浅谈海洋工程焊接裂纹的防止措施

周岩，徐澎，杭建伟

摘要：随着工业的发展，焊接作为一种重要的金属加工工艺被广泛用于各种海上项目。焊接是制造业的一个重要组成部分，特别是在海上部门，焊接要求更高。然而，焊接缺陷，特别是焊接飞溅，是制造过程中的一个危险缺陷，可能导致产品被拒绝，严重时对整个项目有致命的后果。本文讨论了焊接裂纹的原因、冶金和技术方面，以及防止海上焊接冷裂纹的措施。

关键词：海洋工程；焊接；冷裂纹；防治措施

引言

随着海洋工业的发展，海上采油区已经从浅水油田扩展到了深水油田，这导致了海上地区温度的变化，由暖温带变为寒冷的低温带。海上平台在恶劣的工作环境中，如风浪、海水腐蚀和恶劣天气，会导致其结构变得更大、更复杂。这会增加焊接负荷，使工作难度增加。焊接过程中存在许多挑战，这些挑战源于钢材和焊接材料的使用方式以及海上工业的不利因素，最严重的是焊缝出现裂缝，这可能导致停工和生产或灾难性事故。因此，最重要的是确定焊接裂纹的原因，并制定适当的预防和控制措施，以确保海上工作的正确进行。

一、焊接裂纹的分类

在船舶工业中，焊接裂纹是由于不恰当的焊接方法和钢材质量以及各种产品的设计而导致的焊接缺陷。裂纹可以根据温度和焊接时间进行分类，包括热裂纹、过热裂纹、冷裂纹、层状裂纹和应力腐蚀裂纹。这些裂纹都是由于焊接过程中的温度变化造成的。裂纹可以根据其形态和分布特征分为冷面裂纹和焊缝内部裂纹。这两种裂纹都是常见的缺陷，可能会对焊接质量造成影响。裂缝可能呈横向、纵向或其他形状。目前，中国的液压结构件大多采用高强度钢材料，但由于焊接过程中热循环不稳定，高强度钢的淬透性会增强，同时脆硬材料的使用可能性也会增加。此外，随着冷却速度的提高，网络缺陷的发生率也会增加。因此，在设计和制造液压结构件时，应该考虑如何降低这些因素，以确保结构件的质量和可靠性。冷裂纹是造船业中最常见的裂纹类型，这主要是由于冷裂纹的存在导致的。

二、海洋工程焊接裂纹产生的原因

在海洋工业中，焊接冷裂纹的发生与三个因素有关，即钢的硬化倾向、焊缝的氢含量和焊接应力。钢的硬化倾向。取决于造船用钢的化学成分。碳含量在0.40到0.41之间，这意味着钢有很强的硬化倾向，硬化倾向越高，越容易断裂。钢在回火后会形成马氏体，这种组织非常脆而硬，它的数量越多，裂纹就越容易产生和扩大。然而，经过回火处理后，钢的热绝缘性能会下降，尤其是晶格缺陷，如空隙和位错。如果晶格缺陷的分布不均匀，它们就会传播开来。当浓度达到一定程度时，裂纹就会产生。氢气在焊缝中的含量显著增加。特别是在较低的温度下，氢气会影响残留的扩散，并有一定的延缓作用。当焊缝的氢含量达到一定值时，就会产生应力裂纹，主要是在热效应区。但在焊接过程中.当焊接高强度钢时，由于焊缝的复杂成分，氢气从热效应区扩散到焊缝中，导致焊缝延迟开裂。焊接应力。焊缝开裂也与焊缝所处的应力状态有关，在某些情况下，应力状态甚至起着关键作用。由不均匀的加热和冷却引起的热应力和由金属相变引起的材料应力会导致开裂。一般来说，钢越厚，产生的压应力就越大，开裂的倾向就越大。

三、海工焊接裂纹的防治措施

（一）从冶金方面采取防治措施

首先，使用氢含量低的高质量焊材。对于极高强度钢的焊接，应使用低氢的H10或H5焊材。然而，DNV对这些材料的规范是非常严格的，而且不容易找到。多项实验研究表明，二氧化碳保护电弧焊也能创造一个低氢环境，减少裂纹。此外，必须仔细控制氢气来源。在焊接过程中，焊丝和焊接液必须彻底干燥，以便-环境温度保持恒定，低氢电极温度约为350℃，低氢电极温度为400-450℃。此外，钢铁和其他材料必须彻底清除油污和铁锈，以避免出现液体环境。最后，可以在材料中加入足够的合金元素，以提高焊缝的延展性，还可以控制磷、硫和其他有害杂质的浓度，这也可以减少裂纹的发生。添加合金元素，如硒、硼、碲和稀土元素，可以通过利用焊缝的塑性储备来改变焊缝的应力状态，这可以减少热损伤区的应力，使焊缝不易产生冷裂。此外，该焊缝是奥氏体的。虽然这种焊丝具有良好的延展性，但奥氏体焊缝可以溶解更多的氢气，形成低氢环境，当这种类型的焊丝用于焊接某些高强度钢时，出现冷裂的可能性也会大大降低。

（二）焊接应力的控制

1.采用正确的预热方法防止应力的产生

均匀的局部或整体预热可以减少待焊工件和焊接区域之间的温差（也称为温度梯度），可以减少焊接结构的限制。在建筑中，预热是在焊接前使用电阻或电阻加热器进行的。预热区在焊缝两侧加热到最小宽度为75毫米，用测温枪和喷枪在被加热的另一侧测量温度，以确保在被加热的另一侧达到预热温度。

2.热处理对于焊接应力的影响

局部高温淬火可以减少最大的内部残余应力，使应力分布相对温和，有助于消除应力。焊后热处理对钢结构中消除残余应力的影响是显著的。

（三）消除氢的来源

1.焊剂的烘干

新开包装的助焊剂和重复使用的助焊剂在使用前应进行烘干，烘干温度425 "C，烘干时间不少于1小时；烘干后的助焊剂在加工和使用过程中应放在保温桶内存放，注意严密保温；如遇雨淋、潮湿和水，助焊剂应弃之不用。一旦焊料干了。助焊剂在储存桶中的存放时间不应超过4小时，否则应再次进行干燥处理。

2. 焊前处理

在焊接前，焊缝两侧必须用至少15毫米厚的研磨盘或钢丝刷进行清洁，以防止油漆、油脂、铁锈、污垢等在焊接过程中发生化学反应，产生氢气，从而产生不良影响。

3.预热及焊后后热

预热可以延迟焊后冷却，并有利于从焊接金属中去除耗散的氢气，避免形成氢气晶体。预热温度应符合预热要求。

（四）从工艺方面采取防治措施

1.焊前预热，焊后热处理

焊前预热可以降低硬化为马氏体的钢的冷却速度，而且马氏体的 "自硬效应 "可以减少裂纹的发生。然而，必须控制预热温度，使冷却速率不低于马氏体的临界冷却速率，这将降低焊缝热失效区的延展性。焊接前的预热温度应考虑以下因素：沸点当量、断裂敏感性系数和焊缝厚度。在不同的外部焊接条件下，采取适当的预热温度，不仅有利于焊缝的应用，对冷焊也有更好的控制。焊接后，需要立即进行200摄氏度的再加热，停留时间为2小时，自然冷却。这促进了氢气的释放，防止了冷裂缝的形成。

2.严格控制层间温度和线能量

渗透温度与预热温度起着类似的作用。最低温度设定在预热温度的下限，最高温度不能太高，它可以在75至200摄氏度之间变化。为保证在垂直焊接位置和其他位置的效果值达到34J和47J以上，应采用低线性能量，即用几层小焊道焊接，最大线性能量应调整为21600J/cm。这是为了保证在控制较好的情况下，焊缝的热损伤区和焊接金属具有良好的强度，同时也保证粗放区的熔合线具有良好的抗冲击性，防止裂纹的形成。

（五）裂纹返修

裂纹的清除和修复应按照批准的焊接程序和AWS D.1.1-2008第5.4.6章的要求进行，并应确保修复后的接头表面是干净的。复焊的焊接工作应由经过成功评估的焊工来完成。

1.碳弧气刨清除裂纹

弧面的预热温度不应低于适用于该焊缝的WPS规定的温度。裂缝清除应从距离裂缝末端至少50毫米处开始，向裂缝中心努力，并在裂缝的另一端继续同样的过程，直到裂缝被完全清除；应使用研磨盘来清除剩余的碳层。应通过适当的非破坏性测试（如MPI）来检查缺陷的消除情况，以确定缺陷是否已被完全消除。

2.返修焊接

重新焊接时应采用少许的焊接技术和充分的预热。重新焊接的预热温度应符合批准的WPS。预热应覆盖返工区域及其周围，至少覆盖壁厚（但不低于75毫米），并应持续到返工完成。预热是通过电加热或火焰加热完成的。当进行后焊时，应严格按照批准的WPS进行焊接，并使用与后焊缝的深度和长度相适应的焊接参数，最高熔接温度为250℃。应采取措施，减少焊接应力。

结束语

本文介绍了海上焊接裂缝的原因和预防措施，为今后的设计过程提供了合理的科学依据，有利于今后的焊接工作。同时，今后在海上焊接中应采取措施，尽量减少冷裂纹的发生，保证焊接结构的质量，延长焊接寿命。

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