船体焊缝延迟裂纹的产生原因及预防措施

李广一

（中国船级社质量认证公司上海分公司，上海市 200135）

1 前言

焊接裂纹是船体最为严重的焊接缺陷，一直以来都是造船企业焊接质量控制的重点部分。一旦发生船体焊接裂纹，必须分析其发生原因并制定有效的对应措施，避免批量质量事故和人员伤害事故的发生。

船体焊缝延迟裂纹是冷裂纹的一种，它是由于过大的拘束应力﹑敏感的微观组织以及焊缝中扩散氢含量等综合作用产生的焊接裂纹。具有孕育期的冷裂纹称为延迟裂纹，这类裂纹可能在焊后数小时﹑数天或更长的时间内出现。

2 案例分析及对策

2.1 案例1

某船厂在DN1 200﹑壁厚22 mm的钢管对接焊缝中，焊接完毕24小时后进行无损检测，发现焊缝内部局部存在横向裂纹，裂纹从焊缝中心向两侧延伸，深度约8～15 mm。船厂质检人员对施工现场进行检查，发现该钢管在组对过程中有强行组对的现象。由于钢管口径较大﹑自重较重，用于强行组对的手扳葫芦和码板不足以承受强行组对的拉力，出现轻微松动，而焊缝金属的强度不足以承受管段为保持原位置带来的拉力，导致焊缝局部开裂。随后，质检人员按照ASME第Ⅱ部分C卷第SFA-5.36项“药芯电弧焊用碳钢和低合金钢药芯焊丝及熔化极气体保护电弧焊用金属芯焊丝标准”，对该焊缝使用的药芯焊丝进行了含氢量检测﹑化学元素分析﹑力学性能检测，并对焊接用CO2进行了纯度和含水量检测，检测结果均满足相应的标准要求，排除了由于焊接材料质量不合格带来的焊接质量影响。

由此可知，对于强行组对焊缝，由于焊缝内部存在过大的拘束应力（焊件被外界固定或因自身刚性的影响,在焊接过程中的变形受到限制而产生的应力），在焊缝金属的强度无法承受的情况下会出现焊缝填充金属的开裂。对于此种情况，应调整组对的方式，尽量减少强行组对的情况，以避免焊缝承载过大的拘束应力。

2.2 案例2

某船厂某海工产品在焊接完毕两天后接受甲方无损检测人员检查的过程中，发现整个分段的大部分角焊缝内部存在裂纹。经气刨去除表面金属后，在焊缝内部发现了横向裂纹，裂纹从焊缝中心向两侧延伸并且多发。鉴于其为批量事故，检验人员对该批次药芯焊丝含水量﹑钢板化学成分进行了复验，复验合格，排除了其对于焊接裂纹的影响。对此，检验人员对于其他可能的原因进行了排查，发现该船厂位于海边常年湿度大，但船厂并未对0 ℃以上的天气作出钢板的预热或烘干的要求，有可能导致焊缝中氢含量过大；另外，该船厂对于焊前的焊缝表面清洁工作也不够重视，认为角焊缝为非全熔透焊缝，不需要对母材表面的预处理富锌底漆进行打磨，导致焊缝中增加了大量的碳﹑氢﹑锌等成分，有害成分的增加极大的增加了焊缝裂纹产生的几率。

由此可知，焊前准备工作对于焊缝金属的有害成分（碳﹑氢﹑有机杂质等）控制起到至关重要的作用。焊前预热或烘干可有效的去除母材上的水份，焊前对焊缝区域的清理可有效的控制碳﹑氢﹑有机杂质等有害成分对于焊缝金属成分的影响。

2.3 案例3

某船厂对EQ56材质﹑55 mm厚克令吊基座锥形卷筒（卷筒后小径端直径500 mm）进行对接焊缝焊接后出现多处横向裂纹。横向裂纹出现在焊接完毕后的第二天，裂纹由焊缝内部开裂至焊缝表面，由焊缝中心向焊趾部位延伸，个别裂纹在深度方向上几乎贯穿整个焊缝。检验人员怀疑焊接过程中焊缝金属迅速冷却导致了焊缝受热不均，使得焊缝内应力过大导致开裂，建议在焊接前和焊接过程中对焊缝及其两侧母材采用陶瓷加热垫均匀加热至200℃，直至焊接结束并对焊缝金属保温（200℃）2小时。采用该方案后，焊缝金属开裂现象有所缓解但仍有多处横向裂纹发生，证明焊缝金属迅速冷却可能是导致焊缝开裂的原因之一，但亦不完全。究其原因，克令吊基座为高强钢厚板冷成型卷制，在卷制过程中可能存在板材内应力过大的现象，使得焊缝金属无法承受如此大的内应力而导致开裂。

根据GB 150.4第8.1.1条款，对于厚度大于16 mm的冷成形碳钢﹑低合金钢，需计算其变形率，以确认其在冷成形后是否需要进行相应的热处理来回复材料性能 。本案例中EQ56为低合金钢，厚度大于16 mm，卷板为筒形可按照单向拉伸计算变形率，其变形率（%）=50δ[1-（Rf/Ro）]/Rf=50*55*[1-（500/∞）]/500=5.5，大于低合金钢变形率不超过5%的要求，需要进行消应力热处理。

针对此种情况，检验人员要求对克令吊基座锥形卷筒进行消应力热处理。热处理后，焊前和焊接过程中应保持陶瓷加热垫均匀预热200 ℃，使得焊接裂纹得到了有效控制，基本杜绝了克令吊锥形卷筒自身焊接裂纹的发生。

由此可知，钢板冷成型卷制后自身的内应力随着厚度的增加而变大，过大的内应力是导致焊缝金属开裂的重要原因，针对其冷成型卷制过程带来的内应力，可进行消应力热处理，消除其内应力以减少焊接裂纹的发生概率。

2.4 案例4

某船厂在冬季环境温度降至零下后对DH36厚板进行对接焊极易出现焊缝金属横向裂纹。横向裂纹在焊接结束后的数分钟内出现，由焊缝内部开裂至焊缝表面，由焊缝中心向焊趾部位延伸，尤其以厚度20 mm以上的居多。分析其主要原因为冬季突然降温，焊工在施焊前没有进行预热，导致焊缝金属冷却速度过快，容易形成淬硬的微观组织（马氏体），在焊缝接头的内应力作用下导致开裂。检验人员建议焊工在施焊前进行充分均匀的预热，焊接过程中保持母材温度在21℃以上，很大程度上避免了此类裂纹的发生。针对此种裂纹，可合理选择焊前预热﹑焊后缓冷﹑后热消氢及焊后热处理等方式来改善焊缝热影响区的组织，降低淬硬程度﹑去氢，从而防止延迟裂纹。

由此可知，敏感的微观组织是导致焊缝延迟裂纹的主要原因之一，这是由于焊缝金属的迅速冷却导致的，特别是在大厚度高强钢的焊接过程中，由于焊缝金属的体积小，热量会迅速被厚板母材带走，导致焊缝金属降温速度过快，容易产生淬硬的马氏体型微观组织，并且快速冷却的焊缝金属也阻止了扩散氢的溢出，在焊接接头的内应力作用下导致开裂。对于此种情况，可参考CCS材料与焊接规范第3篇第5章第5.1.4.4条，当施焊环境温度低于0℃或材料的碳当量Ceq计算值较大或结构刚性过大﹑构件厚度较厚或焊段较短时采取适当的预热和缓冷措施，当碳当量Ceq大于0.45%时，应进行预热，并考虑进行焊后热处理以防焊件内部产生过大的应力或不良的组织。

3 结论

船体焊缝延迟裂纹主要是由于过大的拘束应力﹑敏感的微观组织以及焊缝中扩散氢含量等综合作用产生的。三种因素相互联系，具备的因素越多则发生延迟裂纹的概率越大。针对上述延迟裂纹发生的原因可以制定相应的对策，从而减小其发生的概率：

（1）针对过大的拘束应力，可采取如下对策：①尽量避免强行组对；② 在定位焊过程中均匀分布焊点，并使其具备足够的厚度和长度；③ 对于冷变形内应力过大的焊件，可对其进行消应力热处理，以减小或消除其内应力。

（2）针对敏感的微观组织，可采取如下对策：①在环境温度过低或母材碳当量过大的情况下，可合理选择焊前预热﹑焊后缓冷﹑后热消氢及焊后热处理等方式来改善焊缝热影响区的组织，降低淬硬程度﹑去氢，从而防止延迟裂纹；② 严格按照焊接工艺评定给出的参数范围控制热输入。热输入过大将导致晶粒粗大，形成淬硬的马氏体，降低焊接接头的韧性。

（3）针对扩散氢含量，可采取如下对策：① 选择低氢焊材和低氢的焊接方法；② 焊条﹑焊剂使用前应按照规定烘干，领取焊条应装保温桶；③ 药芯焊丝尽量当天一次性使用完毕（开包后应在2天内用完），如果不能一次性使用完毕，则第二天再次使用前应检查其状态，去除外圈暴露的3～5 m焊丝，使用其内部未暴露的部分或采取其他适当的措施减少与空气中水汽的接触；④ 严格控制氢的来源，清除工件坡口和焊丝表面的铁锈﹑油脂等；⑤ 对金属及其两侧75 mm范围内进行烘干处理，避免水汽的吸附，在空气相对湿度超过90%及下雨﹑下雪环境不得施焊。

（4）其他建议：① 包角焊缝要圆滑过渡﹑一次完成，切不可在肋板（筋板）端头处进行焊缝接头操作，包角长度为肋板两侧至少各50 mm；② 焊缝末端收弧处应填满弧坑，以防止弧坑裂纹。

经过实际生产的检验，上述对策能够有效的减少焊接延迟裂纹的发生，取得良好效果。