關(guān)于船舶建造中焊接質(zhì)量的影響因素及應(yīng)對策略研究

文/談嘯峰

隨著海洋經(jīng)濟的迅速崛起，以中、美、日、韓為代表的造船大國掀起了新一輪競賽，中國作為全球船舶建造的核心力量，除船舶建造總噸排名靠前外，造船質(zhì)量也實現(xiàn)了國際領(lǐng)先。本文以船舶建造中焊接質(zhì)量為研究對象，指出影響焊接質(zhì)量的幾個主要因素，并提出具有可行性的應(yīng)對策略，以期能夠為優(yōu)化船舶焊接工藝提供參考。

焊接是船舶建造過程中廣泛使用的工藝之一，尤其是在分段建造技術(shù)普及的情況下，大型船舶焊接質(zhì)量將直接影響船體可靠性，對于LNG 船等一些特種船舶來說，甚至?xí)斐删薮蟮陌踩[患。在此背景下，針對船舶設(shè)計方案與功能要求，明確影響船舶焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通過優(yōu)化焊接工藝等方式提升船舶焊接質(zhì)量，使船舶更加安全和可靠。

船舶焊接概述

焊接在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用時間相對較短，早期金屬材質(zhì)的拼接多采用鉚接，然而，鉚接雖然對施工環(huán)境的要求相對寬泛。但是隨著船體鋼板厚度的增加，鉚接無法提供足夠的連接強度，且密封性差的缺點也隨著船舶吃水深度的增加體現(xiàn)出來。焊接工藝在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用解決了高強度的連接要求，且能夠使焊接位置保持良好的密閉性，可適應(yīng)不同的形狀結(jié)構(gòu)，在節(jié)省成本方面也有著明顯優(yōu)勢。

隨著焊接工藝的持續(xù)優(yōu)化，以及豐富的焊接材料，船舶焊接質(zhì)量較之前得到了極大改善。目前，焊接技術(shù)在船舶建造領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在先進焊接工藝方面，歐美國家依然走在前列。我國船舶建造總噸位雖然領(lǐng)先世界其他國家。但是目前，通過對大多數(shù)船舶生產(chǎn)企業(yè)的焊接工藝技術(shù)進行分析研究，發(fā)現(xiàn)焊接技術(shù)和質(zhì)量存在一定的問題，若不及時進行探討研究、改正，將對整個造船業(yè)形成很大的潛在危害。因此，我們需要深入研究船舶制造中導(dǎo)致焊接質(zhì)量問題的影響因素，以及結(jié)合我國在船舶建造中焊接工藝的實際情況，提出具有針對性的策略，從而強化船舶焊接質(zhì)量，促進船舶制造水平提升。

船舶焊接質(zhì)量問題及影響因素分析

焊接技術(shù)雖能夠滿足大型船舶建造的需求，但是，基于其特殊的工藝設(shè)計，以及傳統(tǒng)焊接理論在實踐中存在的局限性，對焊接質(zhì)量造成了一定程度的影響。結(jié)合船舶建造過程中發(fā)現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，以及通過對焊接質(zhì)量問題的深入分析，從而確定導(dǎo)致焊接的原因。

焊點氣孔問題

基于船體結(jié)構(gòu)的安全性考慮，在船舶建造過程中需要對焊接質(zhì)量進行嚴格把關(guān)，質(zhì)檢人員通過超聲波檢測設(shè)備能夠準(zhǔn)確定位焊接質(zhì)量問題，這在船舶建造過程中較為常見。以氣孔為例，在氣孔數(shù)量相對較少的情況下，非主要受力點的氣孔并不會造成嚴重影響，但在船體分段焊接過程中，氣孔將導(dǎo)致連接處的強度下降，在大風(fēng)浪情況下無法承受較高的扭矩，以至于存在開裂的可能。

氣孔的出現(xiàn)多由于焊接過程中未對作業(yè)空間進行防風(fēng)處理，以至于熔池在冷卻的過程中混入了大量氣體，熔池冷卻后的氣孔主要集中在焊點表面，這導(dǎo)致焊接處的機械性能明顯下降。除未做防風(fēng)處理導(dǎo)致焊接氣孔問題外，焊接工具、材料等都存在焊接點出現(xiàn)氣孔的可能。例如，工人在焊接過程中私自更改焊絲材料，使用氫弧焊焊絲代替埋弧焊焊絲，導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)氣孔的概率明顯增加，且連續(xù)氣孔密度導(dǎo)致焊接件直接報廢，這不僅給企業(yè)造成了嚴重的經(jīng)濟損失，同時也延誤了船舶建造周期。

焊縫裂紋問題

裂紋缺陷對于焊接部位的牢固性和硬度有極大的影響。在船舶航行時，腐蝕性物質(zhì)、水力沖擊以及氧化等因素會導(dǎo)致裂紋變大，甚至?xí)?dǎo)致焊接處發(fā)生斷裂，因此，關(guān)于導(dǎo)致焊縫裂紋的原因分析就顯得尤為重要。常見焊縫裂紋主要包括熱裂紋、冷裂紋兩種類型，且導(dǎo)致以上焊縫裂隙的因素也相對較為復(fù)雜。

熱裂紋是由于焊接過程中高溫導(dǎo)致，由于金屬結(jié)構(gòu)材料在受熱的情況下內(nèi)應(yīng)力會呈現(xiàn)出不同程度的變化，受材料、溫度、濕度等因素的影響，可將其分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋兩種。結(jié)晶裂紋是金屬結(jié)構(gòu)材料與焊接材料之間冷卻速度存在明顯差異的情況下導(dǎo)致的開裂情況，目前船舶建造所使用的鋼材多為高碳鋼、合金鋼等，此類金屬材料雜質(zhì)含量較高，極易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。液化裂紋同樣是由于高溫影響導(dǎo)致，在熱峰值下金屬材料、焊接材料等因熔點等問題導(dǎo)致已經(jīng)冷卻的部分將發(fā)生重熔，且主要發(fā)生在鉻鎳合金鋼、奧氏體鋼等金屬結(jié)構(gòu)材料中。

冷裂紋的產(chǎn)生主要和溫度有著密切關(guān)系，雖然，在溫度較高的情況下也會形成冷裂紋，但根據(jù)以往焊接質(zhì)量檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷裂紋多在高溫焊接后焊點、焊縫降至較低溫度后產(chǎn)生。隨著溫度的變化，由于不同金屬結(jié)構(gòu)材料的脆硬傾向存在些許差異，在加熱過程中將產(chǎn)生不等量的馬氏體組織，而馬氏體組織的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其無法承受較大的扭矩，這也是船舶建造過程中焊接點斷裂的主要原因之一。除馬氏體外，在焊接過程中若區(qū)域范圍內(nèi)氫分子過度集中，將導(dǎo)致焊接材料之間聚合應(yīng)力降低，“氫脆”現(xiàn)象受氫分子密度、熔池漸變溫度的影響最為明顯，且該類型裂紋的隱蔽性較強，在常規(guī)檢查過程中難以及時發(fā)現(xiàn)。

焊縫咬邊問題

所謂咬邊，是指船舶建造過程中較為常見的一種可視化結(jié)構(gòu)問題，主要表現(xiàn)為焊縫兩側(cè)熔池冷卻后焊縫兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則的“齒狀”結(jié)構(gòu)，由于咬邊問題導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)材料之間的接觸面減小，咬邊位置承受的拉力、壓力也就明顯增加，以至于發(fā)生焊縫開裂和熔合不足現(xiàn)象。咬邊現(xiàn)象在靜態(tài)垂向受力結(jié)構(gòu)中的影響相對較小，但是，船舶作為動平臺，在航行過程中將產(chǎn)生不同方向和大小的分力，以至于存在焊縫斷裂的風(fēng)險。

焊縫咬邊問題出現(xiàn)的主要原因是焊接電流與運條速度不匹配，以某型號船舶艏段合攏項目為例，質(zhì)檢人員在對密封艙連接處進行檢查時發(fā)現(xiàn)多條焊縫存在咬邊問題，由于密封艙內(nèi)安裝了大量設(shè)備，以及錨鏈安裝后焊縫處垂向受力明顯增加，并出現(xiàn)明顯的焊縫裂紋，在事后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，工人使用電弧焊設(shè)備溫度設(shè)定在1500℃，而運焊速度并未根據(jù)焊接溫度的變化而進行調(diào)整，由于導(dǎo)致焊材飽和度不夠，且焊縫溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力分布不均勻，最終造成咬邊和焊縫未熔合問題。

焊點夾渣問題

焊接工作伴隨著船舶建造的整個過程，焊接質(zhì)量將直接影響船舶航行安全，除以上三種焊接問題外，焊接夾渣問題也較為典型。一般情況下，工人為保證焊接質(zhì)量，需要對焊接區(qū)域進行打磨，否則，將導(dǎo)致熔池內(nèi)進入異物，如鋼板切割產(chǎn)生的碎屑等，如打磨不徹底，則極易出現(xiàn)焊點夾渣。并且，部分船舶金屬結(jié)構(gòu)材料之間深度較大，需要采取多層焊接工藝，而多層焊接出現(xiàn)夾渣問題的概率將成倍增加。相比較其它幾個問題，焊點夾渣問題的處理難度較大，且在焊接過程中難以避免，對工人的焊接技能要求較高，所以，焊點夾渣問題也是影響焊接質(zhì)量的主要因素。

以LNG 船為例，由于該類船舶主要負責(zé)運送液化天然氣，因此，在船舶建造過程中對焊接工藝要求極高。在相關(guān)焊接工藝中，以殷瓦鋼的焊接要求最為特殊，該材料的膨脹系數(shù)較小，且導(dǎo)熱系數(shù)低，但LNG船使用的殷瓦鋼厚度僅為0.7mm，在焊接過程中需要保持焊接空間、位置的絕對清潔，一旦出現(xiàn)夾渣情況，則會導(dǎo)致殷瓦鋼焊縫出現(xiàn)穿孔，若不能及時發(fā)現(xiàn)，則會導(dǎo)致儲氣罐內(nèi)部天然氣泄漏，屆時，LNG 船的破壞將不亞于一顆小當(dāng)量氫彈。

船舶焊接質(zhì)量提升策略

船舶建造中的焊接質(zhì)量問題多是由于工藝設(shè)計不合理導(dǎo)致，以及工人在焊接過程中未能嚴格按照要求進行操作。影響船舶焊接質(zhì)量的因素存在明顯差異，因此，為解決以上所提到的集中典型焊接質(zhì)量問題，需要結(jié)合實際情況進行分析，具體可采取以下幾種應(yīng)對策略。

加強環(huán)境控制

焊點氣孔、裂紋問題在實際操作過程中可以避免，針對該焊接問題產(chǎn)生原因，技術(shù)人員在編制焊接工藝時需要明確環(huán)境控制要求，即焊接區(qū)域空氣流動速度、溫濕度條件等，針對開放空間和密閉空間的焊接工作，則需要采取必要的局域環(huán)境控制手段，從而減少環(huán)境要素對焊接質(zhì)量的影響。同時，為保證工人在密閉、高溫環(huán)境中工作的安全性，在保持通風(fēng)的同時，需要對區(qū)域范圍內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境要素進行控制，避免環(huán)境溫度大幅度波動對焊接質(zhì)量造成的影響。

以球鼻艏焊接為例，由于球鼻艏內(nèi)部采用了大量的化學(xué)涂層，為避免焊接工人出現(xiàn)窒息、中毒等情況，通常采用外部送風(fēng)的方式，這也是造成球鼻艏焊接過程中極易出現(xiàn)氣孔的原因之一。為解決該問題，以及從施工安全的角度出發(fā)，可通過定向供氧等手段為工人提供充足氧氣，并通過定量分析保證內(nèi)、外部氣體的持續(xù)循環(huán)，同時對注入、排出的氣體成分進行實時監(jiān)測，從而確定焊接材料的燃燒效率和焊接質(zhì)量。除此之外，包括球鼻艏等在內(nèi)的船舶建造中焊接環(huán)境控制對現(xiàn)場調(diào)度人員有著較高的要求，在施工進度組織管理方面最大限度避免因不同項目之間協(xié)同問題對焊接質(zhì)量的影響，并加快項目進度。

這里需要注意的是，船舶焊接操作所在空間較為復(fù)雜，為保證焊接質(zhì)量，以及避免環(huán)境控制對項目工程造成影響，技術(shù)人員在工程節(jié)點設(shè)計時需要綜合考慮周邊施工情況。在環(huán)境得不到有效控制的情況下，焊接工人應(yīng)立即停止施工，以及要求監(jiān)造人員進行協(xié)調(diào)，保證焊接操作環(huán)境可控。

優(yōu)化焊接工藝

船舶建造過程中工人應(yīng)當(dāng)嚴格按照工藝要求進行焊接，包括氣孔、裂紋、咬邊、夾渣在內(nèi)的相關(guān)焊接問題可通過優(yōu)化焊接工藝得到不同程度的解決。然而，船舶建造過程中的焊接工藝設(shè)計需要參考船體結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境等多種因素，基于以上影響因素的變化，則需要與之相適應(yīng)的焊接工藝，從而最大限度減少因工藝設(shè)計導(dǎo)致的焊接問題。

以焊縫咬邊問題為例，盡管大多數(shù)焊接工人擁有豐富的焊接經(jīng)驗，但經(jīng)驗性的數(shù)據(jù)有著一定的不確定性。因此，為實現(xiàn)焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，在焊接工藝設(shè)計中應(yīng)明確不同工程所需要使用的設(shè)備、焊材、溫度、運焊速度、環(huán)境條件等要素。在發(fā)生焊縫咬邊問題后，技術(shù)人員需要在焊縫上標(biāo)出咬邊焊縫長度，為提高返修質(zhì)量，在實際長度的左右兩側(cè)各增加5cm，并對返修位置進行清潔，其后采用相同焊材進行電弧焊多層焊接工藝填充熔池，并對焊縫位置溫度曲線變化進行檢測，避免焊縫裂紋、焊點夾渣等問題的發(fā)生。

焊接工藝的優(yōu)化是一個反復(fù)嘗試的過程，在影響因素?zé)o法明確的情況下，焊接質(zhì)量將受到一定影響。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，利用數(shù)字焊接仿真模型對相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，如此，則能夠有效降低試錯成本，提高焊接質(zhì)量，以殷瓦鋼焊接為例，焊接工人可以通過虛擬仿真技術(shù)、動作捕捉技術(shù)、高精度力反饋技術(shù)等進行精細焊接能力訓(xùn)練，并根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果不斷調(diào)整焊接操作方法，從而達到提升焊接質(zhì)量的目的。然而，焊接工藝的優(yōu)化是一個長期的過程，通過工程技術(shù)人員在實踐中不斷積累的經(jīng)驗，以及借助大數(shù)據(jù)技術(shù)建立焊接數(shù)據(jù)仿真模型，以提高工藝優(yōu)化效率，減少試錯次數(shù)。

創(chuàng)新過程質(zhì)檢

傳統(tǒng)焊接質(zhì)量檢查多為事后檢查，該質(zhì)檢方式多適用于一些小型項目，而該質(zhì)檢方法在船舶建造中的應(yīng)用則存在較大成本風(fēng)險、周期風(fēng)險。為解決這一問題，質(zhì)檢部門可以根據(jù)焊接工藝的具體實施過程進行拆解，并明確每一道焊接工藝后的質(zhì)量要求，為焊接質(zhì)量檢查提供可量化的參考依據(jù)，即過程質(zhì)檢。首先，在焊接工藝設(shè)計階段，質(zhì)檢部門需要編制階段檢測方案，并與技術(shù)部門對不同工藝流程下的檢測數(shù)據(jù)進行驗證，以保證檢測標(biāo)準(zhǔn)的可行性；其次，在焊接過程中，質(zhì)檢部門需要根據(jù)現(xiàn)場施工計劃對關(guān)鍵焊接工藝質(zhì)量進行檢測，在發(fā)現(xiàn)問題的情況下，質(zhì)檢部門應(yīng)協(xié)助技術(shù)部門及時進行處置。由于過程質(zhì)檢增加了質(zhì)檢流程，以及提高了基于焊接工藝的質(zhì)檢難度，但是，從項目管理角度出發(fā)，過程質(zhì)檢大大降低了焊接風(fēng)險成本，這與提升焊接質(zhì)量的要求保持高度一致。

雖然過程質(zhì)檢依然堅持以結(jié)果為導(dǎo)向，但工藝節(jié)點所明確的質(zhì)檢要求對質(zhì)檢部門提出了更多挑戰(zhàn)。目前，船舶建造中過程質(zhì)檢并未得到推廣應(yīng)用，究其原因是高水平質(zhì)檢人員數(shù)量較少。因此，在創(chuàng)新過程質(zhì)檢策略的同時，船舶建造企業(yè)應(yīng)加強質(zhì)檢隊伍建設(shè)，在培養(yǎng)專業(yè)質(zhì)檢人員的同時，通過對焊接工人的系統(tǒng)化培訓(xùn)，將其豐富的焊接經(jīng)驗與科學(xué)的質(zhì)檢方法進行融合，促進焊接質(zhì)量的顯著提升。

在船舶建造行業(yè)競爭日益激烈的情況下，保持良好的建造質(zhì)量成為船舶建造企業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵，焊接作為船舶建造工序的重要組成部分，焊接質(zhì)量將直接影響船體的可靠性與安全性。通過加強環(huán)境控制、優(yōu)化焊接工藝和創(chuàng)新過程質(zhì)檢等方式，能夠有效減少發(fā)生氣孔、裂紋、咬邊、夾渣等問題；在提高焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也降低了相關(guān)建造成本，保證船舶建造能夠高質(zhì)量按期完成。