试论船用厚板高强度钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防

试论船用厚板高强度钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防

陈畅

江苏扬子江海洋油气装备有限公司江苏苏州215400

摘要：冷裂纹是高强度钢焊接中十分常见的裂纹形式，不仅对焊接质量造成影响，甚至会在使用条件上产生严重隐患。尤其在船用厚板的焊接中，对于焊接冷裂纹的预防与控制十分重要。本文从船用厚板高强度钢焊接冷裂纹的产生原因入手，对实际生产中的预防技术进行分析，为提高焊接质量提供方法参考。

关键词：船用厚板；高强度焊接；焊接裂缝；冷裂纹

引言：焊接是材料选用与工艺选择的综合性技术，在应用环境上有广泛的适用性条件。由于工业环境与技术条件的发展，对于焊接工艺的合理性提出了更高的要求，必须在进行技术升级的同时，从焊接裂纹的形成角度出发，提升焊接处理中的质量条件。通过对裂纹成因的分析，全面论述技术中的关键控制点，有针对性的提升焊接裂纹的预防措施。

一、焊接裂纹形成原因

形成部位上，船用厚板高强度钢的冷裂纹主要可以分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹这三种类型。焊趾裂纹是在母材与焊缝的交界处，由于应力过于集中而产生的裂纹，主要表现为焊趾向母材深处的延伸；焊道下裂纹受到淬硬倾向与含氢量的影响，由于这两项参数的较高数值，使裂纹表现出与融合线的平行状态；根部裂纹较为常见，经常在预热不充足的条件下产生，并表现出与焊趾裂纹的相似性，由应力的变化作为诱发条件。

从整体的宏观角度出发，船用高强度钢材料的焊接裂纹主要受到钢材化学成分、结构拘束应力条件、焊接氢元素、操作工艺手法这四方面内容的影响[1]。首先，在钢材化学材料上，钢淬硬度较大，在快速冷凝后，就会产生状马氏体，并在结构上焊接冷裂纹产生。其次，在拘束应力条件上如果没有对焊接过程中的拘束应力进行控制，在不断增加并达到临界值后，就会产生裂纹。而不均匀加热、加速冷却、金属变相的条件下，都会诱使拘束应力增加。第三，钢材料焊接过程中，裂纹现象主要集中在“富氢地带”，尤其是在冷裂纹的产生条件上，氢的影响作用尤为明显。在形成原因上，由于溶池受到氢的影响会产生大量的杂质，并在冷却的过程中，诱发溶解速率加快，使氢无法及时排出，存留在结构中。当达到饱和状态后，就会在根部或焊趾部产生裂缝。另外，在处理工艺上，由于焊接厚板高强度钢的过程中，由于焊接工艺选择上的不合理，也会在处理中产生裂纹。

二、焊接裂纹预防措施

（一）冶金控制内容

冶金处理上，必须要对船用厚板高强度钢的焊接进行处理，不仅要在母材选用中对其化学成分进行控制，选用低碳多微量合金元素的先进应用材料改善钢体的抗裂性材料。同时，也需尽量优化焊接工艺与焊接材料，通过氢的控制，以及微量合金元素的应用，提高焊缝的韧性条件，达到提升冶金控制工艺的效果，减少冷焊缝的生成概率，提高加工处理的有效性条件。在两者的应用条件上，技术处理人员应重点根据焊接处理的内容进行优化与完善，尽可能弥补当前技术环境下，钢材材料使用中的不足。

首先，焊接材料选择上，应尽可能的使用低氢材料与低氢焊接工艺，并以此作为防止焊接冷裂纹产生的重要措施。在实际生产加工中由于钢材料的强度条件存在差异，因此在选择上应选用与之相对应的焊条与焊剂，使其在成分上，达到技术基本要求。例如，在某些高强度钢焊接的结构处理上，必须加入超低氢与高韧性的焊条与焊剂材料，将氢含量控制在1.0ml/100g以内。又如，在低匹配焊条的选择上，通过对母材性质的分析，可以在强度配合下提高焊缝的强度条件。

软层焊接法在应用条件上，有较明显的优势。通过制造高强度的球星钢材容器，将同等强度的母材与焊条同时设置在容器的内层结构中，然后，在表层的2mm-6mm区间内，使用强度稍低于母材的焊条结构，以此提升整体结构的韧性条件，作为金属整体的塑性储备条件，降低焊接处理中的拘束应力，在结构优化的方法下提高材料的抗裂性水平[2]。

焊接处理中，使用二氧化碳气体作为焊处理的辅助方法，也可以明显的降低氢焊缝的影响条件，将氢含量控制在0.04-1.0ml/100g之间，并在处理方法中，有效降低了可能出现的焊丝配套与焊接飞溅、夹杂问题。在此基础上，控制氢的来源，是降低氢影响焊缝的重要推进，必须在材料与焊接方法上进行控制，尽可能使用过经过烘干的焊条与焊剂，并在环境温度上作出控制，使低氢焊条维持在350℃的环境下处理。另外，超低氢含调结构，需将温度条件维持在450℃-400℃区间，并在维持两小时后再进行存储，通过保温箱的管理，使其处在密闭的防潮环境中，随时保证使用过形状。如在船体结构的焊接中，可以使用低氢的碱性焊材，通过合金元素的加入，提高材料适应性条件，并在进行焊接前，对焊丝、钢板坡口等关键部位进行清污处理，在环境控制下，预防焊接冷裂纹产生条件。

（二）工艺管理方法

焊接处理中，必须对工序条件进行优化，并在焊接线能量、预热条件、焊后温控、焊后处理等具体的内容上，进行适当的优化，改善焊接的状态[3]。首先，在结构的应力状态下，需将焊缝的位置与工序进行设计。其次，在焊前预热与焊后温控的内容中，必须重视层间温度的管理水平，在保证层间温度高于预热温度的同时，降低冷裂缝产生的概率。

经过多年的数据分析与经验总结，可以在进行焊接工艺处理的过程中，不断优化施工的精细化程度，通过细节内容的优化升级，使各项指标与可能存在隐患的关键控制点得到优化，尤其在预热温度、焊缝质量等条件上，引起岗位技术人员的重视，就可在一定程度上，起到预防船用厚板高强度钢材焊接裂纹的问题。

总结：船用厚板的焊接关系到使用过程中的安全性条件，必须在优化技术手段的同时，降低发生焊接裂纹的概率，提升焊接工艺的合理性。基于刚才化学成分、拘束力、氢、焊接工艺等裂纹成因的分析，可以更加清晰的对焊接冷裂纹产生的原因进行归总，从而在冶金控制与焊接工艺上，更具针对性的采取优化方法，达到提高船用厚板高强度钢材焊接质量提升的效果。

参考文献：

[1]王佳,刘玉擎,黄李骥.高强度钢加劲板焊接残余应力测试及分析[J].工程力学,2016,33(06):242-249.

[2]郭文帅,覃拥清,潘丽艳.柳钢DH36高强度船板焊接性能试验与分析[J].柳钢科技,2017(01):14-16.

[3]鲁鹏,赵耀,袁华.边界条件对船用厚板高强钢焊接残余应力的影响研究[J].中国造船,2016,54(02):124-132.