船舶焊接方式及其焊接缺陷的控制研究

宋江斌 萬多豪 王立軍

摘 ? 要：船舶焊接在船舶建造領域起著至關重要的作用。焊接費用視不同情況而定，一般占到全船建造的35%～45%，非但如此，焊接質量的好壞，將直接影響到船舶的各個方面。對于不同結構、不同材料的船用鋼材，采用合適的焊接方式十分重要。本文通過查閱大量文獻，結合實踐，詳盡描繪了各類焊接方式及其相應缺陷的控制方法，希望幫助焊接工作者開展焊接作業，提高焊接質量。

關鍵詞：焊接質量 ?船舶焊接 ?船用鋼材 ?焊接缺陷

中圖分類號：U671.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0065-02

20世紀90年代中后期，隨著先進制造技術向數字化、集成化、智能化、網絡化方向發展，船舶焊接制造工藝也向以工藝知識為核心、基于知識的工藝設計與管理的方向發展[1]。焊接工藝作為船舶制造業的技術基礎及支撐，但在經濟、地區等各類因素的影響下，現代化的建造模式并未普及。更有甚者，對于焊接規范熟視無睹，往往以利益權衡是非，采用錯誤的焊接方式。這嚴重影響到船舶航行的安全性，大大降低了船體強度。一旦遇上觸礁、碰撞等事故，后果不堪設想。為此，采用正確的焊接方式及補償手段尤為重要。

1 ?常用的焊接方式

船舶焊接方法多種多樣，常見的有埋弧自動焊、CO2氣體保護焊、鎢極氬弧焊、電渣焊等。

埋弧自動焊，是指在以機械自動化的形式下進行焊絲送給、電弧引燃、電弧移動，最終達到熔合母材的工藝手段。這類焊接方式的最大特征是在進行焊接時電弧被顆粒狀的焊劑所覆蓋，因而又被稱為焊劑層下自動電弧焊。

CO2氣體保護焊，是指焊接接觸點處在CO2氣體流的保護下，并以焊絲與母材為電極，最終使兩者熔合的一種焊接方法。

鎢極氬弧焊，是指在氬氣流的保護下，通過鎢棒與母材間產生的高能電弧來熔化給進焊絲和母材，以達到熔合目的的一類焊接方法。

電渣焊，是指運用電阻熱的工作原理，利用熔渣釋放出的高溫促使進給焊絲與焊件熔化最終熔合形成所需焊縫的焊接手段。

2 ?常用焊接方式的缺陷及其控制

2.1 埋弧自動焊的缺陷及其控制

埋弧自動焊工藝中，最為常見的缺陷有：裂紋、未焊透、夾渣、未熔合、氣孔、咬邊等，其中危害最大的是裂紋。

引發裂紋問題的原因很多，針對不同的原因，有不同的應對措施：首先，要確保選配焊絲的準確性。對于不同的焊接材料，應選擇不同的焊絲。低碳鋼可選用低錳焊絲，低合金鋼應當選擇中錳焊絲或高猛焊絲，強度級別較高的低合金鋼則要選用Mn-Mo焊絲。其次，要保證焊絲的品質，選擇使用合格焊絲是防止裂紋缺陷的必要舉措。再者，在實行焊接前應當預熱焊接部位，同時焊接過后還應緩慢冷卻。

彼此交錯的加熱線也會相互影響。在焊接過程中，金屬的熔化和重新結晶使金屬組織發生變化，又因熱分布不均，使焊接產生了應力和變形，所以，焊接過程中若不注意焊接順序，則會產生焊縫的斷裂和焊件變形的嚴重后果[2]。焊接時要嚴格按照焊接規范，不可盲目進行焊接操作。

對于埋弧自動焊中的氣孔問題，可以側重考慮焊接用具的整潔情況。焊縫中存在大量氣孔，往往是焊劑不干凈，焊接坡口有銹、油污或氧化物引起的。因此在燒焊之前應多多留意，需將各類焊具清洗干凈，同時要保證焊劑的干燥。準備完善后，便可將氣孔頻出的問題解決掉。

而夾渣、咬邊、未熔合、未焊透這幾類問題，關鍵在于操作的精細程度。只要合理調整焊絲，留意焊絲的位置，角度以及焊道的整潔程度就可以將焊接缺陷降低到最少。

2.2 CO2氣體保護焊的缺陷及其控制

采用CO2氣體保護焊，極易出現合金元素的燒損、顆粒飛濺、氣孔殘留、焊縫金屬含氧量過高等問題。

處于高溫電弧氛圍下的CO2極具氧化性，它的這一特性正是引起氣孔殘留、顆粒飛濺、合金元素燒損的主要原因。而焊接過程中的中間副產物FeO，則是導致焊縫金屬含氧量過高、氣孔殘留、顆粒飛濺問題的直接因素。

因此，可以通過選用加有各類脫氧劑的焊絲來進行聯合脫氧。有了脫氧劑的參與，既可以減少合金元素被氧化燒損的數量，又能夠還原部分中間產物FeO，減輕了焊縫金屬含氧量過高而引起的機械性能下降的問題。

氣孔殘留與顆粒飛濺問題，在本質上是十分復雜的，產生的氣孔一般有三類：CO氣孔、氫氣孔和氮氣孔。

CO氣孔頻出的問題，可以通過選用合適的脫氧劑焊絲來解決。而焊絲、母材表面不干凈，存在水分和油污常常會引發氫氣孔問題，只要清理掉雜質，并對焊絲及CO2氣體進行干燥，就可以大大降低氫氣孔出現的概率。對于氮氣孔，只要保證CO2氣流的穩定性，以及所用CO2氣體的純度，確保燒焊過程中沒有大量氮氣混入即可。

至于顆粒飛濺問題，其本質誘發因素復雜。可以通過在焊絲中添加脫氧劑，穩弧劑來緩解，對于電極的選擇，電流強度的控制也應細細斟酌。

2.3 鎢極氬弧焊的缺陷及其控制

鎢極氬弧焊中常見的問題有裂紋、氣孔殘留、焊縫表面氧化及鎢極污染焊縫等。

氣孔殘留往往是由于外界氣體混入焊接工具不潔引起的。預防產生氣孔的辦法有：選擇合適的焊接電流和焊接速度、認真清理坡口邊緣水份、油污和銹跡等[3]。裂紋問題，保證好焊前預熱，放慢焊后的冷卻速度，便可以規避。焊縫表面氧化常常是氬氣流使用不當造成，燒焊前做到提前釋放氬氣流，燒焊后延時切斷氬氣流，燒焊時確保氬氣流的穩定性，就能解決焊縫表面氧化問題。針對鎢極污染焊縫的問題，只要依據所使用的電流大小來選擇鎢極直徑，采用正確的引弧方式，穩定電弧長度，就能防范鎢極污染焊縫這一弊病。

2.4 電渣焊的缺陷及其控制

電渣焊相比以上三種焊接手段，它所存在的焊縫缺陷要少很多。它的主要問題在于焊縫的熱影響區晶粒粗大，這意味著對應部位的沖擊韌性低。所以，在燒焊結束后，經過正火、回火等措施后，就能緩解晶粒粗大的情況，以改善沖擊韌性低的問題。

3 ?常用船舶焊接方式的適用情況

3.1 埋弧自動焊的適用情況

船舶結構錯綜復雜，對于焊接方法的選擇十分重要。

由于埋弧自動焊的特性以及所用焊劑的局限性。埋弧自動焊很難應用于彎曲不平的船用鋼材上。受到焊接設配的約束，埋弧自動焊很難應用到立焊和仰焊中，僅局限于俯焊。埋弧自動焊有焊劑使用要求，因而不適合用來焊接鋁、鈦等強氧化性的金屬。對于薄板，因所需的電流過小，埋弧自動焊的穩性就相對較差，所以不能用它來進行薄板的焊接。埋弧自動焊的自動化程度很高，但對焊接母材的預處理要求卻很苛刻，考慮到交船時間的緊迫性，可以選用另外合適的焊接手段。

簡而言之，埋弧自動焊在時間充裕，焊接平直厚板的情況下最為適用。

3.2 CO2氣體保護焊的適用情況

CO2氣體保護焊根據焊絲的不同，可分為實芯焊絲CO2氣體保護焊和藥芯焊絲CO2氣體保護焊。

對于實芯焊絲CO2氣體保護焊，它的適用范圍很廣泛，鋼材厚度對它的影響不大，同時它適用各類金屬材料的焊接，操作簡便，效率又高。但是，為確保焊接點處在良好的CO2氛圍下，開展焊接工作前必須要做好防風措施，這是CO2氣體保護焊的繁瑣之處。實芯焊絲CO2氣體保護焊不能使用交流電源進行焊接，更不能進行易氧化有色金屬的焊接，并且實芯焊絲CO2氣體保護焊引起的顆粒飛濺明顯，弧光強烈。

藥芯焊絲很好的彌補了前者的不足，飛濺小，電壓電流選擇范圍廣，最大的不足是藥芯焊絲制造困難，工藝復雜，容易變質。

在一些重要工作中，CO2氣體保護焊起著至關重要的作用。CO2氣電垂直自動焊工藝在船臺大合攏時，焊接垂直對接縫中廣泛被采用，可以使長達 15～30cm 的對接縫穩定牢靠地被焊接在一起，使得焊接效能得以提高，遠遠超過了舊有技術下的效能[4]。總而言之，在無特殊要求下，追求高效，高質量的焊接工藝時，可以優先考慮CO2氣體保護焊。

3.3 鎢極氬弧焊的適用情況

鎢極氬弧焊具有焊接后殘余焊接應力及變形小的特點，這一特點，使得鎢極氬弧焊非常適合薄板及輕薄構件的焊接。鎢極氬弧焊的使用范圍廣泛，焊接母材為有色金屬、不銹鋼、活潑性較強的合金時就可以選用鎢極氬弧焊。

鎢極氬弧焊由于所使用的電流較小，使得其工作效率低下，倘盲目增大焊接電流，則易引起鎢極破碎，使得焊縫存在夾渣。并且氬氣昂貴，生產成本較高。鎢極氬弧焊適用于有特殊要求的焊接部位，考慮到成本與效率，可在小范圍內使用。

3.4 電渣焊的適用范圍

電渣焊時常用于大厚度的母材之間的焊接。當焊接工作時遇上大厚度焊件或焊接焊縫截面變化大的情況時，可以選用電渣焊。電渣焊的選用可以提高焊接經濟效益，同時電渣焊的焊縫缺陷較少，焊縫問題也易于控制。但是電渣焊對于焊接位置的要求較大，要求焊縫處于垂直位置。并且電渣焊容易引起焊接處晶粒粗大的問題。

4 ?結語

由于船舶焊接在船舶建造工藝中的重要地位，所以了解并掌握各類焊接方式十分重要。而規范使用焊接方式是保證焊接質量的根本保證。焊接質量如果達不到要求，船體的結構強度將大打折扣，遇上突發事件，將引發重大問題，后果不堪設想。因此，規范焊接工作，是船舶焊接的首要任務。

參考文獻

[1] 鄧欣，吳松林. 船舶焊接工藝評定專家系統的研究與開發[J]. 材料開發與應用，2012，27（2）：80-83.

[2] 李鳴. 小型船舶焊接工藝[J]. 江蘇船舶，1999，16（2）：39.

[3] 馬鑑，劉永壽. 船舶焊接工藝的探討[J]. 中小企業管理與科技（下旬刊），2010（10）：308.

[4] 文大勇. 試析船舶焊接工藝的應用與發展[J]. 中國水運，2012，12（7）：89-90.