應用裂紋檢出率優化焊接工藝規范的研究

陳志強，朱哲仁

（1. 河北大學質量技術監督學院，河北保定 071005；2. 中國液化天然氣船務（國際）有限公司，香港 999077）

應用裂紋檢出率優化焊接工藝規范的研究

陳志強1，朱哲仁2

（1. 河北大學質量技術監督學院，河北保定 071005；2. 中國液化天然氣船務（國際）有限公司，香港 999077）

裂紋類缺陷是焊接過程中經常出現的最嚴重缺陷之一。無損檢測方法是檢測和評價焊接方法是否有效的重要手段。以裂紋檢出率作為技術指標，對斜T型全熔透焊縫采用FCAW-CO2焊接方法的焊接過程質量進行了綜合評價，通過優化焊接參數消除了危險性缺陷，最終確保了完工焊縫的焊接質量和提高了產品的整體安全性。

裂紋檢出率；藥芯焊絲氣體保護半自動焊接方法；斜T型全熔透焊縫

0 引言

隨著對清潔能源需求的不斷增加，帶動了液化天然氣船運輸業的快速發展，并迎來了新的船舶建造高峰。而我國液化天然氣運輸船的建造和使用起步較晚，為了確保20年以上的設計使用壽命和低溫環境下的工況條件，焊接質量的控制在建造船體的過程中顯得尤為突出，否則在后續工作中因前道工序不合格的返修會大大浪費工時，同時存在的隱患還會導致災難性的后果。在船舶建造過程中，作為液貨艙載體的船體結構，根據設計規范和建造檢驗要求，特別凸顯了關鍵節點（見圖1和圖2）的焊接質量的控制，需要100%的外觀和100%的超聲波檢測加磁粉檢測或著色滲透檢測，并且需要 100%的真空密性檢驗。為了確保焊接質量，在評定焊接工藝規范時采用了斜Y形坡口焊接裂紋試驗，結果符合標準要求，但因現場的焊接工況不同，特別是分段的噸位達到數百噸以上，拘束條件以及焊接條件等不同于試驗室工況，在焊接過程中，特別是在多層焊的打底層焊道焊接時，還是頻繁出現裂紋，并且分布在焊縫的中心，沿焊縫的軸向呈縱向連續或斷續分布。通過放大鏡目視，其裂口處有較明顯的氧化層淺藍色彩，表面無光澤，并呈現鋸齒狀，見圖3和圖4。其在焊縫橫截面上呈現不同的深度，一般在0.5mm～3mm，淺的小于0.1mm，只有借助放大鏡或磁粉檢測等手段才可發現其痕跡［1］。

圖1 貨艙典型橫剖面圖及關鍵節點區

圖2 典型節點形式

圖3 打底層焊道出現的裂紋特征及分布

圖4 打底層磁粉檢測缺陷痕跡

裂紋在焊接過程和最終產品的檢查驗收中是不允許存在的。對于焊接過程中出現的裂紋，必須徹底去除，并且應從工藝的角度進行研究，證明焊接工藝的可行性和查找出裂紋產生的原因，從而完善和優化焊接工藝參數以及防范措施，使焊接工藝規范更適合現場不利的焊接條件，達到杜絕裂紋的目的。焊接過程中呈現在焊縫橫截面上較深的大于0.5mm的熱裂紋，在后續的焊接過程中，由于應力的釋放，可能會導致裂紋的進一步擴展，延伸至上一層填充焊道，最終導致貫穿性裂紋。對于分布于焊縫橫截面潛表面的小于0.5mm的熱裂紋，在后續的填充焊接時，采用合理的工藝焊接參數，會重新液化微裂紋，達到消除的目的，進一步的實驗也證明了這一點。為此，關鍵節點焊縫在分段預制以及合攏位置打底焊層出現的宏觀裂紋控制和檢驗是焊接過程和最終檢驗的重點［2，3］。

為了確保建造這兩個階段結構的質量，根據相應的建造規范、設計要求和檢驗標準，不同程度地合理安排了檢驗的關鍵部位和檢驗驗收的等級。為了確保結構的質量和裂紋的有效控制，無損檢測方法的最佳采用和相應的驗收等級的匹配以及合理布置檢測關鍵點是質量控制環節中的關鍵。因為無損檢測方法的合理布置和選用可以確保檢測的全面性和對焊縫結構質量的整體評價，特別是對缺陷的特征評價。因此，通過對焊道打底層裂紋缺陷的有效檢出是評價檢測方法是否合理的關鍵因素，裂紋缺陷的檢出率成為優化焊接工藝的重要指標，通過獲取的缺陷類型和質量信息，對焊接工藝規范進行適度的調整和糾正，達到優化焊接工藝、穩定焊接質量的目的。

1 結晶熱裂紋產生的原因

通過對厚度為20mm的焊接母材金屬EH36和規格為Φ1.4mm的SuperCored 71焊材化學成分，以及采用FCAW-CO2焊接成形焊縫金屬的化學成分分析，消除了因冶金因素引起裂紋的可能性。因此，本文只針對結晶熱裂紋產生的兩個必要條件進行分析，即焊縫金屬在結晶后期抗裂能力的下降和受橫向拉伸應變，從而研究解決消除裂紋的途徑。

1.1 焊縫金屬在結晶過程中的塑性（δ）變化

已知裂紋的產生主要集中于固—液相階段，當溫度降低到略低于TS時（見圖5），此時固相隨晶粒的增加而長大，并相互接觸而連接成為一個整體，液相被固相所包圍導致其流動困難，少量的剩余液相形成所謂的“液態薄膜”。此時即使受到很小的橫向拉伸應力作用，也會導致液態薄膜開裂，因為這個階段的金屬的塑性最低。

在完全凝固階段，整個熔池完全凝固而形成整體的焊縫。此時受到橫向拉伸應力，變形由整個焊縫金屬承擔，而不再集中于晶界，有較高的抗裂性，不會導致開裂。

由此可以看出，脆性溫度區間是在固—液相階段，由于液態薄膜的出現和受到橫向拉應力導致變形而開裂。說明此階段焊縫金屬塑性最低，抗裂性最差，是研究裂紋產生的關鍵階段。

1.2 產生裂紋的力的因素

脆性溫度區間的存在是產生裂紋的主要根源，而應力的作用是產生裂紋的必要條件。由于各個船體分段較大，在組對裝配過程中很難保證其水平度、垂直度、對中、焊口間隙等完全符合技術規范的要求和自由狀態（無應力狀態），這勢必導致焊接過程中焊縫所受應力狀態的不同：1）在應力的集中點就會導致脆性溫度區間的開裂而出現裂紋；2）是焊縫冷卻過程中的內應力作用，這種內應力是焊縫冷卻過程中形成的，一般情況是由于焊接時的局部加熱產生的焊接應力；3）是焊接時焊縫收縮產生的內應力，由于收縮受到拘束力的作用，當焊縫金屬所承受的拉伸應變率大于臨界應變率時，便會導致脆性溫度區間開裂而產生裂紋，如焊接處于自由狀態或者焊接順序不當導致的局部應力過大；4）由于母材金屬受溫度影響，特別是晝夜溫度差以及急劇的冷卻導致脆性溫度區間加大，如預熱措施不實施或過低導致的冷卻速度過大，致使打底焊縫金屬承受的橫向拉伸變形較大而開裂，并且在焊縫金屬的填充厚度沒有達到一定程度的承載時，裂紋的傾向更大，嚴重時整條打底層焊縫開裂，并呈現貫穿性裂紋，這是產生裂紋的主要根源。

2 消除裂紋的試驗研究及方案

根據裂紋產生的主要原因分析，并結合現場工況，從力學角度分析，阻止裂紋的產生的關鍵就是調整和改善焊接時的應力和應變情況，即采取適當的措施使處于脆性溫度區間的焊縫或熱影響區金屬所承受的拉伸應變率小于臨界應變率（CST，見圖5）和公式條件，見式（1）。

為消除裂紋的產生，條件必須滿足：

式中，ε為焊縫冷卻時受到的內部應變或真實應變；τ 為溫度。

設εe為表觀應變值，T為熱應變，α為金屬的熱膨脹系數，則：

如果外加應變εe，則此時脆性溫度區間的焊縫承受的實際拉伸應變ε’=ε-εe。

如果滿足：

即可消除或減少熱裂紋的產生。

為滿足消除裂紋的條件，試驗方案采取了以下措施。第一，在焊接打底焊道前預加拘束力（橫向拉應力），即夾具或碼板等臨時附件的合理布置及選擇去除時機使焊道受到的拉應力減小而消除熱裂紋，見圖6；第二，適當減小熱輸入（線能量），通過減小焊接電流、焊接電壓和適當提高焊接速度的方法以及調整焊接順序，減小第一層焊道和焊口兩側基體金屬的熱變形，從而使dε/dT＜CST，達到防止熱裂紋產生的目的；第三，對打底焊層進行預熱或保溫以及增加打底層焊道的厚度值，縮小脆性溫度區間和驟冷引起的過大橫向拉伸應變和提高抗裂性，使dε/dT＜CST，也可達到消除大面積打底焊道層裂紋的產生。根據試驗方案，采用磁軛式CXD-200探傷儀和Epoch IV超聲波探傷儀，配以探頭 2.5P13X13A70，分別對焊接過程中的打底層焊道和完工焊縫進行檢測［4］，根據出現的裂紋率評價焊接工藝及措施的有效性。

圖6 碼板布置示意圖和實際圖

3 試驗數據及分析

3.1 采用碼板作為拘束手段的數據及分析

為獲得較大的剛性拘束，當碼板間距為500mm時，研究了夾持的間距變化對焊接裂紋的影響。采用20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm和100mm的夾持距離進行不同焊道的焊接，同時焊口兩側施加引弧板和收弧板，發現當夾持距離增大時，裂紋逐漸減低，見圖 7。但當夾持距離大于60mm時，近端部1m～1.5m左右變形較大，不能保持正常焊接，并出現連續性裂紋。上述試驗是在長32m的節點焊口上進行的，并且保證同一焊口上所用碼板的夾持距離一致。

圖7 拘束距離對打底層焊接裂紋的影響（連續焊接）

上述所有的措施都是保證剛性拘束，焊接時的拉伸拘束度RF（MPa）為［5］：

式中，E為彈性模量，MPa；t為構件的厚度，mm；l為拘束長度，mm。

而焊道處的拘束應力σW與拘束度有關，其關系式為：

式中，S為收縮量，mm；tw為焊道厚度，mm。

由此可以看出，拘束長度l增大，勢必導致RF變小，焊道處拘束應力σW降低，使得產生裂紋的延長時間加長，當l增加到某一數值時，如此試驗的60mm時，產生裂紋的幾率保持在某一水平，也可把此時產生的拘束應力看作是臨界值。

為消除后續 1m～1.5m左右的裂紋產生區或不宜焊區，是由于連續焊接導致局部應力過大造成的。熱變形引起的焊道的間隙過窄，只有重新開間隙符合規范要求5mm或組對前，根據焊縫收縮量放寬到6mm～8mm，才可減少裂紋的產生。通過終端部分點焊上彈性收弧板，這種彈性收弧板有彈性拘束作用，會使端部急劇的回轉趨于緩和，從而抑制端部區的裂紋產生。但彈性收弧板的拘束作用和其彈性收弧板兩縫隙之間的距離有關，一般間隙控制在20mm，長度50mm～80mm之間，此時產生的拘束力較大，從而減少端部區裂紋的產生。

此外正面碼板的去除時機也會對裂紋的產生造成影響，見表1。因為在超聲波的檢測過程中，發現打底層的裂紋缺陷間斷性出現，裂紋的長度分別在30mm～50mm不等。仔細研究其出現的部位，正是上部碼板的去除位置。當打底層焊道貫通后，為了提高焊接效率，而將上部碼板去除。經過現場肉眼檢測和磁粉檢測，發現去除碼板的位置打底焊道確實存在裂紋。這種裂紋的產生可能是由于應力的釋放不均勻造成的，也可能是去除碼板時的人為操作不當導致的，造成局部應力過大或受外力原因以及焊縫金屬的承受力較弱。因為上部碼板的存在，使得此部位焊縫金屬正是起弧和熄弧部位，所以多種因素致使該部位產生裂紋。為解決這一現象，對碼板的部位采用手工焊接，并使填充焊縫金屬達到10mm以上，并且經過磁粉檢測合格后才可去除，使得此部位的焊接質量得到了提高。

表1 上部碼板去除時機和無損檢測裂紋出現的幾率關系表

上述各項參數試驗是采取保守的焊接工藝進行的，電壓190A～200A，電流20V～24V，焊接速度控制在50cm/min～80cm/min的范圍內。

3.2 線能量、焊接速度與裂紋出現的機率試驗結果及分析

焊接線能量是指控制熔焊時由焊接能源輸入給單位長度焊道上的熱量，而影響線能量的主要因素是焊接電壓、焊接電流和焊接速度，最終的整體焊接質量可通過寬深比來表述。由于焊接擺寬基本是固定的，因此可簡化為線能量和打底層厚度的關系，綜合數據見表2和表3。

打底焊道產生熱裂紋的主要應變是橫向應力導致的，焊接時產生的應變量Δe，則瞬時產生的應變量為Δe/Δt，根據熱力學原理：

對厚工件而言，

式中，β為導熱系數，J/cm·s·℃；Tt為焊道中的峰值溫度，℃；T0為焊接時的預熱溫度，℃；q/v為線能量，kJ/cm。

表2 打底層焊道厚度值和相關檢測方法出現的裂紋幾率關系

從式（7）和式（8）中可以看出，適當增加線能量或增加預熱溫度可減少焊道金屬的變形量。但當線輸入過大時，尤其是電流過大或焊接速度過快時，會對打底焊道的抗裂性能產生大的影響。

在試驗中可以看出，在電流過大時，雖然線能量增大對減小焊縫金屬變形有利，但隨著電流的增加，一方面熔池的最大熔深隨之增大，而最大熔寬相對減小，導致寬深比小于1，使得裂紋傾向增大；另一方面能量的增加還會導致熔池長度增大，使得焊縫金屬變薄，抗裂能力減弱。而且，線能量的增加使得熔池的過熱度增大，熔池液態金屬以柱狀晶向焊縫中心成長，除了導致組織粗大外，最后凝固的液體位于焊縫的中心線上，這時易沿焊縫中心形成雜質的偏聚，易導致熱裂紋的產生。所以在焊接時，在控制線能量的情況下，應選擇合適的電流。通過試驗，在二氧化碳氣體保護焊時，采用的電流范圍應控制在190A～210A之間。

從上述試驗還可以看出，適當增大電弧電壓，會減小裂紋的傾向性。這是由于電壓的變化范圍較窄，試驗的范圍在 18V～34V之間，隨著電壓的增大，會改善焊縫的成形系數，即寬深比大于1，外觀也由凹形變成外凸形狀，有利于減小裂紋傾向；同時也使得填充的焊縫金屬厚度適當增加，增大了抗裂的能力。考慮到起弧的難易程度和現場試驗的結果，對電壓的范圍控制在24V～30V。

表3 八個班組采用原焊接工藝規范和優化焊接工藝規范無損檢測結果對照表

在焊接速度的試驗中，發現隨著焊接速度的增加，導致焊縫金屬的成形系數提高，使得裂紋的傾向性減小。但當大于某一數值時，如該試驗超過80cm/min，熔池會變得狹長，打底層焊縫的厚度明顯減小，并且焊縫外觀呈深杯狀，裂紋的出現機率增大。過慢時，當焊接速度小于45cm/min時，焊縫的成形也會變差，并且起弧困難，焊接時斷時停，導致起弧和息弧裂紋增加，嚴重影響焊接效率。所以焊接速度一般控制在50cm/min～80cm/min之間，不但改善了焊縫外觀，也使得裂紋缺陷大幅度減少。同時增加了預熱溫度，在冬季環境溫度低于0℃時，板厚小于38mm的預熱溫度達到38℃以上，減小了脆性溫度區間和焊接時的變形量，減少了裂紋的出現機率。

從表3數據中可以看出，打底層的厚度值關聯著焊接工藝參數的綜合選擇，導致裂紋出現的幾率也是不同的。在打底層厚度值低于3mm且不采取預熱時，焊道裂紋出現的機率較大，而且裂紋的深度也較大，通過現場打磨和磁粉檢測及測量，裂紋的深度在1mm～3mm，很難在后續焊接中用改變焊接工藝參數的方式消除，導致超聲波檢測結果也呈相對應關系。當打底層厚度值大于3mm且采取預熱時，焊道裂紋出現的幾率明顯減少，裂紋的深度一般小于0.5mm，后續焊接工藝參數的合理使用可以消除打底層表面淺層裂紋，超聲波檢測的結果也證明了這一點。

3.3 焊接時機、順序與裂紋出現的機率試驗結果及分析

之所以研究焊接時機這一因素，是因為由于晝夜的溫差導致的金屬的收縮對裂紋出現和擴展影響很大，而且要比前兩項導致的結果還要嚴重，見圖8和圖9。并且裂紋的埋藏深度在1mm～6mm，遠遠超出了打底層的厚度范圍，擴展到填充焊縫金屬。

之所以出現這種現象，通過查閱原始焊接記錄，得出這兩條焊縫是由于打底層的焊縫焊接完成后，由于時間較晚，沒有進行填充，第二天重新預熱后進行焊接的。

圖8 焊縫超聲波檢測部分顯示圖

圖9 剖傷后滲透檢測宏觀圖

通過分析，導致存在如此嚴重的大面積裂紋缺陷的原因有兩個。一方面是由于冬季晝夜間的溫差過大，導致母材金屬在限制性的條件下，變形伸縮量在5mm～10mm，而自由狀態下可達25mm，如此大的變形所產生的應力，使原來存在的裂紋缺陷發生擴展而導致的；另一方面由于打底層焊縫的厚度較薄，一般在3mm～4mm，使打底層焊縫金屬無法承受金屬母材收縮變形導致的拉應力過大，導致存在的裂紋缺陷繼續擴展或焊縫金屬開裂。

為了消除這一現象，1）打底焊和填充焊接采用退道焊和間隔焊多人作業同時段進行，在打底焊焊道焊接到3m左右時，開始進行填充焊接；2）填充焊接時應采用大電流、低電壓和適當較低的焊接速度，可以一定程度上消除打底焊層的裂紋；3）一次打底焊和填充焊接的焊道總厚度要達到1/2厚度以上；4）對于突發狀況，如突降大雨等造成不能同時進行焊接的，應采用磁粉檢測方法對所有的焊道進行檢測，并清除所存在的裂紋缺陷，按照規范進行預熱后再進行焊接；5）采用退道焊和間隔焊減小了連續焊出現的局部應力集中且均勻分布。通過以上措施，沒有再發生大面積的裂紋類缺陷的出現，其對比數據如表4所示。

在上述三個相關試驗研究的基礎上，重新升級了焊接工藝規范和預防措施，并對比了優化前和優化后焊接工藝八個班組的焊接質量，見表3。

表4 190A/28V/55cm/min焊接條件下焊接順序對裂紋影響程度數據對照表

4 結論

通過現場試驗和大量試驗數據的積累和分析，優化后的焊接工藝規范有針對性地解決了現場實際出現的質量問題，彌補了試驗室焊接工藝規范的泛泛性；而應用無損檢測技術獲取數據、及時反饋和評價焊接工藝參數及措施是行之有效的。從試驗和實際應用中可以得出如下結論：

1）施焊前必須按照工藝規范調整焊接工藝參數，并對焊接的第一米進行肉眼檢測和磁粉檢測及測量，在保證打底焊層不低于3mm的情況下，沒有打底層裂紋的才可繼續施焊，不包括起弧和收弧裂紋（如發生，標識后打磨并進行磁粉檢測）；

2）對焊接金屬和襯墊材料進行預熱，一般控制在38℃以上；

3）打底層嚴禁過夜，并采用退道焊和間隔焊焊接打底層焊道達到3m左右開始填充第一道焊接，并且打底層和填充的焊縫厚度值不低于10mm或板厚的1/2；

4）上部碼板只有在打底層和填充的焊道厚度值達到10mm以上時，才可去除，并且不可同時一個方向去除和施加與焊道垂直的外力，去除后的焊道部位要標識，并進行磁粉檢測。

［1］ 劉桑. 金屬型藥芯焊絲在船體大合攏口CO2單面焊中的應用［J］. 廣州： 廣東造船， 2005（4）： 45-49.

［2］ 李生田， 劉志遠. 焊接結構現代無損檢測技術［M］.北京： 機械工業出版社， 2000（10）： 12-13.

［3］ 王鴻斌. 船舶焊接工藝［M］. 北京： 人民交通出版社，2006.

［4］ 李家偉， 陳積懋. 無損檢測手冊［M］. 北京： 機械工業出版社， 2002.

［5］ 巴連文. 焊接過程質量控制與檢驗［M］. 北京： 中國標準出版社， 2006.

Study of Optimizing Welding Process Method by Applying Probability of Detection Crack

Chen Zhi-qiang1， Zhu Zhe-ren2
（1. College of Quality&Technical Supervision of Hebei University， Hebei Baoding 071005， China； 2. China LNG Shipping （International） Co.， Ltd.， Hongkong 999077， China）

Crack like indication is one of the most serious discontinuities during the welding progress. The NDT techniques are the important and practical way to test and evaluate that the WPS used is available or not at the fabricated site. The comprehensive assessment is done on the welding process with FCAW-CO2on the skewed T-type with CJP joint by applying probability of detection crack in the paper. Most of the cracks-like indications are eliminated when the optimized WPS and preventions are used. Finally the welding quality and the integrated security is assured and improved respectively.

probability of detection crack； semi-auto FCAW - CO2； skewed T-type with CJP joint

TG441.7，TG441.3

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.010

陳志強（1970—），男，講師，無損檢測高級工程師，研究方向：無損檢測評價和焊接工藝優化。