船舶與海工平臺建造焊接質量問題統計與分析

姚上衛，孫磊，范會卿

1.中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

2.國家新材料生產應用示范平臺（先進海工與高技術船舶材料）河南洛陽 471023

1 序言

現代船舶或海工平臺主體結構之間的連接主要通過焊接完成。在長達數十年的服役期內，結構和焊縫需要承受復雜的動態、靜態載荷，以及惡劣工況（如巨浪、臺風等）的考驗。如果焊接質量管理不規范，焊縫不能滿足要求，結構發生破壞，則會造成巨大的經濟損失甚至人員傷亡的災難性后果。因此，船舶及海工平臺建造中均將焊接質量管理作為工程質量控制的重中之重[1]。根據相關科研成果和經驗積累，國內外建立了系列規范、標準，對船舶及海工平臺結構制作和安裝焊接過程中的設計、材料、評定、制造及檢測等提出明確要求，并不斷修訂。在規范、標準等要求基礎上，參與建造的各方如業主、制造商等，結合自身情況建立相應的質量管理體系和施工工藝，并從焊接質量追溯管理、結構設計、人員、焊接材料、焊接環境及檢測等焊接質量控制與管理的各個環節開展了大量的研究[2-7]，以確保船舶與海工平臺建造順利進行，保障產品質量和服役安全。為滿足結構減重、負載增加、節能減排等需求，高強度鋼的應用范圍和比例日益增加[8，9]。為保證高強度及韌性，相對于一般強度鋼，高強度鋼多添加合金元素并采用細化晶粒的制造工藝，冷裂紋敏感性增大，熱輸入敏感，工藝窗口較窄。為防止高強度鋼接頭產生冷裂紋，焊接時多采取預熱、道間溫度控制等措施，并將熱輸入控制在能夠獲得所需強韌性的適宜范圍[10，11]。此外，工藝文件、設計、人員、設備、材料及檢測等因素，均對焊接質量管理起到不可或缺的作用。

之前的研究多關注于焊接質量問題及其危害性，較少有關于現場問題的統計與分析，對焊接質量控制與管理針對性不足。本文對具有代表性的兩艘大型船舶及兩座海工平臺建造現場各種焊接問題的具體表現形式、頻次進行統計和分類，重點闡明未預熱、預熱/道間溫度不符合要求、焊接材料烘焙不規范、焊縫清理不到位和工藝參數超范圍等高頻次問題的表現形式、危害及其產生原因，并提出針對性建議。相關結論有助于提升船舶和海工平臺焊接質量管理水平，預防或減少問題發生，保障結構安全。

2 統計對象與問題分類

2.1 結構用鋼及工藝要求

統計對象包括兩艘船舶、一座深水半潛式平臺、一座深水導管架，結構用鋼見表1。船舶船體采用屈服強度不低于390MPa、550MPa的高強度EH40鋼和EH550鋼；半潛式平臺及導管架采用屈服強度不低于355MPa、420MPa的EH36鋼和EH420鋼，同時采用與鋼板匹配的低氫型焊接材料進行焊接。

表1 結構用鋼

焊接工藝規程（WPS）規定的預熱、道間溫度等要求見表2。由于鋼板等級、強度、厚度不同，因此相關要求差異明顯。這些要求源于AWS D1.1：2015《鋼結構焊接規范》、試驗或工藝評定[2，7]。在實際焊接過程中，只有嚴格遵守工藝要求，才能保證焊縫既不產生裂紋等焊接缺陷，也能獲得所需的強韌性等使用性能。

表2 預熱、道間溫度、后熱或緩冷要求

由表1可知，單個結構用鋼量達3萬t以上，合計用鋼量約15萬t，焊接工作量巨大。鋼板厚度跨度達3～100mm，當鋼板厚度薄時，焊接變形控制難度大；當鋼板厚度大時，結構拘束大，氫在焊縫中聚集，容易引起焊接裂紋。4個結構統計時間長達9年，建造場地分布于3個海域的兩個船廠和兩個海工基地。結構鋼材既包括了具有較長應用歷史和大量使用的EH36鋼，也包括了應用日益增加的EH40、EH420及EH550高強度鋼。由此可知，本文所收集的焊接質量問題具有代表性。

2.2 焊接質量問題分類

焊接是決定工程質量的關鍵環節，影響因素眾多，參考相關文獻[6-8]將現場發現的問題分為工藝文件、焊接設計、人員資質、設備、環境條件、材料、焊接工藝及焊接檢測8大類，再按問題及其具體表現形式將大類進一步細分。為避免重復，對于交叉的內容，如焊接材料，其管理可歸入工藝文件，按物料又可歸入材料，因此從統計上只歸入一類。

3 問題統計

對現場質量問題，按次記錄，重復發生的質量問題，累計計算，共發現385次，存在問題及具體表現形式，以及8大類問題所占比例見表3。

由表3可知，8大類問題中占前兩位的是焊接工藝（49.5%）和材料（30.4%），合計約80%，另外焊接檢測占8.3%，其他類型均在5%以下。在具體存在的問題中居于前4位的分別是未預熱、預熱/道間溫度不符合要求（31.2%），焊接材料烘焙不規范（12.5%），焊縫清理不到位（11.4%），工藝參數超范圍（5.4%），合計次數占60.5%，其他具體問題如焊接材料管理、焊絲清理、環境條件等均低于5%。根據表3可知，雖然問題表現形式多樣，但主要集中在焊接工藝和材料兩類中的4種具體問題，因此分析主要問題的危害及其產生原因，并采取針對性措施，有利于大部分問題的解決。

4 典型焊接質量問題分析及建議

結合現場實踐對前4位問題的表現形式、危害性、產生原因進行分析，并提出建議。

4.1 未預熱、預熱/道間溫度不符合要求

未預熱、預熱/道間溫度不符合WPS要求是頻次最高的問題，影響焊縫完整性，是導致冷裂紋的重要因素，并影響接頭強韌性，主要表現形式包括以下幾個方面。

1）不要求預熱的焊縫，焊前未烘焙坡口及其兩側的吸附水。

2）要求預熱的接頭，不進行預熱。

3）預熱溫度低于要求；或預熱范圍不滿足要求（如AWS D1.1：2015要求，預熱在所有方向上不小于焊件的最大厚度且≥75mm）；或者預熱后未及時焊接，溫度下降到低于要求。

4）道間溫度超出范圍，主要是道間溫度偏低，個別短小焊縫或立焊焊縫道間溫度超出上限。

實踐中，存在的誤區是認為只要環境溫度高于最低預熱溫度，可不采取措施直接進行焊接。實際上，坡口及其兩側鋼板的氧化膜、防銹漆及鋼板凹坑內有大量吸附水，如果焊前不預熱或預熱時間、范圍不充分，則焊接時電弧的加熱作用會使吸附水逸出進入焊縫，從而造成氣孔，嚴重時會增加焊縫金屬擴散氫含量，導致焊縫開裂。焊前未預熱的危害如圖1所示。

圖1 焊前未預熱的危害

預熱或道間溫度過低，是導致焊接冷裂紋的重要因素。因此，預熱和道間溫度控制，是防止冷裂紋的最有效措施之一[12]，其主要機理是通過改變焊接熱循環，降低焊接接頭冷卻速度，避免或減少淬硬組織；減小接頭各區溫度梯度，降低內應力，并使之較均勻分布；延長焊接區高溫停留時間，利于氫從焊縫中逸出等。當預熱/道間溫度偏低時，可能導致接頭特別是大厚度大拘束接頭產生淬硬組織并導致氫逸出緩慢，誘發冷裂紋，同時使焊縫強度偏高，韌性下降；預熱/道間溫度偏高，在降低接頭強度的同時，使焊縫或熱影響區晶粒粗大，韌性降低[13]。

此類問題產生的主要原因如下。

1）焊接冷裂紋的產生與材料、工藝等諸多因素相關[14]，一般只在極端拘束及環境下才會產生，大多數焊工從事的是低強度鋼焊接，預熱/道間溫度要求不高，不易開裂；同時，結構制造后，一般只進行無損檢測，不進行力學性能試驗，容易忽視預熱/道間溫度對力學性能的影響。由于教育培訓不到位，因此未認識到焊前不烘焙，以及預熱/道間溫度不符合要求的危害，存在僥幸心理。

2）不同等級、強度、厚度鋼板，預熱/道間溫度要求各異（見表2），易于混淆。

3）現場大多采用火焰進行預熱，但火焰預熱存在加熱效率低、范圍窄的問題，一旦移開熱源，則溫度下降快。另外，對于大厚度、長焊縫預熱困難，所需時間長，部分人員存在應付心理。

4）對于大型部件特別是大厚度或長焊縫，結構散熱快，如果不采取在線保溫措施，如電加熱板加熱或保溫棉保溫，則焊接產生的熱量難以保持道間溫度，道間溫度易低于WPS下限。

5）預熱/道間溫度只能在線監測，事后難于追溯，管控困難。

為此，針對未預熱、預熱/道間溫度不符合要求問題，可采取如下措施。

1）加強施工人員工藝宣貫，使其充分認識到不預熱、預熱/道間溫度不符合要求的危害。

2）采用看板，在現場明確不同材料的預熱/道間溫度要求。

3）根據工況，細化烘焙、預熱/道間溫度要求，配置高效加熱裝置，提高效率。

4）大型部件、長焊縫，盡量采用電加熱裝置，采用分段焊，保證道間溫度。

5）加強現場特別是重要結構監督。

4.2 焊接材料烘焙不規范

在具體問題中，焊接材料烘焙不規范排名第二，主要表現如下。

（1）對要求烘焙的焊接材料未進行烘焙 除實心焊絲、藥芯焊絲和少量密封保存，按焊接材料使用說明書可以直接打開包裝后不烘焙就可使用的焊條、焊劑外，大部分的焊條、焊劑使用前均需要按使用說明書或標準要求進行高溫烘焙。為了防止焊接材料在空氣中暴露時間過長，導致因吸潮而增加擴散氫含量，一般要求當班（8～9h，有的4h）未使用完畢的焊接材料應返回庫房保溫或者重新烘焙后領用。在實際生產中，現場有少數使用未經過烘焙焊條、焊劑的行為，還有部分人員為了便利，私自保存當班未使用完畢的焊接材料，在未保溫或重新烘焙的情況下使用焊接材料的情況。

（2）不按規定溫度裝爐和升溫 AWS D1.1：2015規定，焊條的裝爐溫度不超過最終烘焙溫度的一半，且至少1.5h后才能升溫到最終烘焙溫度，最終烘焙時間應在烘箱達到最終烘焙溫度后開始計算。但在實踐中，部分焊條直接在超過最終烘焙溫度一半的情況下裝爐，有的甚至在焊條的最終烘焙溫度時高溫裝爐，且未設定裝爐到最終烘焙溫度的升溫時間。

（3）不按要求的溫度和時間進行焊接材料烘焙 為了保證焊接工藝性、焊接材料擴散氫及材料性能，不同的焊接材料有不同的最終烘焙溫度和保溫時間。低氫堿性焊接材料烘焙溫度多在350～400℃，最高可達400～450℃，而不銹鋼焊條烘焙溫度多為300℃左右，烘焙時間大多為1～2h。在實踐中，存在將不同烘焙要求的焊接材料同爐烘焙，導致烘焙溫度過高或過低、烘焙時間過短或過長的情況發生。

（4）不按要求進行焊接材料保溫/防潮 AWS D1.1：2015規定了低氫焊條暴露于大氣的最長時間，超過最長暴露時間的焊條應重新烘焙。在使用中，應將焊條儲存在焊條桶中，并通電保溫，使用時才取出；焊劑則需保存在密閉的保溫桶中，防止吸潮；藥芯焊絲使用過程中也需要采取防潮措施。在現場時，部分人員未及時對焊條桶通電保溫，有的將多根焊條取出后暴露在大氣中。由于大部分藥芯焊絲為有縫，吸潮性強，一般要求做好防潮措施或限定使用時間，但部分藥芯焊絲未采取防潮措施，長期暴露在大氣中，增大了吸潮風險。

焊接材料烘焙和保溫/防潮是焊接材料管理的重要環節，嚴格按照焊接材料使用說明書或標準要求進行烘焙，是保證焊接工藝性特別是控制擴散氫的關鍵因素，不按要求進行焊接材料烘焙和保溫，將對焊接材料的性能和使用產生不良影響。不按規定的溫度裝爐特別是高溫裝爐及升溫時間較短，可能導致焊條受熱不均勻，水氣不能排出，嚴重的導致藥皮破損，影響焊接工藝性。如果焊接材料烘焙溫度或時間低于要求，則會導致焊縫氫含量增加、接頭開裂；如果烘焙溫度過高或烘焙時間過長，則可能導致焊接材料中的合金氧化或者礦物質分解，影響焊接工藝性或焊縫性能。如果不按要求保管烘焙后的焊接材料，則可能導致焊接材料在使用過程中吸潮并增加擴散氫。因此，必須嚴格按照工藝進行焊接材料烘焙，并采取有效的保溫/防潮措施，保證焊接材料工藝性和焊縫性能。

4.3 焊縫清理不到位

（1）焊縫清理不到位的表現形式 焊縫清理不到位是容易發生的質量問題之一，主要表現在以下幾個方面。

1）焊前未清理坡口面及坡口兩側氧化膜、底漆等損害焊縫質量的雜質，或者清潔度或寬度不滿足要求。

2）清理后，長期不焊接且未采取保護措施，重新返銹。

3）反面碳弧氣刨清根后，未將氣刨產物（氣刨渣、氧化膜等）清理干凈至全部露出金屬光澤，甚至不打磨，殘留大量的氧化膜、碳粒及銅斑等雜質。

碳弧氣刨后打磨不到位場景如圖2所示。

圖2 碳弧氣刨后打磨不到位場景

（2）焊縫清理不到位的危害 焊前清理不干凈、打磨后返銹、碳弧氣刨后雜質清理不徹底，是現場較為普遍的問題，對接頭完整性及性能存在嚴重危害，主要原因包括以下幾個方面。

1）鋼板表面的氧化膜和噴涂的防銹底漆，如果焊前清理不徹底，焊接時有害雜質進入焊縫，則會導致焊縫出現熱裂紋[15]、氣孔等缺陷，降低接頭韌性。

2）碳粒等在焊接時容易引起氣孔，局部存在的高碳使得焊縫形成淬硬組織，導致微裂紋[12]。

3）局部聚集的銅，可能導致焊縫出現熱裂紋[11]。

（3）焊縫清理不到位的主要原因

1）主觀認為焊縫清理不到位不會導致質量問題，對于不進行超聲波及射線檢測的部位，特別是在填角焊中存在該種現象較多。在焊條電弧焊、埋弧焊時，由于熔池較大，高溫停留時間較長，熔池中的液態渣可以將坡口殘存的少量氧化膜等雜質帶出，對無損檢測可能不會造成明顯影響，填角焊一般只進行外觀目視檢查和磁粉檢測，不進行焊縫內部質量的超聲波或射線檢測，因此導致部分焊工存在僥幸心理，不認真清理焊縫。

2）打磨工作量大，環境惡劣。傳統的砂輪打磨噪聲大、污染嚴重，操作人員長期在惡劣條件下工作，難以保持高的作業標準，導致打磨質量不滿足要求。

3）碳弧氣刨操作人員技術水平有差異，氣刨面成形較差，導致后續打磨困難。

4）部分深坡口或角焊縫坡口，以及短小角焊縫和弧形焊縫，作業空間小，不易打磨。

（4）焊縫清理不到位的防止措施

1）加強人員培訓，明確打磨要求（所有待焊接面露出金屬光澤、寬度滿足要求）。

2）提高碳弧氣刨操作人員技能水平，保證氣刨質量，減少后續打磨難度。

3）對于打磨困難的焊縫，加強質量監督，保證打磨質量。

4）利用先進的自動銑削設備或改善作業條件。

4.4 工藝參數超范圍

工藝參數超范圍主要指焊接電流、電弧電壓、焊接速度以及根據上述參數計算所得的熱輸入超出WPS規定的范圍，主要表現形式如下。

1）施工人員為增加單位時間熔敷金屬量，采用超出WPS要求的較大焊接電流和電弧電壓。

2）為減少焊接道次，部分人員大擺動焊接，在立焊位置焊接時尤為突出，造成焊接速度過慢；在部分位置如橫焊焊縫或單道角焊縫，為保證成形，采用過快的焊接速度。

3）由于焊接電流、電弧電壓和焊接速度的原因，導致熱輸入偏小或偏大。

工藝參數超范圍對焊接工藝性，特別是接頭力學性能產生較大的影響。當焊接電流、電弧電壓超出范圍時，可能導致焊縫成形變差，影響外觀質量；當熱輸入超出范圍時，則會導致焊縫強度、韌性等力學性能發生顯著變化，高強度鋼焊接接頭對上述因素的變化尤其敏感。當熱輸入增大時，EH550鋼氣體保護焊焊縫金屬的屈服強度、抗拉強度、沖擊吸收能量顯著降低（見圖3），當熱輸入超過一定范圍時，屈服強度、抗拉強度不能滿足要求[13]。如前所述，當預熱/道間溫度超過要求時，也會對焊縫金屬強韌性造成較大影響。結構建造后，往往只進行無損檢測，一般不開展力學性能等試驗，難以發現工藝參數超范圍對接頭力學性能的影響，因此存在極大的質量隱患。

圖3 熱輸入對高強鋼焊縫金屬強度、沖擊吸收能量的影響[13]

為保證焊接接頭具有所需的強度、韌性等性能，除采用WPS規定的材料，采取合理的工藝參數保證接頭完整性外，必須嚴格按照WPS所要求的熱輸入（焊接電流、電弧電壓、焊接速度）、預熱和道間溫度等參數進行施焊。

針對工藝參數超范圍問題，可以在現場采取以下措施。

1）加強人員教育和培訓，闡明工藝參數超范圍施焊的危害性。

2）配置監控系統實時記錄焊接參數，超范圍施焊時自動切斷電源。

3）必要時，設計驗證試板，與實際結構同時焊接，完工后開展力學性能檢測。

4.5 其他焊接質量問題

其他焊接質量問題（見表3）在現場也時有發生，需要從質量問題對焊接工藝性、焊接接頭完整性和使用性能等方面的影響分析其危害性，從影響建造質量的人、機、料、法、環等各個環節梳理分析其產生原因，并采取相應的技術和管理措施，消除或減輕相關問題的影響，以保證焊接質量。此外，不同結構、不同場地遇到的問題也有所不同，需要結合實際情況予以處理。

5 結束語

通過對船舶及海工平臺建造現場典型焊接質量問題進行統計與分析，得出以下結論。

1）選擇的問題統計與分析具有代表性。

2）問題表現形式多樣，大類中所占比例較高的是焊接工藝和材料問題。

3）具體質量問題中居于前4位的是未預熱、預熱/道間溫度不符合要求，焊接材料烘焙不規范，焊縫清理不到位，以及工藝參數超范圍，闡明了這4類問題的具體表現形式、危害和產生原因，并提出了改善建議。