船體焊縫延遲裂紋的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

李廣一

（中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司上海分公司，上海市 200135）

1 前言

焊接裂紋是船體最為嚴(yán)重的焊接缺陷，一直以來都是造船企業(yè)焊接質(zhì)量控制的重點部分。一旦發(fā)生船體焊接裂紋，必須分析其發(fā)生原因并制定有效的對應(yīng)措施，避免批量質(zhì)量事故和人員傷害事故的發(fā)生。

船體焊縫延遲裂紋是冷裂紋的一種，它是由于過大的拘束應(yīng)力﹑敏感的微觀組織以及焊縫中擴(kuò)散氫含量等綜合作用產(chǎn)生的焊接裂紋。具有孕育期的冷裂紋稱為延遲裂紋，這類裂紋可能在焊后數(shù)小時﹑數(shù)天或更長的時間內(nèi)出現(xiàn)。

2 案例分析及對策

2.1 案例1

某船廠在DN1 200﹑壁厚22 mm的鋼管對接焊縫中，焊接完畢24小時后進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部局部存在橫向裂紋，裂紋從焊縫中心向兩側(cè)延伸，深度約8～15 mm。船廠質(zhì)檢人員對施工現(xiàn)場進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該鋼管在組對過程中有強(qiáng)行組對的現(xiàn)象。由于鋼管口徑較大﹑自重較重，用于強(qiáng)行組對的手扳葫蘆和碼板不足以承受強(qiáng)行組對的拉力，出現(xiàn)輕微松動，而焊縫金屬的強(qiáng)度不足以承受管段為保持原位置帶來的拉力，導(dǎo)致焊縫局部開裂。隨后，質(zhì)檢人員按照ASME第Ⅱ部分C卷第SFA-5.36項“藥芯電弧焊用碳鋼和低合金鋼藥芯焊絲及熔化極氣體保護(hù)電弧焊用金屬芯焊絲標(biāo)準(zhǔn)”，對該焊縫使用的藥芯焊絲進(jìn)行了含氫量檢測﹑化學(xué)元素分析﹑力學(xué)性能檢測，并對焊接用CO2進(jìn)行了純度和含水量檢測，檢測結(jié)果均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了由于焊接材料質(zhì)量不合格帶來的焊接質(zhì)量影響。

由此可知，對于強(qiáng)行組對焊縫，由于焊縫內(nèi)部存在過大的拘束應(yīng)力（焊件被外界固定或因自身剛性的影響,在焊接過程中的變形受到限制而產(chǎn)生的應(yīng)力），在焊縫金屬的強(qiáng)度無法承受的情況下會出現(xiàn)焊縫填充金屬的開裂。對于此種情況，應(yīng)調(diào)整組對的方式，盡量減少強(qiáng)行組對的情況，以避免焊縫承載過大的拘束應(yīng)力。

2.2 案例2

某船廠某海工產(chǎn)品在焊接完畢兩天后接受甲方無損檢測人員檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)整個分段的大部分角焊縫內(nèi)部存在裂紋。經(jīng)氣刨去除表面金屬后，在焊縫內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了橫向裂紋，裂紋從焊縫中心向兩側(cè)延伸并且多發(fā)。鑒于其為批量事故，檢驗人員對該批次藥芯焊絲含水量﹑鋼板化學(xué)成分進(jìn)行了復(fù)驗，復(fù)驗合格，排除了其對于焊接裂紋的影響。對此，檢驗人員對于其他可能的原因進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)該船廠位于海邊常年濕度大，但船廠并未對0 ℃以上的天氣作出鋼板的預(yù)熱或烘干的要求，有可能導(dǎo)致焊縫中氫含量過大；另外，該船廠對于焊前的焊縫表面清潔工作也不夠重視，認(rèn)為角焊縫為非全熔透焊縫，不需要對母材表面的預(yù)處理富鋅底漆進(jìn)行打磨，導(dǎo)致焊縫中增加了大量的碳﹑氫﹑鋅等成分，有害成分的增加極大的增加了焊縫裂紋產(chǎn)生的幾率。

由此可知，焊前準(zhǔn)備工作對于焊縫金屬的有害成分（碳﹑氫﹑有機(jī)雜質(zhì)等）控制起到至關(guān)重要的作用。焊前預(yù)熱或烘干可有效的去除母材上的水份，焊前對焊縫區(qū)域的清理可有效的控制碳﹑氫﹑有機(jī)雜質(zhì)等有害成分對于焊縫金屬成分的影響。

2.3 案例3

某船廠對EQ56材質(zhì)﹑55 mm厚克令吊基座錐形卷筒（卷筒后小徑端直徑500 mm）進(jìn)行對接焊縫焊接后出現(xiàn)多處橫向裂紋。橫向裂紋出現(xiàn)在焊接完畢后的第二天，裂紋由焊縫內(nèi)部開裂至焊縫表面，由焊縫中心向焊趾部位延伸，個別裂紋在深度方向上幾乎貫穿整個焊縫。檢驗人員懷疑焊接過程中焊縫金屬迅速冷卻導(dǎo)致了焊縫受熱不均，使得焊縫內(nèi)應(yīng)力過大導(dǎo)致開裂，建議在焊接前和焊接過程中對焊縫及其兩側(cè)母材采用陶瓷加熱墊均勻加熱至200℃，直至焊接結(jié)束并對焊縫金屬保溫（200℃）2小時。采用該方案后，焊縫金屬開裂現(xiàn)象有所緩解但仍有多處橫向裂紋發(fā)生，證明焊縫金屬迅速冷卻可能是導(dǎo)致焊縫開裂的原因之一，但亦不完全。究其原因，克令吊基座為高強(qiáng)鋼厚板冷成型卷制，在卷制過程中可能存在板材內(nèi)應(yīng)力過大的現(xiàn)象，使得焊縫金屬無法承受如此大的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致開裂。

根據(jù)GB 150.4第8.1.1條款，對于厚度大于16 mm的冷成形碳鋼﹑低合金鋼，需計算其變形率，以確認(rèn)其在冷成形后是否需要進(jìn)行相應(yīng)的熱處理來回復(fù)材料性能 。本案例中EQ56為低合金鋼，厚度大于16 mm，卷板為筒形可按照單向拉伸計算變形率，其變形率（%）=50δ[1-（Rf/Ro）]/Rf=50*55*[1-（500/∞）]/500=5.5，大于低合金鋼變形率不超過5%的要求，需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

針對此種情況，檢驗人員要求對克令吊基座錐形卷筒進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。熱處理后，焊前和焊接過程中應(yīng)保持陶瓷加熱墊均勻預(yù)熱200 ℃，使得焊接裂紋得到了有效控制，基本杜絕了克令吊錐形卷筒自身焊接裂紋的發(fā)生。

由此可知，鋼板冷成型卷制后自身的內(nèi)應(yīng)力隨著厚度的增加而變大，過大的內(nèi)應(yīng)力是導(dǎo)致焊縫金屬開裂的重要原因，針對其冷成型卷制過程帶來的內(nèi)應(yīng)力，可進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，消除其內(nèi)應(yīng)力以減少焊接裂紋的發(fā)生概率。

2.4 案例4

某船廠在冬季環(huán)境溫度降至零下后對DH36厚板進(jìn)行對接焊極易出現(xiàn)焊縫金屬橫向裂紋。橫向裂紋在焊接結(jié)束后的數(shù)分鐘內(nèi)出現(xiàn)，由焊縫內(nèi)部開裂至焊縫表面，由焊縫中心向焊趾部位延伸，尤其以厚度20 mm以上的居多。分析其主要原因為冬季突然降溫，焊工在施焊前沒有進(jìn)行預(yù)熱，導(dǎo)致焊縫金屬冷卻速度過快，容易形成淬硬的微觀組織（馬氏體），在焊縫接頭的內(nèi)應(yīng)力作用下導(dǎo)致開裂。檢驗人員建議焊工在施焊前進(jìn)行充分均勻的預(yù)熱，焊接過程中保持母材溫度在21℃以上，很大程度上避免了此類裂紋的發(fā)生。針對此種裂紋，可合理選擇焊前預(yù)熱﹑焊后緩冷﹑后熱消氫及焊后熱處理等方式來改善焊縫熱影響區(qū)的組織，降低淬硬程度﹑去氫，從而防止延遲裂紋。

由此可知，敏感的微觀組織是導(dǎo)致焊縫延遲裂紋的主要原因之一，這是由于焊縫金屬的迅速冷卻導(dǎo)致的，特別是在大厚度高強(qiáng)鋼的焊接過程中，由于焊縫金屬的體積小，熱量會迅速被厚板母材帶走，導(dǎo)致焊縫金屬降溫速度過快，容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體型微觀組織，并且快速冷卻的焊縫金屬也阻止了擴(kuò)散氫的溢出，在焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力作用下導(dǎo)致開裂。對于此種情況，可參考CCS材料與焊接規(guī)范第3篇第5章第5.1.4.4條，當(dāng)施焊環(huán)境溫度低于0℃或材料的碳當(dāng)量Ceq計算值較大或結(jié)構(gòu)剛性過大﹑構(gòu)件厚度較厚或焊段較短時采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和緩冷措施，當(dāng)碳當(dāng)量Ceq大于0.45%時，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，并考慮進(jìn)行焊后熱處理以防焊件內(nèi)部產(chǎn)生過大的應(yīng)力或不良的組織。

3 結(jié)論

船體焊縫延遲裂紋主要是由于過大的拘束應(yīng)力﹑敏感的微觀組織以及焊縫中擴(kuò)散氫含量等綜合作用產(chǎn)生的。三種因素相互聯(lián)系，具備的因素越多則發(fā)生延遲裂紋的概率越大。針對上述延遲裂紋發(fā)生的原因可以制定相應(yīng)的對策，從而減小其發(fā)生的概率：

（1）針對過大的拘束應(yīng)力，可采取如下對策：①盡量避免強(qiáng)行組對；② 在定位焊過程中均勻分布焊點，并使其具備足夠的厚度和長度；③ 對于冷變形內(nèi)應(yīng)力過大的焊件，可對其進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，以減小或消除其內(nèi)應(yīng)力。

（2）針對敏感的微觀組織，可采取如下對策：①在環(huán)境溫度過低或母材碳當(dāng)量過大的情況下，可合理選擇焊前預(yù)熱﹑焊后緩冷﹑后熱消氫及焊后熱處理等方式來改善焊縫熱影響區(qū)的組織，降低淬硬程度﹑去氫，從而防止延遲裂紋；② 嚴(yán)格按照焊接工藝評定給出的參數(shù)范圍控制熱輸入。熱輸入過大將導(dǎo)致晶粒粗大，形成淬硬的馬氏體，降低焊接接頭的韌性。

（3）針對擴(kuò)散氫含量，可采取如下對策：① 選擇低氫焊材和低氫的焊接方法；② 焊條﹑焊劑使用前應(yīng)按照規(guī)定烘干，領(lǐng)取焊條應(yīng)裝保溫桶；③ 藥芯焊絲盡量當(dāng)天一次性使用完畢（開包后應(yīng)在2天內(nèi)用完），如果不能一次性使用完畢，則第二天再次使用前應(yīng)檢查其狀態(tài)，去除外圈暴露的3～5 m焊絲，使用其內(nèi)部未暴露的部分或采取其他適當(dāng)?shù)拇胧p少與空氣中水汽的接觸；④ 嚴(yán)格控制氫的來源，清除工件坡口和焊絲表面的鐵銹﹑油脂等；⑤ 對金屬及其兩側(cè)75 mm范圍內(nèi)進(jìn)行烘干處理，避免水汽的吸附，在空氣相對濕度超過90%及下雨﹑下雪環(huán)境不得施焊。

（4）其他建議：① 包角焊縫要圓滑過渡﹑一次完成，切不可在肋板（筋板）端頭處進(jìn)行焊縫接頭操作，包角長度為肋板兩側(cè)至少各50 mm；② 焊縫末端收弧處應(yīng)填滿弧坑，以防止弧坑裂紋。

經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，上述對策能夠有效的減少焊接延遲裂紋的發(fā)生，取得良好效果。