海洋工程钢结构焊接质量缺陷及其解决措施

高志宾，王磊，卞琦，弭永飞，孙凤菊(海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

0 引言

对于海洋工程钢结构全生命周期来说，其最核心的两个阶段是设计与建造。而在建造阶段中最核心的环节是结构焊接，是指将独立的金属材料有机连接统一为多种功能结构体的技术。因此，焊接质量是决定钢结构使用寿命的关键参数。一般来说，钢结构焊接质量是由焊工技能水平和熟练程度所决定的，但母材和焊材的各项参数以及外部环境也都会影响焊接质量，导致出现各类焊接缺陷，如：裂纹、气孔等[1]。这些焊接缺陷对钢结构的危害性主要体现在焊道与母材结合不完美，致使结合处出现错位、间隙等情况，造成缺陷处应力集中，影响钢结构连接强度，致使其极易因外力、自重等作用后出现结构失效的严重安全事故[2-4]。

1 典型焊接质量缺陷类型及产生原因

在焊接过程中，由于各类操作或管理不规范，导致的焊接质量缺陷多种多样。对于海洋工程装备制造业来说，产品工作环境恶劣，对焊接质量要求较高。根据焊接缺陷的严重性排序，以下为在钢结构制造过程中常见的几类焊接质量缺陷。

1.1 裂纹

裂纹是指焊接区域的金属原子结合力遭到破坏，在微观视界形成新界面，在宏观视界中表现为裂缝的现象[5]。对于裂纹来说，其具有长宽比大和可生长的特征，按形态可分为纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹等，是钢结构制造行业中最严重的焊接质量缺陷，严重影响产品的使用寿命。

产生原因：母材淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹；接头氢含量越高，裂纹的敏感性越强，越易产生氢裂纹，且有裂纹延迟出现的特征；预热缓冷不均匀，热应力释放不均匀导致母材内部应力集中，易产生裂纹；热输入过大时，会引起近缝区的晶粒粗大，降低材料的抗裂性能，热输入过小时，则易使热影响区淬硬，不利于氢的逸出；母材过厚，易沿厚度方向产生Z 向应力；母材硫、磷含量较高时，易在焊接后形成低熔点共晶体，该组织在应力作用下极易形成结晶裂纹；母材组对工艺不当，可导致钢结构连接受力不均，出现应力集中现象；焊接区域存在水、油、锈等污物，这些污物高温环境下发生化学反应，易在焊接区域产生大量扩散氢，很容易造成在焊接区域产生氢裂纹，对钢结构稳定性造成致命威胁。

1.2 未熔合

未熔合是指焊道与母材或焊道与焊道之间未完全熔化结合的现象[6]。对于未熔合来说，其周边区域的空隙存在着严重的应力集中现象，使得钢结构承载后易产生裂纹。因此，对于钢结构来说，未熔合是一种危害性较大的焊接缺陷。

产生原因：电弧偏吹导致热能损失，使得部分母材或上一道焊缝金属未能完全熔化；焊件表面有油、锈等污物，因污物材料熔点不同，致使其在熔池内与冷却后的母材金属存在未熔合界面；焊接电流过大，焊条熔化速度和母材或前道焊缝熔化速度不匹配，出现“假焊”情况；横焊操作时，因焊道的位置角度特殊，受重力影响，上坡口熔池金属下坠致使下侧坡口熔化不完全，造成未熔合现象。

1.3 未焊透

未焊透主要是指焊接接头根部未能完全熔透的现象，在未焊透处会存在机械缺口或空隙，导致此处应力集中现象显著。因此，钢结构极易在承载后引发裂纹的产生，致使钢结构失稳，从而极易造成现场严重安全质量事故。

产生原因：坡口角度过小，钝边过大，组对间隙过小或错边，焊条直径过大，都会导致熔敷金属未送达预定位置，致使未焊透；焊接电流过小，或者焊接速度过快，导致母材单位长度内能量输入不足，底端金属未能熔化；对于单面焊双面成型的焊接方式，易因电弧燃烧时间短导致熔孔未形成，造成未焊透的焊接缺陷。

1.4 咬边

咬边是指在焊缝与母材的交界处存在焊趾母材部位金属被电弧烧熔形成凹槽的现象，就像熔池金属咬掉了母材金属一部分，故称为咬边。咬边会减少焊道有效截面积，降低接头强度，且咬边处存在应力集中导致出现裂纹的风险。

产生原因：焊接电流过大，电弧过长，焊缝部位高低不平，电弧在焊缝两侧停留时间过短，都会导致熔池中心热输入高，焊缝两侧金属填充不足，出现咬边。

1.5 夹渣

夹渣是指焊接后残留在焊道内部非金属的夹杂物，其会降低焊缝有效截面积，降低钢结构机械性能。其中，相比于平焊，立焊和仰焊更易产生夹渣。

产生原因：施焊前未及时清除上一层焊道的熔渣，焊条药皮受潮脱落进入熔池未及时浮出；焊条角度和运条方法不当，焊缝宽度不均匀，熔池宽深比过小，焊接电流过小，坡口设计及加工不当，导致熔池金属流动性差，熔渣残留在熔池中；在母材和焊条形成的熔池中，氧、氮、硫等化学元素的含量过高，在高温下产生氧化还原反应，其氧化物、硫化物等化学产物在熔池金属凝固前未及时浮出。

1.6 焊瘤

焊瘤是指熔池金属流到焊缝之外形成金属瘤的现象，焊瘤的下方常存在未焊透这种焊接质量缺陷。而且，焊瘤附近易形成表面夹渣，造成应力集中现象。另外，在管道内部的焊瘤，会影响管内有效截面积，严重时造成管道堵塞。

产生原因：钝边过小，间隙过大，焊接电流过大，焊接速度过慢，焊条角度不合适，导致熔池金属温度过高，冷却速率较慢，后因金属自重下坠产生焊瘤。

1.7 气孔

气孔是指在焊接过程中，因熔池内气泡未能及时逸出，导致其在焊道区域形成空穴，称为气孔。气孔会减少焊缝有效截面积，降低焊缝的机械性能。对于管道上的部分气孔，尤其是针孔，甚至会引发内部液体泄漏等严重问题。

产生原因：焊条、焊剂受潮或未烘干，焊件表面存在油、水、锈等污物，导致其在高温作用下生成大量一氧化碳等气体；焊条碳含量过高，其在高温下与氧反应，生成一氧化碳、二氧化碳等气体；焊接电流过低或焊接速度过快，导致熔池金属凝固过快，不利于气体的逸出；焊接电流过高，药皮过早熔化脱落，失去保护作用，致使气体进入熔池；电弧长度过长或偏吹，以及运条手法不稳，易导致熔池周围气体保护层被破坏，空气中的氮气很容易就进入熔池产生密集气孔。

1.8 凹陷

凹陷是指焊道中心区域的金属低于焊道边缘和母材表面的现象，减少了焊道的有效截面积，易造成焊接区域受力不均，大大削弱了焊接接头强度。

产生原因：组对间隙过大，钝边过小，以及熔池体积过大，都会导致熔池金属因自身重力产生下坠；焊条直径过大，焊接电流过大，导致熔池金属中心温度高，焊道冷却速率不均匀，易产生中心凹陷；运条角度不当，导致焊接过程中焊条未能送到坡口根部，后因熔池金属下坠补充，因此在焊道中心区域出现凹陷。

1.9 焊缝外形尺寸不符

该缺陷主要表现为焊缝表面高低不平，焊缝成形不美观，影响了焊材与母材的结合程度，导致结构应力分布不均，降低接头强度。

产生原因：坡口角度加工不当，组对间隙不均匀，导致熔池金属分布不均；在焊接过程中，焊接电流过大或过小，焊工的运条速度过快或过慢，或者焊条角度不合适，焊工工艺不正确等情况，都会导致熔池金属流动和凝固成型效果差。

2 焊接质量缺陷原因归类分析及应对措施

焊接质量缺陷多种多样，且都为各因素变化导致的焊接结果，只有从源头解决焊接缺陷出现的原因，才能从根本上解决焊接质量缺陷问题[7]。因此，根据上述各焊接缺陷原因的特征，对其问题属性进行分析，可将其分为如下几大类型。

2.1 焊接参数设置不合理

其主要是指焊接单位热输入不合理，反映在焊接电压、焊接电流设置不合理，致使熔池内各材料状态变化不协调，几乎所有类型的焊接质量缺陷都与此原因有关。因此，钢结构加工制造企业需高度重视焊接参数设置。对于企业管理者来说，要严格开展焊接试验评定，制定合理的焊接工艺；对于焊接工人来说，要严格执行既定的焊接工艺，并根据现场实际情况，在焊接工艺参数允许范围内合理设置并适度调整电压、电流等焊接参数，保证焊接质量。

2.2 焊工焊接熟练度较低

其主要是指焊工技能水平过低或操作不熟练，导致电弧过长或过短、运条速度不当、焊条夹持角度不对、引弧方法不正确等情况。对于该原因，企业需从两方面解决：一是要合理安排工作量，避免出现焊工因单位时间内待完成工作量过大，导致其为按时完成任务，或为了得到更多加工量，被迫或主动提高运条速度等现象；二是要提高焊工施焊意识，持续加强焊接技能锻炼，养成并保持良好的施焊习惯，对技能水平过低的焊工，要及时清退出厂。

2.3 上游工序操作不当

其主要是指焊接前后准备措施不完善的行为，包括材料结构连接方式设计不合理、待焊母材坡口加工角度和坡口边缘直线度偏差过大、材料组对或点焊固定时的焊接间隙和钝边参数不合理、预热缓冷措施不到位，其都可导致裂纹、未焊透、夹渣等焊接质量缺陷。因此，企业不仅需要控制好焊接过程中焊件的预热及缓冷速率，防止因钢结构内外加热或散热不均等问题，导致钢结构应力释放不完全等情况，且要做好结构设计以及组对工作核查等工作。

2.4 外部环境因素影响

其主要是指恶劣天气和焊件表面清理不干净也会导致焊接缺陷的发生，包括风速过大导致钢结构母材内外温差过大出现应力集中或气体进入焊接熔池出现气孔，焊件表面存在雨雪霜冻等导致焊接区域扩散氢过多形成氢气孔，焊件表面存在水、油、锈等导致高温化学反应出现气孔、夹渣等缺陷。因此，企业需要持续加强现场施工管理，在恶劣天气下做好防风、防水等系列措施。同时，在焊接作业前，焊工要及时清除焊道或母材待焊接区域表面的水、油、锈等，以及上一道焊缝残存的药皮、药渣等污物，确保焊接区域清洁干燥。

2.5 材料管理不严格

其主要是指因母材、焊条质量较差的情况。其中，母材碳、硫、磷等含量过高导致的材料脆性过大易出现裂纹，焊条受潮或未烘干，药皮出现开裂现象，导致在焊接过程中出现夹渣等问题。因此，企业需做好供应链管理工作，向正规厂家采购化学元素含量在合理范围内且加工成型较好的钢材。另外，钢结构加工制造企业要尽可能选择采购使用低氢焊材，并在使用过程中，做好焊条烘干、受损焊条及时更换以及焊条在使用时的保温处理等管理工作。

上述五项原因主要和焊接工艺的设计与执行管理、焊接人员的管理、焊接保护措施、焊接材料的管理等有关，都属于焊接过程管理问题。因此，为了提高海洋工程钢结构的焊接质量，减少焊接质量缺陷，企业必须从焊接过程管理的角度出发，以人、机、料、法、环为切入点，注重解析焊接质量问题出现的根本原因。只有找到了问题的源头，才能从最大程度彻底解决焊接质量缺陷的问题。

3 结语

对于海洋工程钢结构加工行业来说，焊接质量是企业最关心的参数。而对于不同企业来说，焊接人员技能水平参差不齐，所在区域的焊接环境差异较大，焊接管理制度和执行情况不一，采办原料质量难以保障，这些都可能导致焊接质量出现问题。这些导致焊接质量缺陷的原因多种多样，涉及各环节，难以下手解决。但通过对各原因的特征属性分析可知，这些原因都可归根于焊接过程质量管理。

因此，海洋工程钢结构加工企业需从原料质量、焊接管理、人员水平、过程保护等方面加强焊接过程管理，提升钢结构焊接质量，为企业安全生产保驾护航。