船體外板焊縫的開裂問題及維修方法

聶向陽

摘? 要：在船體維護過程中，外板焊縫開裂是常見問題之一，該問題的出現容易威脅船體外板的穩定性，對船體質量造成負面影響。基于此點，維護人員在船體的外板更換中應認真檢查和發現外板焊縫發生開裂問題的原因，并結合引發開裂現象的問題根源制定維修方法，減少此類現象的發生。

關鍵詞：船體外板;焊縫開裂;問題原因;維修方案

在船體維護工作匯總，外板的更換是一道關鍵步驟，外板的焊接涉及到船體的肋骨、縱骨和縱桁等多個部分。在新舊船體的外板焊接過程中，較容易出現焊縫開裂問題，這一問題對船體維修造成了嚴重的干擾，為了減少類似現象的發生，工作人員需要思考和探查出現開裂現象的原因所在，以此做好維修和防范工作。

一、案例介紹

某一船艇在維修過程中總共更換48塊外板，更換外板所使用的材料為經過3C認證的Q235鋼，鋼材厚度和屈服強度分別是8mm和235MPa，抗拉伸強度380MPa，焊接使用J422酸性焊條展開。在焊接完成之后，該船艇發生了大量的焊縫開裂問題，超過10處焊縫能肉眼觀察到裂紋。根據記錄的裂紋形成過程分析，開裂的焊縫是在外板焊接一面完成后，在對另一面進行開槽時發生。雖然在開裂問題發生后，維修人員及時對焊接材料進行了調整，確保開裂問題沒有繼續擴大，但是如果不知曉引發開裂的問題癥結，那么焊接質量就始終無法得到全面保證，焊縫的合格率也難以提高。為了增強維修效率，充分降低維修的周期成本，維修人員需從此次焊縫開裂現象了尋找原因，降低下次外板焊接時焊縫開裂的發生幾率。

二、引發焊接裂紋的原因

（一）裂紋類型

根據形成裂紋的機理區別，焊接裂紋有冷裂紋和熱裂紋之分[1]。冷裂紋是因為在焊接時，焊縫氫含量過高、鋼淬硬性傾向以及焊接結構拘束應力所致，焊接人員在焊接時，鋼淬硬性傾向和焊接結構拘束應力共同作用，加之焊縫的氫含量太大，外板就容易形成裂紋。對于冷裂紋的防控，以控制氫來源為主，維修人員在開始焊接前需要對焊條和焊縫預先加以烘焙和預熱，減少焊接造成焊縫開裂的幾率，在焊后，維修人員還要采取“緩冷”方式，防止裂紋在焊接后出現的可能性。

焊接熱裂紋是因為高溫作用，導致硫和磷等元素在焊縫中形成液態薄膜，而在焊接完成后的冷卻過程中，因為高低溫產生的熱脹冷縮而造成的拉伸應力作用，令焊縫開裂，因此出現了熱裂紋。熱裂紋的防控原理與冷裂紋一致，以控制硫和磷等元素來源為主，維修人員在焊接開始前首先對焊縫的表面進行清理，清除掉油污和油漆等污穢物，減少有害元素，在挑選焊接材料時，盡可能選擇硫和磷等有害元素含量較低的鋼材和焊條，以此控制焊接過程中熱裂紋的出現概率。

（二）原因分析

該船艇在焊接過程中選用的是8mm厚度的Q235鋼，屈服強度只有235MPa，冷裂紋問題主要出現在厚度>16 mm，屈服強度>500MPa的高強鋼中，Q235鋼作為普通碳素結構的低碳鋼，冷卻速度并不快，且無論是鋼板厚度還是屈服強度，都不符合冷裂紋的產生條件，因此該船體的裂紋為冷裂紋的可能性不高。

那么是否可以推測船體的裂紋為熱裂紋？通過對鋼板母材進行化學成分檢驗，獲得如表1所示數據。

從表1來看，該船體在外板更換中所選用的新鋼板硫含量較高，錳與硫的比值較小，對于焊接熱裂紋的抑制效果略顯不足，存在因為新鋼板引發熱裂紋的可能。但是需指出，船體維修的焊接條件不同于船體建造的焊接條件，維修船體時，焊接工作是在強拘束條件下展開，更換的外板因為尺寸不大，受船體板架結構分割和約束的情況比較明顯，外板四周又為封閉拘束的環境情況，這導致焊接外板時，外板難以做到自由伸縮，殘留的焊接應力較大，當外板固定不穩當而應力集中時，就會引起開裂問題。在該船艇的開裂現象中，裂紋是出現于外板焊接完成一面并在另一面進行開槽的時段，推測當維修人員在另一面開槽時，因為選用外板的厚度只有8mm，因此在開槽后所形成的焊縫截面積并不大，這就使得外板上出現局部強度薄弱問題，由于局部強度薄弱，焊接時就會出現應力過度集中的情況，于是便發生了開槽時大量焊縫發生開裂的問題。

因此，該船體的焊縫開裂存在兩種可能，其一是因為強拘束條件造成的焊接殘余應力過大，從而導致了焊接時的焊縫裂紋。其二是因為焊縫中的硫和磷等有害元素過多，加之高溫影響，在焊接時形成了低熔點共晶或液態薄膜，最終導致了焊縫開裂。

三、維修方法

（一）控制焊接電流

在實際的焊接中，電流與焊接質量之間關系緊密，若不能加強對電流的高效把控，勢必影響焊接的質量與效率。當電流增大時，則焊接電弧及熱輸入隨之增加，工件熱源下移時熔深同步增加，由此證實電流與熔深間呈正比[2]。電流的增加與焊絲融化量間呈正比，即在熔寬固定的條件下，電流越大則融化量越高，由此焊點余高增加。電弧弧柱直徑在電流增大后也將隨之增大，而其潛入工件的深度也將產生顯著變化，但由于該過程受電弧斑點活動范圍限制，因此熔寬將無變化。由此可見，電流的大小主要與溶深影響密切，如電流過小時，將導致電弧欠穩定及溶深減小，導致工件焊接夾渣或無法焊透等一系列問題。而當電流過大時，工件的熱輸入增加，將易使硫和磷等有害元素發生反應，引發焊縫開裂，嚴重影響效率，因此焊接電流必須選得適當。

（二）電弧電壓控制

電弧電壓通常以電弧的長短所表示，電弧越長則表示電壓越高，反之亦然[3]。在實際的焊接操作中，一般需要合理控制電弧電壓，以保持與焊縫熔寬的適應性，以免因電弧過長而致燃燒不穩定，甚至產生空氣侵入而產生氣孔，影響焊縫的焊接質量。而電弧電壓過大也將增加功率，導致工件熱輸入增大，從而同樣使工件的變形量增加。

（三）焊接速度控制

焊接速度是焊接效率的重要影響因素，也決定著外板的穩定性，因此為使焊接速度達到最佳水平，在保證質量的前提下，就必須采用較大的焊接電壓和焊接電流。同理，當電壓電流一定時，為保證焊接質量，達到滿足的線能量，那么焊接速度也就受到了控制。

（四）氣體保護

合適的氣體流量是保證焊接質量的前提，正確的氣體保護流量可以將焊絲熔敷率提升到更高水平，并使焊接過程中減少飛濺及清渣問題，從而避免焊接過程中的污穢積蓄，并在高溫作用下發生反應，引起開裂。維修人員當通過氣體保護大幅提升焊接的質量的效率，降低煙塵等附加問題，太大或太小的流量都不利于焊接，因此要適當調整。

（五）分段焊接

考慮除熱裂紋外，船體的強拘束條件也存在引發焊縫開裂的可能，因此在焊接時應采取分段焊接。維修人員需先從船體內部入手，焊接內部焊縫，完成內部焊接后再對船體外部的焊縫用分段進行開槽，在開槽完成后填充焊，用這種方式降低開槽對焊縫有效承載面積的影響，避免發生應力集中的現象。在完成上述工序之后，維修人員可以選擇蓋面焊的方式進行焊接，選用此方法的目的是為了降低焊接過程對焊接工裝夾具的要求，在選用焊條時，維修人員也應當選用抑制作用更良好的堿性焊條，降低熱裂紋的發生可能。

四、結語

焊縫開裂問題將會對船體的維護工作帶來巨大的阻礙，維修人員在發現裂紋時，要結合選用的材料以及焊接環境，分析導致焊縫開裂的原因，并通過適當控制焊接中的電流、電壓、焊接速度，并采用將焊接分段進行等方式，降低焊縫開裂繼續發生的可能，保證焊接質量以及維護工作的順利進行。

參考文獻：

[1]倪勝全.船體建造中焊接檢驗與質量控制研究[J].設備管理與維修，2020，480（18）：157-159.

[2]付攀，尚凡葵，牟金磊，等.船體厚板焊接過程的多道填充建模仿真方法研究[J].船舶，2020（3）：43-48.

[3]宋江斌，萬多豪，王立軍.船舶焊接方式及其焊接缺陷的控制研究[J].科技創新導報，2020，017（006）：65-66.