姚上衛(wèi)，孫磊，范會卿

1.中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

2.國家新材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺（先進海工與高技術(shù)船舶材料）河南洛陽 471023

1 序言

現(xiàn)代船舶或海工平臺主體結(jié)構(gòu)之間的連接主要通過焊接完成。在長達數(shù)十年的服役期內(nèi)，結(jié)構(gòu)和焊縫需要承受復(fù)雜的動態(tài)、靜態(tài)載荷，以及惡劣工況（如巨浪、臺風(fēng)等）的考驗。如果焊接質(zhì)量管理不規(guī)范，焊縫不能滿足要求，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，則會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡的災(zāi)難性后果。因此，船舶及海工平臺建造中均將焊接質(zhì)量管理作為工程質(zhì)量控制的重中之重[1]。根據(jù)相關(guān)科研成果和經(jīng)驗積累，國內(nèi)外建立了系列規(guī)范、標(biāo)準，對船舶及海工平臺結(jié)構(gòu)制作和安裝焊接過程中的設(shè)計、材料、評定、制造及檢測等提出明確要求，并不斷修訂。在規(guī)范、標(biāo)準等要求基礎(chǔ)上，參與建造的各方如業(yè)主、制造商等，結(jié)合自身情況建立相應(yīng)的質(zhì)量管理體系和施工工藝，并從焊接質(zhì)量追溯管理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、人員、焊接材料、焊接環(huán)境及檢測等焊接質(zhì)量控制與管理的各個環(huán)節(jié)開展了大量的研究[2-7]，以確保船舶與海工平臺建造順利進行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和服役安全。為滿足結(jié)構(gòu)減重、負載增加、節(jié)能減排等需求，高強度鋼的應(yīng)用范圍和比例日益增加[8，9]。為保證高強度及韌性，相對于一般強度鋼，高強度鋼多添加合金元素并采用細化晶粒的制造工藝，冷裂紋敏感性增大，熱輸入敏感，工藝窗口較窄。為防止高強度鋼接頭產(chǎn)生冷裂紋，焊接時多采取預(yù)熱、道間溫度控制等措施，并將熱輸入控制在能夠獲得所需強韌性的適宜范圍[10，11]。此外，工藝文件、設(shè)計、人員、設(shè)備、材料及檢測等因素，均對焊接質(zhì)量管理起到不可或缺的作用。

之前的研究多關(guān)注于焊接質(zhì)量問題及其危害性，較少有關(guān)于現(xiàn)場問題的統(tǒng)計與分析，對焊接質(zhì)量控制與管理針對性不足。本文對具有代表性的兩艘大型船舶及兩座海工平臺建造現(xiàn)場各種焊接問題的具體表現(xiàn)形式、頻次進行統(tǒng)計和分類，重點闡明未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求、焊接材料烘焙不規(guī)范、焊縫清理不到位和工藝參數(shù)超范圍等高頻次問題的表現(xiàn)形式、危害及其產(chǎn)生原因，并提出針對性建議。相關(guān)結(jié)論有助于提升船舶和海工平臺焊接質(zhì)量管理水平，預(yù)防或減少問題發(fā)生，保障結(jié)構(gòu)安全。

2 統(tǒng)計對象與問題分類

2.1 結(jié)構(gòu)用鋼及工藝要求

統(tǒng)計對象包括兩艘船舶、一座深水半潛式平臺、一座深水導(dǎo)管架，結(jié)構(gòu)用鋼見表1。船舶船體采用屈服強度不低于390MPa、550MPa的高強度EH40鋼和EH550鋼；半潛式平臺及導(dǎo)管架采用屈服強度不低于355MPa、420MPa的EH36鋼和EH420鋼，同時采用與鋼板匹配的低氫型焊接材料進行焊接。

表1 結(jié)構(gòu)用鋼

焊接工藝規(guī)程（WPS）規(guī)定的預(yù)熱、道間溫度等要求見表2。由于鋼板等級、強度、厚度不同，因此相關(guān)要求差異明顯。這些要求源于AWS D1.1：2015《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、試驗或工藝評定[2，7]。在實際焊接過程中，只有嚴格遵守工藝要求，才能保證焊縫既不產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷，也能獲得所需的強韌性等使用性能。

表2 預(yù)熱、道間溫度、后熱或緩冷要求

由表1可知，單個結(jié)構(gòu)用鋼量達3萬t以上，合計用鋼量約15萬t，焊接工作量巨大。鋼板厚度跨度達3～100mm，當(dāng)鋼板厚度薄時，焊接變形控制難度大；當(dāng)鋼板厚度大時，結(jié)構(gòu)拘束大，氫在焊縫中聚集，容易引起焊接裂紋。4個結(jié)構(gòu)統(tǒng)計時間長達9年，建造場地分布于3個海域的兩個船廠和兩個海工基地。結(jié)構(gòu)鋼材既包括了具有較長應(yīng)用歷史和大量使用的EH36鋼，也包括了應(yīng)用日益增加的EH40、EH420及EH550高強度鋼。由此可知，本文所收集的焊接質(zhì)量問題具有代表性。

2.2 焊接質(zhì)量問題分類

焊接是決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響因素眾多，參考相關(guān)文獻[6-8]將現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題分為工藝文件、焊接設(shè)計、人員資質(zhì)、設(shè)備、環(huán)境條件、材料、焊接工藝及焊接檢測8大類，再按問題及其具體表現(xiàn)形式將大類進一步細分。為避免重復(fù)，對于交叉的內(nèi)容，如焊接材料，其管理可歸入工藝文件，按物料又可歸入材料，因此從統(tǒng)計上只歸入一類。

3 問題統(tǒng)計

對現(xiàn)場質(zhì)量問題，按次記錄，重復(fù)發(fā)生的質(zhì)量問題，累計計算，共發(fā)現(xiàn)385次，存在問題及具體表現(xiàn)形式，以及8大類問題所占比例見表3。

由表3可知，8大類問題中占前兩位的是焊接工藝（49.5%）和材料（30.4%），合計約80%，另外焊接檢測占8.3%，其他類型均在5%以下。在具體存在的問題中居于前4位的分別是未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求（31.2%），焊接材料烘焙不規(guī)范（12.5%），焊縫清理不到位（11.4%），工藝參數(shù)超范圍（5.4%），合計次數(shù)占60.5%，其他具體問題如焊接材料管理、焊絲清理、環(huán)境條件等均低于5%。根據(jù)表3可知，雖然問題表現(xiàn)形式多樣，但主要集中在焊接工藝和材料兩類中的4種具體問題，因此分析主要問題的危害及其產(chǎn)生原因，并采取針對性措施，有利于大部分問題的解決。

4 典型焊接質(zhì)量問題分析及建議

結(jié)合現(xiàn)場實踐對前4位問題的表現(xiàn)形式、危害性、產(chǎn)生原因進行分析，并提出建議。

4.1 未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求

未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合WPS要求是頻次最高的問題，影響焊縫完整性，是導(dǎo)致冷裂紋的重要因素，并影響接頭強韌性，主要表現(xiàn)形式包括以下幾個方面。

1）不要求預(yù)熱的焊縫，焊前未烘焙坡口及其兩側(cè)的吸附水。

2）要求預(yù)熱的接頭，不進行預(yù)熱。

3）預(yù)熱溫度低于要求；或預(yù)熱范圍不滿足要求（如AWS D1.1：2015要求，預(yù)熱在所有方向上不小于焊件的最大厚度且≥75mm）；或者預(yù)熱后未及時焊接，溫度下降到低于要求。

4）道間溫度超出范圍，主要是道間溫度偏低，個別短小焊縫或立焊焊縫道間溫度超出上限。

實踐中，存在的誤區(qū)是認為只要環(huán)境溫度高于最低預(yù)熱溫度，可不采取措施直接進行焊接。實際上，坡口及其兩側(cè)鋼板的氧化膜、防銹漆及鋼板凹坑內(nèi)有大量吸附水，如果焊前不預(yù)熱或預(yù)熱時間、范圍不充分，則焊接時電弧的加熱作用會使吸附水逸出進入焊縫，從而造成氣孔，嚴重時會增加焊縫金屬擴散氫含量，導(dǎo)致焊縫開裂。焊前未預(yù)熱的危害如圖1所示。

圖1 焊前未預(yù)熱的危害

預(yù)熱或道間溫度過低，是導(dǎo)致焊接冷裂紋的重要因素。因此，預(yù)熱和道間溫度控制，是防止冷裂紋的最有效措施之一[12]，其主要機理是通過改變焊接熱循環(huán)，降低焊接接頭冷卻速度，避免或減少淬硬組織；減小接頭各區(qū)溫度梯度，降低內(nèi)應(yīng)力，并使之較均勻分布；延長焊接區(qū)高溫停留時間，利于氫從焊縫中逸出等。當(dāng)預(yù)熱/道間溫度偏低時，可能導(dǎo)致接頭特別是大厚度大拘束接頭產(chǎn)生淬硬組織并導(dǎo)致氫逸出緩慢，誘發(fā)冷裂紋，同時使焊縫強度偏高，韌性下降；預(yù)熱/道間溫度偏高，在降低接頭強度的同時，使焊縫或熱影響區(qū)晶粒粗大，韌性降低[13]。

此類問題產(chǎn)生的主要原因如下。

1）焊接冷裂紋的產(chǎn)生與材料、工藝等諸多因素相關(guān)[14]，一般只在極端拘束及環(huán)境下才會產(chǎn)生，大多數(shù)焊工從事的是低強度鋼焊接，預(yù)熱/道間溫度要求不高，不易開裂；同時，結(jié)構(gòu)制造后，一般只進行無損檢測，不進行力學(xué)性能試驗，容易忽視預(yù)熱/道間溫度對力學(xué)性能的影響。由于教育培訓(xùn)不到位，因此未認識到焊前不烘焙，以及預(yù)熱/道間溫度不符合要求的危害，存在僥幸心理。

2）不同等級、強度、厚度鋼板，預(yù)熱/道間溫度要求各異（見表2），易于混淆。

3）現(xiàn)場大多采用火焰進行預(yù)熱，但火焰預(yù)熱存在加熱效率低、范圍窄的問題，一旦移開熱源，則溫度下降快。另外，對于大厚度、長焊縫預(yù)熱困難，所需時間長，部分人員存在應(yīng)付心理。

4）對于大型部件特別是大厚度或長焊縫，結(jié)構(gòu)散熱快，如果不采取在線保溫措施，如電加熱板加熱或保溫棉保溫，則焊接產(chǎn)生的熱量難以保持道間溫度，道間溫度易低于WPS下限。

5）預(yù)熱/道間溫度只能在線監(jiān)測，事后難于追溯，管控困難。

為此，針對未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求問題，可采取如下措施。

1）加強施工人員工藝宣貫，使其充分認識到不預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求的危害。

2）采用看板，在現(xiàn)場明確不同材料的預(yù)熱/道間溫度要求。

3）根據(jù)工況，細化烘焙、預(yù)熱/道間溫度要求，配置高效加熱裝置，提高效率。

4）大型部件、長焊縫，盡量采用電加熱裝置，采用分段焊，保證道間溫度。

5）加強現(xiàn)場特別是重要結(jié)構(gòu)監(jiān)督。

4.2 焊接材料烘焙不規(guī)范

在具體問題中，焊接材料烘焙不規(guī)范排名第二，主要表現(xiàn)如下。

（1）對要求烘焙的焊接材料未進行烘焙 除實心焊絲、藥芯焊絲和少量密封保存，按焊接材料使用說明書可以直接打開包裝后不烘焙就可使用的焊條、焊劑外，大部分的焊條、焊劑使用前均需要按使用說明書或標(biāo)準要求進行高溫烘焙。為了防止焊接材料在空氣中暴露時間過長，導(dǎo)致因吸潮而增加擴散氫含量，一般要求當(dāng)班（8～9h，有的4h）未使用完畢的焊接材料應(yīng)返回庫房保溫或者重新烘焙后領(lǐng)用。在實際生產(chǎn)中，現(xiàn)場有少數(shù)使用未經(jīng)過烘焙焊條、焊劑的行為，還有部分人員為了便利，私自保存當(dāng)班未使用完畢的焊接材料，在未保溫或重新烘焙的情況下使用焊接材料的情況。

（2）不按規(guī)定溫度裝爐和升溫 AWS D1.1：2015規(guī)定，焊條的裝爐溫度不超過最終烘焙溫度的一半，且至少1.5h后才能升溫到最終烘焙溫度，最終烘焙時間應(yīng)在烘箱達到最終烘焙溫度后開始計算。但在實踐中，部分焊條直接在超過最終烘焙溫度一半的情況下裝爐，有的甚至在焊條的最終烘焙溫度時高溫裝爐，且未設(shè)定裝爐到最終烘焙溫度的升溫時間。

（3）不按要求的溫度和時間進行焊接材料烘焙 為了保證焊接工藝性、焊接材料擴散氫及材料性能，不同的焊接材料有不同的最終烘焙溫度和保溫時間。低氫堿性焊接材料烘焙溫度多在350～400℃，最高可達400～450℃，而不銹鋼焊條烘焙溫度多為300℃左右，烘焙時間大多為1～2h。在實踐中，存在將不同烘焙要求的焊接材料同爐烘焙，導(dǎo)致烘焙溫度過高或過低、烘焙時間過短或過長的情況發(fā)生。

（4）不按要求進行焊接材料保溫/防潮 AWS D1.1：2015規(guī)定了低氫焊條暴露于大氣的最長時間，超過最長暴露時間的焊條應(yīng)重新烘焙。在使用中，應(yīng)將焊條儲存在焊條桶中，并通電保溫，使用時才取出；焊劑則需保存在密閉的保溫桶中，防止吸潮；藥芯焊絲使用過程中也需要采取防潮措施。在現(xiàn)場時，部分人員未及時對焊條桶通電保溫，有的將多根焊條取出后暴露在大氣中。由于大部分藥芯焊絲為有縫，吸潮性強，一般要求做好防潮措施或限定使用時間，但部分藥芯焊絲未采取防潮措施，長期暴露在大氣中，增大了吸潮風(fēng)險。

焊接材料烘焙和保溫/防潮是焊接材料管理的重要環(huán)節(jié)，嚴格按照焊接材料使用說明書或標(biāo)準要求進行烘焙，是保證焊接工藝性特別是控制擴散氫的關(guān)鍵因素，不按要求進行焊接材料烘焙和保溫，將對焊接材料的性能和使用產(chǎn)生不良影響。不按規(guī)定的溫度裝爐特別是高溫裝爐及升溫時間較短，可能導(dǎo)致焊條受熱不均勻，水氣不能排出，嚴重的導(dǎo)致藥皮破損，影響焊接工藝性。如果焊接材料烘焙溫度或時間低于要求，則會導(dǎo)致焊縫氫含量增加、接頭開裂；如果烘焙溫度過高或烘焙時間過長，則可能導(dǎo)致焊接材料中的合金氧化或者礦物質(zhì)分解，影響焊接工藝性或焊縫性能。如果不按要求保管烘焙后的焊接材料，則可能導(dǎo)致焊接材料在使用過程中吸潮并增加擴散氫。因此，必須嚴格按照工藝進行焊接材料烘焙，并采取有效的保溫/防潮措施，保證焊接材料工藝性和焊縫性能。

4.3 焊縫清理不到位

（1）焊縫清理不到位的表現(xiàn)形式 焊縫清理不到位是容易發(fā)生的質(zhì)量問題之一，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）焊前未清理坡口面及坡口兩側(cè)氧化膜、底漆等損害焊縫質(zhì)量的雜質(zhì)，或者清潔度或?qū)挾炔粷M足要求。

2）清理后，長期不焊接且未采取保護措施，重新返銹。

3）反面碳弧氣刨清根后，未將氣刨產(chǎn)物（氣刨渣、氧化膜等）清理干凈至全部露出金屬光澤，甚至不打磨，殘留大量的氧化膜、碳粒及銅斑等雜質(zhì)。

碳弧氣刨后打磨不到位場景如圖2所示。

圖2 碳弧氣刨后打磨不到位場景

（2）焊縫清理不到位的危害 焊前清理不干凈、打磨后返銹、碳弧氣刨后雜質(zhì)清理不徹底，是現(xiàn)場較為普遍的問題，對接頭完整性及性能存在嚴重危害，主要原因包括以下幾個方面。

1）鋼板表面的氧化膜和噴涂的防銹底漆，如果焊前清理不徹底，焊接時有害雜質(zhì)進入焊縫，則會導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)熱裂紋[15]、氣孔等缺陷，降低接頭韌性。

2）碳粒等在焊接時容易引起氣孔，局部存在的高碳使得焊縫形成淬硬組織，導(dǎo)致微裂紋[12]。

3）局部聚集的銅，可能導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)熱裂紋[11]。

（3）焊縫清理不到位的主要原因

1）主觀認為焊縫清理不到位不會導(dǎo)致質(zhì)量問題，對于不進行超聲波及射線檢測的部位，特別是在填角焊中存在該種現(xiàn)象較多。在焊條電弧焊、埋弧焊時，由于熔池較大，高溫停留時間較長，熔池中的液態(tài)渣可以將坡口殘存的少量氧化膜等雜質(zhì)帶出，對無損檢測可能不會造成明顯影響，填角焊一般只進行外觀目視檢查和磁粉檢測，不進行焊縫內(nèi)部質(zhì)量的超聲波或射線檢測，因此導(dǎo)致部分焊工存在僥幸心理，不認真清理焊縫。

2）打磨工作量大，環(huán)境惡劣。傳統(tǒng)的砂輪打磨噪聲大、污染嚴重，操作人員長期在惡劣條件下工作，難以保持高的作業(yè)標(biāo)準，導(dǎo)致打磨質(zhì)量不滿足要求。

3）碳弧氣刨操作人員技術(shù)水平有差異，氣刨面成形較差，導(dǎo)致后續(xù)打磨困難。

4）部分深坡口或角焊縫坡口，以及短小角焊縫和弧形焊縫，作業(yè)空間小，不易打磨。

（4）焊縫清理不到位的防止措施

1）加強人員培訓(xùn)，明確打磨要求（所有待焊接面露出金屬光澤、寬度滿足要求）。

2）提高碳弧氣刨操作人員技能水平，保證氣刨質(zhì)量，減少后續(xù)打磨難度。

3）對于打磨困難的焊縫，加強質(zhì)量監(jiān)督，保證打磨質(zhì)量。

4）利用先進的自動銑削設(shè)備或改善作業(yè)條件。

4.4 工藝參數(shù)超范圍

工藝參數(shù)超范圍主要指焊接電流、電弧電壓、焊接速度以及根據(jù)上述參數(shù)計算所得的熱輸入超出WPS規(guī)定的范圍，主要表現(xiàn)形式如下。

1）施工人員為增加單位時間熔敷金屬量，采用超出WPS要求的較大焊接電流和電弧電壓。

2）為減少焊接道次，部分人員大擺動焊接，在立焊位置焊接時尤為突出，造成焊接速度過慢；在部分位置如橫焊焊縫或單道角焊縫，為保證成形，采用過快的焊接速度。

3）由于焊接電流、電弧電壓和焊接速度的原因，導(dǎo)致熱輸入偏小或偏大。

工藝參數(shù)超范圍對焊接工藝性，特別是接頭力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)焊接電流、電弧電壓超出范圍時，可能導(dǎo)致焊縫成形變差，影響外觀質(zhì)量；當(dāng)熱輸入超出范圍時，則會導(dǎo)致焊縫強度、韌性等力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，高強度鋼焊接接頭對上述因素的變化尤其敏感。當(dāng)熱輸入增大時，EH550鋼氣體保護焊焊縫金屬的屈服強度、抗拉強度、沖擊吸收能量顯著降低（見圖3），當(dāng)熱輸入超過一定范圍時，屈服強度、抗拉強度不能滿足要求[13]。如前所述，當(dāng)預(yù)熱/道間溫度超過要求時，也會對焊縫金屬強韌性造成較大影響。結(jié)構(gòu)建造后，往往只進行無損檢測，一般不開展力學(xué)性能等試驗，難以發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)超范圍對接頭力學(xué)性能的影響，因此存在極大的質(zhì)量隱患。

圖3 熱輸入對高強鋼焊縫金屬強度、沖擊吸收能量的影響[13]

為保證焊接接頭具有所需的強度、韌性等性能，除采用WPS規(guī)定的材料，采取合理的工藝參數(shù)保證接頭完整性外，必須嚴格按照WPS所要求的熱輸入（焊接電流、電弧電壓、焊接速度）、預(yù)熱和道間溫度等參數(shù)進行施焊。

針對工藝參數(shù)超范圍問題，可以在現(xiàn)場采取以下措施。

1）加強人員教育和培訓(xùn)，闡明工藝參數(shù)超范圍施焊的危害性。

2）配置監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄焊接參數(shù)，超范圍施焊時自動切斷電源。

3）必要時，設(shè)計驗證試板，與實際結(jié)構(gòu)同時焊接，完工后開展力學(xué)性能檢測。

4.5 其他焊接質(zhì)量問題

其他焊接質(zhì)量問題（見表3）在現(xiàn)場也時有發(fā)生，需要從質(zhì)量問題對焊接工藝性、焊接接頭完整性和使用性能等方面的影響分析其危害性，從影響建造質(zhì)量的人、機、料、法、環(huán)等各個環(huán)節(jié)梳理分析其產(chǎn)生原因，并采取相應(yīng)的技術(shù)和管理措施，消除或減輕相關(guān)問題的影響，以保證焊接質(zhì)量。此外，不同結(jié)構(gòu)、不同場地遇到的問題也有所不同，需要結(jié)合實際情況予以處理。

5 結(jié)束語

通過對船舶及海工平臺建造現(xiàn)場典型焊接質(zhì)量問題進行統(tǒng)計與分析，得出以下結(jié)論。

1）選擇的問題統(tǒng)計與分析具有代表性。

2）問題表現(xiàn)形式多樣，大類中所占比例較高的是焊接工藝和材料問題。

3）具體質(zhì)量問題中居于前4位的是未預(yù)熱、預(yù)熱/道間溫度不符合要求，焊接材料烘焙不規(guī)范，焊縫清理不到位，以及工藝參數(shù)超范圍，闡明了這4類問題的具體表現(xiàn)形式、危害和產(chǎn)生原因，并提出了改善建議。