浅析焊缝裂纹预防和消除工艺

摘 要：从焊缝裂纹产生原理着手，提出预防裂纹产生的工艺和消除裂纹的办法，结合实船焊缝裂纹分析成因并提出解决办法，以供焊接工艺编制人员和船舶检验人员参考。

关键词：焊接 焊缝裂纹 焊接工艺

焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，容易导致局部范围里应力显著增大，形成较高的应力集中，而且有延伸广和扩展快的趋势，是焊接接头中最危险的缺陷，对船舶质量是很大的安全隐患。在日常的焊接过程中，应注意预防产生焊缝裂纹。焊接后要采取各种办法来检查有无裂纹，一经发现，必须及时分析产生原因，采取相应的措施予以根除。去年，在某新建船舶焊缝RT检测中，焊缝裂纹缺陷的胶片数量占总的不合格胶片数量的比例竟高达25%！

1.焊接裂纹定义、特点及种类

焊接裂纹是船舶建造过程中，各类裂纹的总称，是在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成新界面产生的裂缝。

焊接裂纹通常分为热裂缝和冷裂缝。

1 . 1热裂缝：是指在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到高温区产生的焊接裂纹，又称高温裂缝。

热裂纹的特点：焊后立即可见；多发生在焊缝中心，部分发生在热影响区；沿焊缝长度方向分布；肉眼可见裂纹处有氧化色彩；显微镜下可见裂纹走向均为结晶开裂。

产生原因：焊接熔池中存在低熔点杂质，由于杂质熔点低，结晶凝固最晚，而且凝固以后的塑性和强度又极低，当外界结构拘束力足够大时，由于焊缝金属的凝固收缩以及不均匀的加热和冷却作用，熔池中的低熔点杂质或在凝固的过程中或凝后不久即被拉开，造成晶间开裂，即热裂缝。

1 . 2冷裂缝：一般指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂缝，又称延迟裂纹或氢致裂纹。

冷裂纹的特点：这类焊缝可能焊后立即出现，也可能延迟几小时，几天甚至更长时间，甚至可能发生在无损检测之后产生。焊缝和热影响区均可能产生冷裂缝，尤其容易发生在焊缝成形不良的热影响区和理化性能不均的氢聚居区焊缝。肉眼可见裂纹断口处有金属光泽，显微镜下可见裂纹具有结晶和穿晶走向的混合形态。

产生原因：在焊接热循环作用下，热影响区生成了淬硬组织，焊缝中存在过量的扩散氢，且具有浓集的条件，接头承受有较大的拘束应力。

2.预防焊缝裂纹的工艺措施

预防产生热裂缝的主要措施：a、认真把好材料关。凡用于建造船舶结构的钢材和焊接材料，都必须有验船部门的认可证书，并保证实物和证书一致；b、严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，遵守工艺规格，保证焊缝成形质量；c、尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂缝；d、认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，如确定合理的焊接顺序，对称施焊，分段退焊等，以减少焊接应力。

预防产生冷裂缝的主要措施：a、选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；b、严格遵守焊接材料的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；d、仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；e、采用合理的施焊程序，如采用分段退焊法等，减小焊接应力；e、合理地进行焊前预热及焊后热处理。

3.焊缝裂纹返修工艺

从焊缝裂纹的检测到裂纹的根除再到补焊的整个过程，需要有一定的技术工艺。

首先，必须确定裂纹的部位。可采用射线探伤或磁粉探伤或多种探伤方式结合，确定所有裂纹的精确位置并作好相应的标识。

其次，清除裂纹。可采用风铲或碳刨清除裂纹。

a、如果用风铲清除裂纹。应先在裂纹的两端头用直径8-12mm的钻头钻孔；钻头尖角角度约为116～118°，钻孔深度应大于裂纹深度2-3mm，以确定裂纹的浓度和防止裂纹蔓延，然后再铲除两孔间的裂纹。

b、用碳刨方法清除裂纹。可先从裂纹的两端头起向中间刨削，以防止裂纹蔓延，然后将整个裂纹清除。

最后进行裂纹清除后的清洁工作及补焊。补焊前，在补焊处及两侧20～30mm范围内应仔细清理，清除铁锈、熔渣、氧化皮、水分及油垢等，并保持清洁和干燥。补焊过程中应严格遵守认可的焊补工艺。

4.焊缝裂纹预防与消除工艺实例

辖区内某新建1500总吨集装箱船按照建造检验项目表申请实施外板焊缝坡口检验的时候，发现存在的主要问题为：a、部分焊缝出现裂纹；b、部分焊缝坡口角度偏小，约为25°。c、部分焊缝坡口未打磨光顺。d、部分焊缝坡口已经刨穿。船厂针对焊缝裂纹，做出常规的处理办法：a、对焊缝裂纹用砂轮对裂纹处进行打磨，直到彻底清除裂纹；b、对刨穿孔的位置在正面（即外板内缘）补焊，然后反面扣槽清根；c、对焊缝坡口进行适当地打磨。现场验船师同意了该处理办法。在后续的检验过程中，原有焊缝裂纹基本上为穿透性裂纹，砂轮打磨焊缝直至磨穿才能将裂纹根除。船厂针对磨穿和刨穿处焊缝进行里面补焊，外面扣槽清根的过程中发现新补的焊缝仍存在裂纹。

4 . 1工艺问题分析

经再次核对船用钢板和焊材与证书一致，且证实焊接材料一直妥善保管和使用。焊缝坡口区域保持清洁干燥。该船出现裂纹的焊缝多为横缝和一些具有三相曲度位置的焊缝。这些地方应力较大。但是前期装配过程中外板排板间隙过小，且此类焊缝多为手工电弧焊，对接焊正面焊接时候熔深不足，反面扣槽的时候要做到清根，通过打磨使坡口呈现亮银色，剩下的焊缝连接不足以抵抗拘束应力，导致焊缝开裂。

辖区新建船舶焊缝裂纹多为此类冷裂纹。如果在装配和焊接过程中注意采取预防措施，基本上能防止该缺陷的产生。为避免以后的焊缝出现同样的缺陷，现场验船师向船厂质检提出了焊缝裂纹预防措施建议：a、保证排板的装配间隙为2～3.5mm，保证排板的平整度和错边量不超差；b、保证正面焊缝熔深的前提下可以采用单“V”形坡口，否则应考虑采用“X”形坡口；c、保证合适的坡口角度和深度；d、使用合理的焊接工艺参数，减小焊接应力。

4 . 2焊修工艺分析及措施

4 . 2 . 1 裂纹部位的确定

4 . 2 . 2 裂纹消除&坡口准备

鉴于对接焊里面焊接熔深不够，在应力作用下，裂纹多为穿透性裂纹。建议船厂对此类焊缝开“X”形坡口，即双面坡口。对此类裂纹不允许使用乙炔焰割开，同意先使用砂轮打磨根除裂纹，然后使用碳刨对焊缝正面开“U”形坡口。每次刨深以1～3mm为宜，掌握合适的刨削速度，避免产生夹碳，达到得到光滑刨痕表面的目的。并用砂轮打磨坡口表面，使坡口角度为40°～60°，且均匀光洁。

4 . 2 . 3增加拉码

为了减少焊接拉应力作用引起的板的错位或变形，焊前应视情况增设几组拉码支撑住所焊部位两端，以减小焊后的收缩变形。为了让使用弹性拉码产生的外部拘束力更小，使用弹性拉码。

4 . 2 . 4焊修工艺措施

使用手工电弧焊。焊接设备型号为BX1-400，焊丝直径为3.2mm/4.0mm，焊丝型号为E4303，牌号为J422。焊接工艺参数详见表1。为减小焊接变形和消除焊接应力，避免产生裂纹，应采取相应的工艺措施。a、分段跳焊，对称施焊。打底焊时每段长度20mm～40mm，间隔40mm。b、采用小电流、多层多道焊，避免手势摆动过大。c、每层每道焊缝起弧，收弧处应尽量错开，不能重叠，且应填满弧坑。d、每层每道焊缝焊缝应清理干净再焊下一道。e、焊后不立刻敲焊渣。f、对中间焊层直焊道在热态下进行锤击。

正面焊接完成后，按焊接工艺规程在外面扣槽清根，准备反面坡口。碳刨之后不应立刻使用砂轮打磨。准备好坡口按前述工艺进行焊接。

5.效果及结论

焊接完成后，经采用射线探伤，上述焊缝内部质量基本合格。可见，焊接过程中，应尽量采用合理的焊接工艺，防止扩散氢的聚集，减小焊缝拘束应力，从而达到预防和消除裂纹的目的。

参考文献：

[1] 陈冰泉.《船舶及海洋工程结构焊接》.北京：人民交通出版社，2001.

[2] 王洪新.《手工电弧焊》.北京：化学工业出版社，2007.

[3] CB/T3761-1996《船体结构焊缝缺陷修补技术要求》.