海洋工程鋼結構焊接質量缺陷及其解決措施

高志賓，王磊，卞琦，弭永飛，孫鳳菊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

0 引言

對于海洋工程鋼結構全生命周期來說，其最核心的兩個階段是設計與建造。而在建造階段中最核心的環節是結構焊接，是指將獨立的金屬材料有機連接統一為多種功能結構體的技術。因此，焊接質量是決定鋼結構使用壽命的關鍵參數。一般來說，鋼結構焊接質量是由焊工技能水平和熟練程度所決定的，但母材和焊材的各項參數以及外部環境也都會影響焊接質量，導致出現各類焊接缺陷，如：裂紋、氣孔等[1]。這些焊接缺陷對鋼結構的危害性主要體現在焊道與母材結合不完美，致使結合處出現錯位、間隙等情況，造成缺陷處應力集中，影響鋼結構連接強度，致使其極易因外力、自重等作用后出現結構失效的嚴重安全事故[2-4]。

1 典型焊接質量缺陷類型及產生原因

在焊接過程中，由于各類操作或管理不規范，導致的焊接質量缺陷多種多樣。對于海洋工程裝備制造業來說，產品工作環境惡劣，對焊接質量要求較高。根據焊接缺陷的嚴重性排序，以下為在鋼結構制造過程中常見的幾類焊接質量缺陷。

1.1 裂紋

裂紋是指焊接區域的金屬原子結合力遭到破壞，在微觀視界形成新界面，在宏觀視界中表現為裂縫的現象[5]。對于裂紋來說，其具有長寬比大和可生長的特征，按形態可分為縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、焊趾裂紋、焊根裂紋等，是鋼結構制造行業中最嚴重的焊接質量缺陷，嚴重影響產品的使用壽命。

產生原因：母材淬硬傾向越大，越易產生冷裂紋；接頭氫含量越高，裂紋的敏感性越強，越易產生氫裂紋，且有裂紋延遲出現的特征；預熱緩冷不均勻，熱應力釋放不均勻導致母材內部應力集中，易產生裂紋；熱輸入過大時，會引起近縫區的晶粒粗大，降低材料的抗裂性能，熱輸入過小時，則易使熱影響區淬硬，不利于氫的逸出；母材過厚，易沿厚度方向產生Z 向應力；母材硫、磷含量較高時，易在焊接后形成低熔點共晶體，該組織在應力作用下極易形成結晶裂紋；母材組對工藝不當，可導致鋼結構連接受力不均，出現應力集中現象；焊接區域存在水、油、銹等污物，這些污物高溫環境下發生化學反應，易在焊接區域產生大量擴散氫，很容易造成在焊接區域產生氫裂紋，對鋼結構穩定性造成致命威脅。

1.2 未熔合

未熔合是指焊道與母材或焊道與焊道之間未完全熔化結合的現象[6]。對于未熔合來說，其周邊區域的空隙存在著嚴重的應力集中現象，使得鋼結構承載后易產生裂紋。因此，對于鋼結構來說，未熔合是一種危害性較大的焊接缺陷。

產生原因：電弧偏吹導致熱能損失，使得部分母材或上一道焊縫金屬未能完全熔化；焊件表面有油、銹等污物，因污物材料熔點不同，致使其在熔池內與冷卻后的母材金屬存在未熔合界面；焊接電流過大，焊條熔化速度和母材或前道焊縫熔化速度不匹配，出現“假焊”情況；橫焊操作時，因焊道的位置角度特殊，受重力影響，上坡口熔池金屬下墜致使下側坡口熔化不完全，造成未熔合現象。

1.3 未焊透

未焊透主要是指焊接接頭根部未能完全熔透的現象，在未焊透處會存在機械缺口或空隙，導致此處應力集中現象顯著。因此，鋼結構極易在承載后引發裂紋的產生，致使鋼結構失穩，從而極易造成現場嚴重安全質量事故。

產生原因：坡口角度過小，鈍邊過大，組對間隙過小或錯邊，焊條直徑過大，都會導致熔敷金屬未送達預定位置，致使未焊透；焊接電流過小，或者焊接速度過快，導致母材單位長度內能量輸入不足，底端金屬未能熔化；對于單面焊雙面成型的焊接方式，易因電弧燃燒時間短導致熔孔未形成，造成未焊透的焊接缺陷。

1.4 咬邊

咬邊是指在焊縫與母材的交界處存在焊趾母材部位金屬被電弧燒熔形成凹槽的現象，就像熔池金屬咬掉了母材金屬一部分，故稱為咬邊。咬邊會減少焊道有效截面積，降低接頭強度，且咬邊處存在應力集中導致出現裂紋的風險。

產生原因：焊接電流過大，電弧過長，焊縫部位高低不平，電弧在焊縫兩側停留時間過短，都會導致熔池中心熱輸入高，焊縫兩側金屬填充不足，出現咬邊。

1.5 夾渣

夾渣是指焊接后殘留在焊道內部非金屬的夾雜物，其會降低焊縫有效截面積，降低鋼結構機械性能。其中，相比于平焊，立焊和仰焊更易產生夾渣。

產生原因：施焊前未及時清除上一層焊道的熔渣，焊條藥皮受潮脫落進入熔池未及時浮出；焊條角度和運條方法不當，焊縫寬度不均勻，熔池寬深比過小，焊接電流過小，坡口設計及加工不當，導致熔池金屬流動性差，熔渣殘留在熔池中；在母材和焊條形成的熔池中，氧、氮、硫等化學元素的含量過高，在高溫下產生氧化還原反應，其氧化物、硫化物等化學產物在熔池金屬凝固前未及時浮出。

1.6 焊瘤

焊瘤是指熔池金屬流到焊縫之外形成金屬瘤的現象，焊瘤的下方常存在未焊透這種焊接質量缺陷。而且，焊瘤附近易形成表面夾渣，造成應力集中現象。另外，在管道內部的焊瘤，會影響管內有效截面積，嚴重時造成管道堵塞。

產生原因：鈍邊過小，間隙過大，焊接電流過大，焊接速度過慢，焊條角度不合適，導致熔池金屬溫度過高，冷卻速率較慢，后因金屬自重下墜產生焊瘤。

1.7 氣孔

氣孔是指在焊接過程中，因熔池內氣泡未能及時逸出，導致其在焊道區域形成空穴，稱為氣孔。氣孔會減少焊縫有效截面積，降低焊縫的機械性能。對于管道上的部分氣孔，尤其是針孔，甚至會引發內部液體泄漏等嚴重問題。

產生原因：焊條、焊劑受潮或未烘干，焊件表面存在油、水、銹等污物，導致其在高溫作用下生成大量一氧化碳等氣體；焊條碳含量過高，其在高溫下與氧反應，生成一氧化碳、二氧化碳等氣體；焊接電流過低或焊接速度過快，導致熔池金屬凝固過快，不利于氣體的逸出；焊接電流過高，藥皮過早熔化脫落，失去保護作用，致使氣體進入熔池；電弧長度過長或偏吹，以及運條手法不穩，易導致熔池周圍氣體保護層被破壞，空氣中的氮氣很容易就進入熔池產生密集氣孔。

1.8 凹陷

凹陷是指焊道中心區域的金屬低于焊道邊緣和母材表面的現象，減少了焊道的有效截面積，易造成焊接區域受力不均，大大削弱了焊接接頭強度。

產生原因：組對間隙過大，鈍邊過小，以及熔池體積過大，都會導致熔池金屬因自身重力產生下墜；焊條直徑過大，焊接電流過大，導致熔池金屬中心溫度高，焊道冷卻速率不均勻，易產生中心凹陷；運條角度不當，導致焊接過程中焊條未能送到坡口根部，后因熔池金屬下墜補充，因此在焊道中心區域出現凹陷。

1.9 焊縫外形尺寸不符

該缺陷主要表現為焊縫表面高低不平，焊縫成形不美觀，影響了焊材與母材的結合程度，導致結構應力分布不均，降低接頭強度。

產生原因：坡口角度加工不當，組對間隙不均勻，導致熔池金屬分布不均；在焊接過程中，焊接電流過大或過小，焊工的運條速度過快或過慢，或者焊條角度不合適，焊工工藝不正確等情況，都會導致熔池金屬流動和凝固成型效果差。

2 焊接質量缺陷原因歸類分析及應對措施

焊接質量缺陷多種多樣，且都為各因素變化導致的焊接結果，只有從源頭解決焊接缺陷出現的原因，才能從根本上解決焊接質量缺陷問題[7]。因此，根據上述各焊接缺陷原因的特征，對其問題屬性進行分析，可將其分為如下幾大類型。

2.1 焊接參數設置不合理

其主要是指焊接單位熱輸入不合理，反映在焊接電壓、焊接電流設置不合理，致使熔池內各材料狀態變化不協調，幾乎所有類型的焊接質量缺陷都與此原因有關。因此，鋼結構加工制造企業需高度重視焊接參數設置。對于企業管理者來說，要嚴格開展焊接試驗評定，制定合理的焊接工藝；對于焊接工人來說，要嚴格執行既定的焊接工藝，并根據現場實際情況，在焊接工藝參數允許范圍內合理設置并適度調整電壓、電流等焊接參數，保證焊接質量。

2.2 焊工焊接熟練度較低

其主要是指焊工技能水平過低或操作不熟練，導致電弧過長或過短、運條速度不當、焊條夾持角度不對、引弧方法不正確等情況。對于該原因，企業需從兩方面解決：一是要合理安排工作量，避免出現焊工因單位時間內待完成工作量過大，導致其為按時完成任務，或為了得到更多加工量，被迫或主動提高運條速度等現象；二是要提高焊工施焊意識，持續加強焊接技能鍛煉，養成并保持良好的施焊習慣，對技能水平過低的焊工，要及時清退出廠。

2.3 上游工序操作不當

其主要是指焊接前后準備措施不完善的行為，包括材料結構連接方式設計不合理、待焊母材坡口加工角度和坡口邊緣直線度偏差過大、材料組對或點焊固定時的焊接間隙和鈍邊參數不合理、預熱緩冷措施不到位，其都可導致裂紋、未焊透、夾渣等焊接質量缺陷。因此，企業不僅需要控制好焊接過程中焊件的預熱及緩冷速率，防止因鋼結構內外加熱或散熱不均等問題，導致鋼結構應力釋放不完全等情況，且要做好結構設計以及組對工作核查等工作。

2.4 外部環境因素影響

其主要是指惡劣天氣和焊件表面清理不干凈也會導致焊接缺陷的發生，包括風速過大導致鋼結構母材內外溫差過大出現應力集中或氣體進入焊接熔池出現氣孔，焊件表面存在雨雪霜凍等導致焊接區域擴散氫過多形成氫氣孔，焊件表面存在水、油、銹等導致高溫化學反應出現氣孔、夾渣等缺陷。因此，企業需要持續加強現場施工管理，在惡劣天氣下做好防風、防水等系列措施。同時，在焊接作業前，焊工要及時清除焊道或母材待焊接區域表面的水、油、銹等，以及上一道焊縫殘存的藥皮、藥渣等污物，確保焊接區域清潔干燥。

2.5 材料管理不嚴格

其主要是指因母材、焊條質量較差的情況。其中，母材碳、硫、磷等含量過高導致的材料脆性過大易出現裂紋，焊條受潮或未烘干，藥皮出現開裂現象，導致在焊接過程中出現夾渣等問題。因此，企業需做好供應鏈管理工作，向正規廠家采購化學元素含量在合理范圍內且加工成型較好的鋼材。另外，鋼結構加工制造企業要盡可能選擇采購使用低氫焊材，并在使用過程中，做好焊條烘干、受損焊條及時更換以及焊條在使用時的保溫處理等管理工作。

上述五項原因主要和焊接工藝的設計與執行管理、焊接人員的管理、焊接保護措施、焊接材料的管理等有關，都屬于焊接過程管理問題。因此，為了提高海洋工程鋼結構的焊接質量，減少焊接質量缺陷，企業必須從焊接過程管理的角度出發，以人、機、料、法、環為切入點，注重解析焊接質量問題出現的根本原因。只有找到了問題的源頭，才能從最大程度徹底解決焊接質量缺陷的問題。

3 結語

對于海洋工程鋼結構加工行業來說，焊接質量是企業最關心的參數。而對于不同企業來說，焊接人員技能水平參差不齊，所在區域的焊接環境差異較大，焊接管理制度和執行情況不一，采辦原料質量難以保障，這些都可能導致焊接質量出現問題。這些導致焊接質量缺陷的原因多種多樣，涉及各環節，難以下手解決。但通過對各原因的特征屬性分析可知，這些原因都可歸根于焊接過程質量管理。

因此，海洋工程鋼結構加工企業需從原料質量、焊接管理、人員水平、過程保護等方面加強焊接過程管理，提升鋼結構焊接質量，為企業安全生產保駕護航。