船舶焊接方式及其焊接缺陷的控制研究

宋江斌 万多豪 王立军

摘   要：船舶焊接在船舶建造领域起着至关重要的作用。焊接费用视不同情况而定，一般占到全船建造的35%～45%，非但如此，焊接质量的好坏，将直接影响到船舶的各个方面。对于不同结构、不同材料的船用钢材，采用合适的焊接方式十分重要。本文通过查阅大量文献，结合实践，详尽描绘了各类焊接方式及其相应缺陷的控制方法，希望帮助焊接工作者开展焊接作业，提高焊接质量。

关键词：焊接质量  船舶焊接  船用钢材  焊接缺陷

中图分类号：U671.8                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0065-02

20世纪90年代中后期，随着先进制造技术向数字化、集成化、智能化、网络化方向发展，船舶焊接制造工艺也向以工艺知识为核心、基于知识的工艺设计与管理的方向发展[1]。焊接工艺作为船舶制造业的技术基础及支撑，但在经济、地区等各类因素的影响下，现代化的建造模式并未普及。更有甚者，对于焊接规范熟视无睹，往往以利益权衡是非，采用错误的焊接方式。这严重影响到船舶航行的安全性，大大降低了船体强度。一旦遇上触礁、碰撞等事故，后果不堪设想。为此，采用正确的焊接方式及补偿手段尤为重要。

1  常用的焊接方式

船舶焊接方法多种多样，常见的有埋弧自动焊、CO2气体保护焊、钨极氩弧焊、电渣焊等。

埋弧自动焊，是指在以机械自动化的形式下进行焊丝送给、电弧引燃、电弧移动，最终达到熔合母材的工艺手段。这类焊接方式的最大特征是在进行焊接时电弧被颗粒状的焊剂所覆盖，因而又被称为焊剂层下自动电弧焊。

CO2气体保护焊，是指焊接接触点处在CO2气体流的保护下，并以焊丝与母材为电极，最终使两者熔合的一种焊接方法。

钨极氩弧焊，是指在氩气流的保护下，通过钨棒与母材间产生的高能电弧来熔化给进焊丝和母材，以达到熔合目的的一类焊接方法。

电渣焊，是指运用电阻热的工作原理，利用熔渣释放出的高温促使进给焊丝与焊件熔化最终熔合形成所需焊缝的焊接手段。

2  常用焊接方式的缺陷及其控制

2.1 埋弧自动焊的缺陷及其控制

埋弧自动焊工艺中，最为常见的缺陷有：裂纹、未焊透、夹渣、未熔合、气孔、咬边等，其中危害最大的是裂纹。

引发裂纹问题的原因很多，针对不同的原因，有不同的应对措施：首先，要确保选配焊丝的准确性。对于不同的焊接材料，应选择不同的焊丝。低碳钢可选用低锰焊丝，低合金钢应当选择中锰焊丝或高猛焊丝，强度级别较高的低合金钢则要选用Mn-Mo焊丝。其次，要保证焊丝的品质，选择使用合格焊丝是防止裂纹缺陷的必要举措。再者，在实行焊接前应当预热焊接部位，同时焊接过后还应缓慢冷却。

彼此交错的加热线也会相互影响。在焊接过程中，金属的熔化和重新结晶使金属组织发生变化，又因热分布不均，使焊接产生了应力和变形，所以，焊接过程中若不注意焊接顺序，则会产生焊缝的断裂和焊件变形的严重后果[2]。焊接时要嚴格按照焊接规范，不可盲目进行焊接操作。

对于埋弧自动焊中的气孔问题，可以侧重考虑焊接用具的整洁情况。焊缝中存在大量气孔，往往是焊剂不干净，焊接坡口有锈、油污或氧化物引起的。因此在烧焊之前应多多留意，需将各类焊具清洗干净，同时要保证焊剂的干燥。准备完善后，便可将气孔频出的问题解决掉。

而夹渣、咬边、未熔合、未焊透这几类问题，关键在于操作的精细程度。只要合理调整焊丝，留意焊丝的位置，角度以及焊道的整洁程度就可以将焊接缺陷降低到最少。

2.2 CO2气体保护焊的缺陷及其控制

采用CO2气体保护焊，极易出现合金元素的烧损、颗粒飞溅、气孔残留、焊缝金属含氧量过高等问题。

处于高温电弧氛围下的CO2极具氧化性，它的这一特性正是引起气孔残留、颗粒飞溅、合金元素烧损的主要原因。而焊接过程中的中间副产物FeO，则是导致焊缝金属含氧量过高、气孔残留、颗粒飞溅问题的直接因素。

因此，可以通过选用加有各类脱氧剂的焊丝来进行联合脱氧。有了脱氧剂的参与，既可以减少合金元素被氧化烧损的数量，又能够还原部分中间产物FeO，减轻了焊缝金属含氧量过高而引起的机械性能下降的问题。

气孔残留与颗粒飞溅问题，在本质上是十分复杂的，产生的气孔一般有三类：CO气孔、氢气孔和氮气孔。

CO气孔频出的问题，可以通过选用合适的脱氧剂焊丝来解决。而焊丝、母材表面不干净，存在水分和油污常常会引发氢气孔问题，只要清理掉杂质，并对焊丝及CO2气体进行干燥，就可以大大降低氢气孔出现的概率。对于氮气孔，只要保证CO2气流的稳定性，以及所用CO2气体的纯度，确保烧焊过程中没有大量氮气混入即可。

至于颗粒飞溅问题，其本质诱发因素复杂。可以通过在焊丝中添加脱氧剂，稳弧剂来缓解，对于电极的选择，电流强度的控制也应细细斟酌。

2.3 钨极氩弧焊的缺陷及其控制

钨极氩弧焊中常见的问题有裂纹、气孔残留、焊缝表面氧化及钨极污染焊缝等。

气孔残留往往是由于外界气体混入焊接工具不洁引起的。预防产生气孔的办法有：选择合适的焊接电流和焊接速度、认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹等[3]。裂纹问题，保证好焊前预热，放慢焊后的冷却速度，便可以规避。焊缝表面氧化常常是氩气流使用不当造成，烧焊前做到提前释放氩气流，烧焊后延时切断氩气流，烧焊时确保氩气流的稳定性，就能解决焊缝表面氧化问题。针对钨极污染焊缝的问题，只要依据所使用的电流大小来选择钨极直径，采用正确的引弧方式，稳定电弧长度，就能防范钨极污染焊缝这一弊病。

2.4 电渣焊的缺陷及其控制

电渣焊相比以上三种焊接手段，它所存在的焊缝缺陷要少很多。它的主要问题在于焊缝的热影响区晶粒粗大，这意味着对应部位的冲击韧性低。所以，在烧焊结束后，经过正火、回火等措施后，就能缓解晶粒粗大的情况，以改善冲击韧性低的问题。

3  常用船舶焊接方式的适用情况

3.1 埋弧自动焊的适用情况

船舶结构错综复杂，对于焊接方法的选择十分重要。

由于埋弧自动焊的特性以及所用焊剂的局限性。埋弧自动焊很难应用于弯曲不平的船用钢材上。受到焊接设配的约束，埋弧自动焊很难应用到立焊和仰焊中，仅局限于俯焊。埋弧自动焊有焊剂使用要求，因而不适合用来焊接铝、钛等强氧化性的金属。对于薄板，因所需的电流过小，埋弧自动焊的稳性就相对较差，所以不能用它来进行薄板的焊接。埋弧自动焊的自动化程度很高，但对焊接母材的预处理要求却很苛刻，考虑到交船时间的紧迫性，可以选用另外合适的焊接手段。

简而言之，埋弧自动焊在时间充裕，焊接平直厚板的情况下最为适用。

3.2 CO2气体保护焊的适用情况

CO2气体保护焊根据焊丝的不同，可分为实芯焊丝CO2气体保护焊和药芯焊丝CO2气体保护焊。

对于实芯焊丝CO2气体保护焊，它的适用范围很广泛，钢材厚度对它的影响不大，同时它适用各类金属材料的焊接，操作简便，效率又高。但是，为确保焊接点处在良好的CO2氛围下，开展焊接工作前必须要做好防风措施，这是CO2气体保护焊的繁琐之处。实芯焊丝CO2气体保护焊不能使用交流电源进行焊接，更不能进行易氧化有色金属的焊接，并且实芯焊丝CO2气体保护焊引起的颗粒飞溅明显，弧光强烈。

药芯焊丝很好的弥补了前者的不足，飞溅小，电压电流选择范围广，最大的不足是药芯焊丝制造困难，工艺复杂，容易变质。

在一些重要工作中，CO2气体保护焊起着至关重要的作用。CO2气电垂直自动焊工艺在船台大合拢时，焊接垂直对接缝中广泛被采用，可以使长达 15～30cm 的对接缝稳定牢靠地被焊接在一起，使得焊接效能得以提高，远远超过了旧有技术下的效能[4]。总而言之，在无特殊要求下，追求高效，高质量的焊接工艺时，可以优先考虑CO2气体保护焊。

3.3 钨极氩弧焊的适用情况

钨极氩弧焊具有焊接后残余焊接应力及变形小的特点，这一特点，使得钨极氩弧焊非常适合薄板及轻薄构件的焊接。钨极氩弧焊的使用范围广泛，焊接母材为有色金属、不锈钢、活泼性较强的合金时就可以选用钨极氩弧焊。

钨极氩弧焊由于所使用的电流较小，使得其工作效率低下，倘盲目增大焊接电流，则易引起钨极破碎，使得焊缝存在夹渣。并且氩气昂贵，生产成本较高。钨极氩弧焊适用于有特殊要求的焊接部位，考虑到成本与效率，可在小范围内使用。

3.4 电渣焊的适用范围

电渣焊时常用于大厚度的母材之间的焊接。当焊接工作时遇上大厚度焊件或焊接焊缝截面变化大的情况时，可以选用电渣焊。电渣焊的选用可以提高焊接经济效益，同时电渣焊的焊缝缺陷较少，焊缝问题也易于控制。但是电渣焊对于焊接位置的要求较大，要求焊缝处于垂直位置。并且电渣焊容易引起焊接处晶粒粗大的问题。

4  结语

由于船舶焊接在船舶建造工艺中的重要地位，所以了解并掌握各类焊接方式十分重要。而规范使用焊接方式是保证焊接质量的根本保证。焊接质量如果达不到要求，船体的结构强度将大打折扣，遇上突发事件，将引发重大问题，后果不堪设想。因此，规范焊接工作，是船舶焊接的首要任務。

参考文献

[1] 邓欣，吴松林. 船舶焊接工艺评定专家系统的研究与开发[J]. 材料开发与应用，2012，27（2）：80-83.

[2] 李鸣. 小型船舶焊接工艺[J]. 江苏船舶，1999，16（2）：39.

[3] 马鑑，刘永寿. 船舶焊接工艺的探讨[J]. 中小企业管理与科技（下旬刊），2010（10）：308.

[4] 文大勇. 试析船舶焊接工艺的应用与发展[J]. 中国水运，2012，12（7）：89-90.