规定进行焊补。图（8）图（7） 对焊缝缺陷进行修正时应注意：1)缺陷补焊时，宜采用小电流、不摆动、多层多道焊，禁止用过大的电流补焊；2)对刚性大的结构进行补焊时，除第一层和最后一层焊道外，均可在焊后热状态下进行锤击。每层焊道的起弧和收弧应尽量错开；3)对要求预热的材质，对工作环境气温低于0