船體焊縫延遲裂紋的產生原因及預防措施

李廣一

（中國船級社質量認證公司上海分公司，上海市 200135）

1 前言

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

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力﹑敏感的微觀組織以及焊縫中擴散氫含量等綜合作用產生的焊接裂紋。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小時﹑數天或更長的時間內出現。

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小時后進行無損檢測，發現焊縫內部局部存在橫向裂紋，裂紋從焊縫中心向兩側延伸，深度約8～15 mm。船廠質檢人員對施工現場進行檢查，發現該鋼管在組對過程中有強行組對的現象。由于鋼管口徑較大﹑自重較重，用于強行組對的手扳葫蘆和碼板不足以承受強行組對的拉力，出現輕微松動，而焊縫金屬的強度不足以承受管段為保持原位置帶來的拉力，導致焊縫局部開裂。隨后，質檢人員按照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電弧焊用金屬芯焊絲標準”，對該焊縫使用的藥芯焊絲進行了含氫量檢測﹑化學元素分析﹑力學性能檢測，并對焊接用CO2進行了純度和含水量檢測，檢測結果均滿足相應的標準要求，排除了由于焊接材料質量不合格帶來的焊接質量影響。

由此可知，對于強行組對焊縫，由于焊縫內部存在過大的拘束應力（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生的應力），在焊縫金屬的強度無法承受的情況下會出現焊縫填充金屬的開裂。對于此種情況，應調整組對的方式，盡量減少強行組對的情況，以避免焊縫承載過大的拘束應力。

2.2 案例2

某船廠某海工產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，發現整個分段的大部分角焊縫內部存在裂紋。經氣刨去除表面金屬后，在焊縫內部發現了橫向裂紋，裂紋從焊縫中心向兩側延伸并且多發。鑒于其為批量事故，檢驗人員對該批次藥芯焊絲含水量﹑鋼板化學成分進行了復驗，復驗合格，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行了排查，發現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熱或烘干的要求，有可能導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，認為角焊縫為非全熔透焊縫，不需要對母材表面的預處理富鋅底漆進行打磨，導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生的幾率。

由此可知，焊前準備工作對于焊縫金屬的有害成分（碳﹑氫﹑有機雜質等）控制起到至關重要的作用。焊前預熱或烘干可有效的去除母材上的水份，焊前對焊縫區域的清理可有效的控制碳﹑氫﹑有機雜質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﹑55 mm厚克令吊基座錐形卷筒（卷筒后小徑端直徑500 mm）進行對接焊縫焊接后出現多處橫向裂紋。橫向裂紋出現在焊接完畢后的第二天，裂紋由焊縫內部開裂至焊縫表面，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致了焊縫受熱不均，使得焊縫內應力過大導致開裂，建議在焊接前和焊接過程中對焊縫及其兩側母材采用陶瓷加熱墊均勻加熱至200℃，直至焊接結束并對焊縫金屬保溫（200℃）2小時。采用該方案后，焊縫金屬開裂現象有所緩解但仍有多處橫向裂紋發生，證明焊縫金屬迅速冷卻可能是導致焊縫開裂的原因之一，但亦不完全。究其原因，克令吊基座為高強鋼厚板冷成型卷制，在卷制過程中可能存在板材內應力過大的現象，使得焊縫金屬無法承受如此大的內應力而導致開裂。

根據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，以確認其在冷成形后是否需要進行相應的熱處理來回復材料性能 。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，需要進行消應力熱處理。

針對此種情況，檢驗人員要求對克令吊基座錐形卷筒進行消應力熱處理。熱處理后，焊前和焊接過程中應保持陶瓷加熱墊均勻預熱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生。

由此可知，鋼板冷成型卷制后自身的內應力隨著厚度的增加而變大，過大的內應力是導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應力，可進行消應力熱處理，消除其內應力以減少焊接裂紋的發生概率。

2.4 案例4

某船廠在冬季環境溫度降至零下后對DH36厚板進行對接焊極易出現焊縫金屬橫向裂紋。橫向裂紋在焊接結束后的數分鐘內出現，由焊縫內部開裂至焊縫表面，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行預熱，導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），在焊縫接頭的內應力作用下導致開裂。檢驗人員建議焊工在施焊前進行充分均勻的預熱，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生。針對此種裂紋，可合理選擇焊前預熱﹑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致的，特別是在大厚度高強鋼的焊接過程中，由于焊縫金屬的體積小，熱量會迅速被厚板母材帶走，導致焊縫金屬降溫速度過快，容易產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散氫的溢出，在焊接接頭的內應力作用下導致開裂。對于此種情況，可參考CCS材料與焊接規范第3篇第5章第5.1.4.4條，當施焊環境溫度低于0℃或材料的碳當量Ceq計算值較大或結構剛性過大﹑構件厚度較厚或焊段較短時采取適當的預熱和緩冷措施，當碳當量Ceq大于0.45%時，應進行預熱，并考慮進行焊后熱處理以防焊件內部產生過大的應力或不良的組織。

3 結論

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

（1）針對過大的拘束應力，可采取如下對策：①盡量避免強行組對；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 對于冷變形內應力過大的焊件，可對其進行消應力熱處理，以減小或消除其內應力。

（2）針對敏感的微觀組織，可采取如下對策：①在環境溫度過低或母材碳當量過大的情況下，可合理選擇焊前預熱﹑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的組織，降低淬硬程度﹑去氫，從而防止延遲裂紋；② 嚴格按照焊接工藝評定給出的參數范圍控制熱輸入。熱輸入過大將導致晶粒粗大，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﹑焊劑使用前應按照規定烘干，領取焊條應裝保溫桶；③ 藥芯焊絲盡量當天一次性使用完畢（開包后應在2天內用完），如果不能一次性使用完畢，則第二天再次使用前應檢查其狀態，去除外圈暴露的3～5 m焊絲，使用其內部未暴露的部分或采取其他適當的措施減少與空氣中水汽的接觸；④ 嚴格控制氫的來源，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75 mm范圍內進行烘干處理，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）端頭處進行焊縫接頭操作，包角長度為肋板兩側至少各50 mm；② 焊縫末端收弧處應填滿弧坑，以防止弧坑裂紋。

經過實際生產的檢驗，上述對策能夠有效的減少焊接延遲裂紋的發生，取得良好效果。