船舶焊接裂纹的成因及防止措施

船舶焊接裂纹的成因及防止措施

郭玉刚

身份证号码：41018119840206****

摘要:在船舶焊接结构中，焊接裂纹常常出现，严重影响到了船舶的致密性和强度，对其成因进行分析，并探讨其防止措施具有十分重要的意义。本文对裂纹产生的成因进行了分析，结合实际案例和试验，分析了热裂纹和冷裂纹的形成，并提出了相应的防止措施，旨在为船舶的焊接提供参考借鉴。

关键词:焊接裂纹；成因；防止措施

引言

随着国民经济的快速发展，船舶行业也取得了极大的进步。在船舶建造过程中，焊接质量是确保船舶质量、强度和密度的关键，若焊接过程中存在严重的焊接缺陷，将会严重影响到船舶的质量。而良好的船舶建造质量是保证船舶安全航行和运作的重要保障，确保船舶建造的质量十分重要。但是，船舶焊接结构中焊接裂纹经常出现，影响到了船舶的强度和质量。基于此，笔者进行了分析。

1裂纹产生的成因

产生裂纹的成因众多，可能出现在焊接的各个环节；产生裂纹的因素也较多，如环境因素、焊接参数、焊材及母材的成分。焊接裂纹的出现过程，如同人体产生疾病的诊断过程，通过把脉分析，以及其他检测手段，对病情及病因进行诊断，找到病症后再进行对症下药。在诊断过程中，要做到内因与外因相结合，微观与宏观相结合，局部与整体相结合，分析与综合相结合。另外要注意各种症状的交叉性与夹杂性，明确主次关系。

1)首先要知道发病机制，裂纹的形成机理。然后收集症状，再辨证，通过分析归纳、判断病因、病位。最后根据裂纹的长度、方向、位置、深浅、出现的时间以及频率高低等，判断出裂纹的类型。

2)现场试验。与焊材生产厂家合作，对出现的问题进行模拟试验，针对不同的焊接工艺参数，逐一进行试验，对结果进行归类、汇总，找出规律。

3)现场案例分析。对产生现场出现的典型案例进行分析:(1)外因即自然界的环境因素，如气候，造船企业所处的地理位置多依托江边或海岸，风速、空气湿度等环境因素复杂，夏季空气湿度大，冬季寒冷，多种客观因素的形成；(2)位置，从概率分析，平对接焊打底出现裂纹的概率最大，占总数量的60%。其他焊接位置也有一定比例。

4)裂纹的类型。一般主要分为热裂纹与冷裂纹两种，也存在少数其他类型，如再热裂纹、层状撕裂等。

2热裂纹的形成及试验分析

2.1形成机理及影响因素

结晶裂纹(又称凝固裂纹)是在焊缝凝固结晶过程的后期形成的裂纹，是生产中最为常见的热裂纹之一。结晶裂纹只产生在焊缝中，多呈纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊缝中心两侧，而且这些弧形裂纹与焊缝表面波纹呈垂直分布，如图1所示。弧坑裂纹也属于结晶裂纹，它产生于焊缝收尾处。角焊缝充气试验过程证明，焊接电流大于300A时，引弧、熄弧处，极容易产生弧坑裂纹。

图1典型结晶裂纹(角焊缝)

CO2单面焊双面成型工艺，在焊接带陶瓷衬垫的单面焊双面成型的根部焊道时，出现沿焊缝中心的纵向裂纹。根据裂纹产生位置和时间，判定为焊缝热裂纹。焊缝热裂纹产生的机理一般认为是在焊缝凝固结晶过程中，低熔点共晶物质被排挤到柱状晶交遇的中心部位，形成“液态薄膜”，在拉伸应力的作用下沿焊缝中心开裂，形成热裂纹，如图2所示。

图2典型热裂纹(对接缝)

焊接热裂纹的宏观特征是裂纹面上有较明显的氧化色彩，因此可推断热裂纹是高温形成的，也可作为判定是否属于热裂纹的判断依据，影响焊接热裂纹的因素很多，但是主要是合金元素和力学因素。合金元素对结晶裂纹的影响是很重要的，首先是C、S、P，其次是Si、Cu、Ni、Cr等。

1)C。碳是钢中影响热裂纹的主要元素，并能加剧其他元素的有害作用。因为碳极易发生偏析，和钢中其他元素形成低熔共晶；其次，碳会降低硫在铁中的溶解度，促成硫与铁化合生成FeS，因而形成的Fe-FeS的低熔点共晶量随之增多，两者均促使在钢中形成热裂纹。

2)S、P。硫和磷在各类钢种几乎都会增加热裂纹的倾向，即使是微量存在，也会使结晶区间大为增加，在钢的各种元素中偏析系数最大，所以在钢中极易引起结晶偏析，导致热裂纹的产生。同时S、P在钢中还能形成许多种低熔化合物或低熔共晶。

3)Si。硅是δ铁素体形成元素，少量硅有利于提高抗裂性能，但是当Si＞0.4%时，会因为形成硅酸盐夹杂而降低焊缝金属的抗裂性能。随着CO2单面焊双面成型工艺的推广，陶质衬垫被大量使用，衬垫块采用硅和铝的氧化物为主要原料。陶质衬垫的生产厂家很多，成分和质量参差不齐，衬垫熔化后会进入熔池，衬垫的熔化量往往大于焊丝的药剂量，有必要对衬垫的熔化进行研究。

2.2热裂纹模拟焊接实验

2.2.1案例1

与某品牌药芯焊丝厂家合作，对出现裂纹的焊缝进行成分分析，如表1所示。

表1出现裂纹焊缝化学成分分析(单位:%)

在焊接带陶瓷衬垫的根部焊道时，起辅助作用的陶瓷衬垫受焊接电弧热的作用，将部分熔化。熔化的SiO2进入熔池，与焊材和母材混合，形成最终焊缝。增加的这部分氧化物夹杂与其它低熔点共晶物质一起偏聚在焊缝中心，成为低塑性区域，在拉伸应力作用下可能开裂；随着焊接电流增加，熔化的衬垫量增加，焊缝中心的夹杂物量增加，大大增加热裂纹的敏感性。

作为以上分析的证据是检验已开裂焊缝上的焊缝金属成分，可以发现:其中的Si元素含量远远高于纯熔敷金属中Si量(表1)，增加比例为47%，化学反应式为:

SiO2+2Fe=Si+2FeO(1)

焊接热裂纹的第二个影响因素是焊接速度。由图3可以看到，低速焊接和高速焊接是柱状晶成长方向不同。低速焊接时，熔池常成为椭圆形，如图3(a)所示，柱装晶呈人字纹路向焊缝中心成长不易形成偏析弱面，故热裂倾向小；高速焊接时，熔池常呈“滴泪形”，如图3(b)所示，柱状晶近乎垂直地向焊缝轴线方向生长，易在会合面处形成偏析弱面，所以热裂倾向大。另外，焊接速度快，结晶区和高温区狭长，收缩应力作用大，容易产生开裂；焊接速度慢，结晶区和高温区较短，收缩应力作用较小，不容易开裂。

图3熔池形状与焊接速度的关系

为防止带陶瓷衬垫的单面焊双面成型根部裂纹问题，该厂家建议现场按以下推荐工艺焊接:

1)焊接电流应控制在200A以下，采用与之合适电压，速度在15cm/min以下；

2)对于药芯焊丝而言，建议采用后倾法焊接；

3)焊丝不做直线运行，可适当摆动。直线运行时焊接速度较快，容易形成梨状焊道形状，易出裂纹。

该厂家同时对焊丝的产品配方及生产工艺进行调整:具体为:通过采取控制氧含量，优化合金元素的配比，严格限制S、P等杂质元素含量；通过适当减低药芯中造渣剂比例，优化焊丝的碳、锰含量范围，大大提高了陶质衬垫根部焊道的抗热裂纹能力，保证焊接质量具有重要作用。

目前，该厂家研制出的某新型药芯焊丝在试验中，打底电流最高达260A时，仍然不会出现热裂纹，相比正常焊丝200A的电流，已取得了长足的进步。因为打底电流过小，焊丝熔化速度慢，焊接效率会因此降低，提高打底电流至260A，对于提高焊接生产效率具有积极意义。

2.2.2案例2

另一著名焊丝生产厂家曾对不同的CO2药芯焊丝衬垫进行打底焊进行抗裂纹试验研究，包括焊接速度、焊接电流、焊接操作、装配间隙等，结果显示如下:

1)焊接速度是影响裂纹敏感性的重要因素，焊接速度越快，裂纹敏感性越高；焊接电流/焊接速度比值与坡口间隙存在一定的关系。船厂对焊接电流控制比较多，而往往忽视对焊接速度的控制，焊工对焊接速度控制也比较随意，而焊接速度正是影响裂纹敏感性的重要因素。

通常情况，适当降低焊接电流，有利于焊接操作的控制，降低焊接速度，在保证两边焊透的基础上，减少衬垫的熔化，降低裂纹敏感性；如果降低焊接电流，而不降低焊接速度，焊道厚度降低，可能适得其反，如图4、图5所示。

2)焊接电流对敏感性有一定影响，主要是焊接速度/焊接电流的比值，焊接速度/焊接电流的比值大，裂纹敏感性高。为了减少焊接裂纹，多数船厂都对焊接规范有所控制，一般小于200A，但焊工为了提高焊接效率，焊接电流往往用到200A～240A，这就需要焊丝厂家尽力改进焊丝成分，提到焊丝抗裂性，满足200A～240A的焊接要求。

3)焊接操作电弧位于熔池中部(图6)，电弧不往下压，速度合适，衬垫熔化量少，衬垫成分和杂质进入熔池少，裂纹敏感性低。电弧位于熔池前部(图7)，电弧压得低、速度快，衬垫熔化量大，衬垫成分和杂质进入熔池多，裂纹敏感性高。通过对焊接操作和背面成型的仔细观察，发现焊工操作对裂纹敏感性有重要影响，而焊工的操作技能，以及对裂纹的认识和操作规范性，也是层次不齐。这就要求船厂加大对焊工培训力度，熟练掌握焊接速度和操作技能等方面的要领。

4)结晶裂纹和焊缝的成形系数ψ=H/W(即宽深比)有关。提高焊缝成形系数ψ可以提高焊缝的抗裂性能，要避免采用ψ<1的焊缝截面形状。为了控制成形系数，必须合理调整焊接工艺参数。平焊时，焊缝成形系数随焊接电流增大而减小，随焊接电压的增大而增大。焊接速度提高时，不仅焊缝成形系数减小，而且由于熔池形状改变，焊缝的柱状呈直线状，从熔池边缘垂直地向焊缝中心生长，最后在焊缝中心线上形成明显偏析层，增大了结晶裂纹的倾向。

5)装配间隙。按照船级社的规范要求，合理的坡口装配间隙是6mm～10mm。但是施工现场也有4mm～5mm，也有11mm～16mm。装配间隙小，为了焊透，焊工尽可能压低电流，提高焊接速度，熔池变得狭长，坡口窄，冷却速度快，杂质和气孔也不易溢出，焊缝金属的可变形量也减少，导致裂纹敏感性提高。间隙>10mm时，焊工基本采用摆动操作，裂纹比较少。坡口角度一般是双边40°，坡口角度增加，有利于减少裂纹。但是间隙及坡口角度的增加，导致坡口截面积加大，焊工的工作量也加大，造成浪费。一般不提倡。

3冷裂纹的形成及案例分析

焊接冷裂纹是指在焊接接头在应力或其他致脆因素共同作用下，焊接接头局部区域原子结合力遭到破坏而形成新界面所产生的缝隙。产生的时间一般在焊后一段时间。

3.1钢材的脆硬倾向

钢材的淬硬倾向主要决定于化学成分和冷却条件。焊接时钢种的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。因为钢种的淬硬倾向越大，意味着得到更多的马氏体组织。马氏体是一种淬硬组织，在一定应变条件下，由于变形能力低而容易发生脆性断裂形成裂纹。焊接接头的淬硬倾向主要取决于钢中的化学成分，焊接工艺，结构板厚度及冷却条件等。船用高强钢板属于低合金高强钢，按照等级分为A32～E36几类，均是经过细化晶粒处理的镇静钢。具有较低的碳含量，较高的锰含量，并含有部分合金元素。一般来说，焊接性良好，但是在厚度大，刚性大或低温，高湿环境施焊的情况下，增加了形成裂纹的风险。

3.2氢的作用

氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域的油污、铁锈，水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈经焊接电弧的高温作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态。即在焊缝中存在着扩散氢。氢在钢中分为两部分:残余的固溶氢和扩散氢。只有扩散氢对钢的焊接冷裂纹起直接影响。焊接时，氢的主要来源是电弧中水蒸气的分解。焊接材料中的水分及环境的湿度是增氢的重要因素。焊材厂家主要通过降低扩散氢含量来实现，某公司研发的超低氢型药芯焊丝，氢含量等级由H10级提升到H5级。

3.3焊接接头所处的应力状态

焊接接头所处的应力状态，甚至在某些情况下，应力状态还起决定作用。焊接接头的拘束应力主要包括热应力、相变应力及结构自身拘束条件(包括结构形式和焊接顺序等)所造成的应力。焊接拘束应力的大小取决于受拘束的程度。

3.4多种因素叠加的结果

三大因素对焊接冷裂纹产生的影响有各自得内在规律，但它们之间存在着相互联系和相互依赖的关系。如T、Y型及其他三向应力交汇处，容易受应力集中影响。另外，焊接过程中，三向交汇处，钢板三向传热，散热速度明显加快，焊缝冷却速度也加快；而对接接头散热最慢，十字接头则介于两者之间。从刚度方面比较，十字接头的刚性最大，故其裂纹倾向最大，T型接头和搭接接头产生裂纹程度较轻。焊接拘束度大、厚度大的构件时，定位焊缝和打底焊的焊接工艺是很关键的。在同样低温下焊接时，气候越潮湿，焊接区域冷却速度加快，出现裂纹的倾向就越大，主要是出现淬硬组织概率增大，进而增大裂纹倾向。

3.5冷裂纹现场案例及控制

3.5.1案例

案例1:某集装箱船舱口围厚板T型对接，夏季施焊焊缝根部出现的裂纹。板厚50mm，环境因素:气温25℃，湿度90%；裂纹出现频率:多处位置出现(图8)。

图8舱口围板裂纹

案例2:某散货船底边舱斜板Y型对接，冬季焊接出现大面积的裂纹。板厚25mm，环境因素:气温-5℃，湿度75%；裂纹出现频率:大面积出现(图9)。

图9底板舱斜板裂纹

3.5.2现场采取控制措施

经过实践证明，预热是防止产生冷裂纹的有效措施。预热温度的选择与施焊的环境温度，钢种的强度级别，焊缝金属中扩散氢含量等因素有关。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更容易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量。减小温差应力，如图10所示。

图10预热对焊接区氢扩散的影响

施焊的环境温度对焊缝的扩散氢含量有一定关系，采用的预热温度也要有所变化。一般情况下，随着气温的降低，焊接的预热温度需适当提高。

与单层焊工艺相比，多层焊工艺能显著减小根部裂纹倾向。后层焊接时，会使前层的氢快速逸出，并使前层的热影响区淬硬层软化，从而提高接头的抗裂性能。一般以控制层间温度为准。焊接过程中保持适当的层间温度，适当的层间温度能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低参与残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度的下限值。

后热处理:因为延迟裂纹存在潜伏期，一般在焊后几分钟或几小时后才会产生，所以，如果在裂纹产生之前能及时进行加热处理，将有助于防止冷裂纹的产生。根据后热温度及加热时间，可使焊接接头中的扩散氢充分退出，一定程度上降低了残余应力，也可以适当改善组织，降低接头的淬硬倾向。

4防止裂纹产生的措施

4.1现场施工管理

保证焊材或焊剂的烘干未经烘干的焊材或焊剂不得使用。要彻底去除焊接坡口表面及坡口范围内的油污、水分、铁锈及其他杂物，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊；即使施焊，也必须将雨雪及潮气用火焰烘干后才可焊接。采取有效的防风措施，以防止吹弧，使焊接熔池得到有效的隔离保护。

4.2装配过程控制

1)避免出现过大错边或过大的装配间隙以免造成未焊透、夹渣或焊缝成型不良等缺陷。尽量不使用夹具进行强制装配，以免造成过大的装配应力和拘束应力，增加裂纹倾向。避免焊缝处在刚性拘束状态下焊接，让焊缝有一定的收缩自由。在分段中组几大合拢的阶段，对结构进行适当的工艺支撑及局部加强，减小由于结构自重，负载而引起的应力集中。

2)定位焊因焊缝尺寸小、长度短，并且大多数是单道焊，其焊缝及热影响区冷却速度快，容易形成低塑性的脆硬组织，还由于焊缝承载面小，承受较大应力时可能引起冷裂纹。为防止定位焊开裂，可适当增大焊缝截面尺寸，保证角焊缝根部与母材完全熔合。另外，定位焊缝必须有足够的长度，一般50mm～100mm，现场根据板厚的大小，可以对长度进行调整。熄弧时应将弧坑填满，防止弧坑开裂。另外，如果焊工运条方式及角度不合理，也可造成虚焊以及根部未熔合出现，极易引起开裂现象出现。

4.3焊接过程控制

4.3.1引熄弧

引弧时，电弧应在引弧板上或焊缝坡口内引燃，不允许在母材及非焊接位置任意划擦。引弧时的起弧点应在起焊点前10mm～20mm处，待电弧引燃后，将电弧迅速移到起焊点回转一下再开始正常焊接。熄弧时，须将弧坑填满后再熄弧，否则易产生弧坑裂纹。

4.3.2焊接过程控制

对于焊接部位，焊工一律进行理论与实践培训，掌握操作要领后，按照工艺规程操作。防止发生气孔、夹渣、未焊透、咬边等工艺缺陷，这些缺陷构成局部应力集中，成为氢的富集场所，从而增加了冷裂纹倾向。焊接过程中，一旦发现少量裂纹的出现，不管大小，立即清除，碳刨或磨平；而一旦出现大面积的裂纹，停止施工，分析原因后，进行整改，再进行施工。另外打底层焊接完毕立即进行填充盖面，不准间隔时间过长，防止因焊层薄承载能力有限而导致开裂。对于平直焊缝，包括对接缝与角接缝，尽量采用高效焊接设备，如自动角焊小车，全位置焊接小车等，保证焊缝连续焊接，减少因中途停顿而导致的引弧与熄弧次数。

5结语

综上所述，船舶焊接质量是确保船舶致密性和强度的关键，关系到船舶的安全航行和作业，并与人们的生命财产息息相关。因此，在船舶建造过程中，焊接人员要采用高效、合理的焊接技术进行施工，同时还要加强现场施工管理和对焊接的过程控制，采取有效的防止措施，避免焊接裂纹的出现，从而确保船舶焊接的质量，保证船舶的强度和密度，为船舶的正常安全使用提供保障。

参考文献

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[2]王子瑜.船舶结构焊接结晶裂纹的产生与防止[J].价值工程.2015(05)