鋼結構焊接裂紋的原因及防治措施

武衛華 李艷艷 張秀全 胡瑞芬

摘 要：本文基于焊接產生裂紋的理論知識，通過實踐經驗，對鋼結構裂紋產生的內外在原因進行了深入分析。

關鍵詞：鋼結構；熱裂紋；冷裂紋；預防措施

前 言

焊接裂紋是鋼結構在制造過程出現的危害最嚴重的缺陷，我公司主要承擔為安陽鋼鐵備件制造、安裝及系統檢修，在鋼結構的制造過程中，有時焊縫會出現焊接裂紋，給工程施工帶來一定的影響，具體表現在：裂紋能引起嚴重的應力集中，降低焊接接頭的承載能力，任其發展的話最終會導致焊接結構的破壞，降低工程質量，縮短結構壽命，嚴重時可能造成安全事故，間接延誤工期并增加施工成本，影響公司的形象，所以說裂紋在鋼結構的制造過程中一經發現必須徹底清除，進行修補，確保產品質量.以下對鋼結構制造過程中裂紋產生的原因及其防治措施進行分析，供大家參與.

1.內在原因分析及相應的預防措施

一般焊接裂紋按其產生的溫度和時間分為熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋

1.1.熱裂紋

熱裂紋是指在焊接過程中，焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區時產生的裂紋，故又稱為高溫裂紋.其產生的原因是由于焊接熔池在結晶過程中存在偏析現象，偏析出的物質多為低熔點共晶和雜質.它們在結晶過程中以液態間層形式存在，凝固以后的強度也較低，當焊接應力足夠大時就會將液態間層或剛凝固不久的固態金屬拉開形成裂紋.此外如果母材的晶界上也存在低熔點共晶和雜質，則在加熱溫度超過其熔點的熱影響區，這些低熔點化合物將熔化而形成液態間層，在一定條件下，焊接應力足夠大時也會被拉開形成所謂熱影響區液化裂紋.總之，熱裂紋的產生是冶金因素和力學因素共同作用的結果.熱裂紋特征是：多貫穿在焊縫表面，且斷口被氧化成氧化色.它主要的表現形式：縱向裂紋、橫向裂紋、根部裂紋、弧坑裂紋及熱影響區裂紋.針對其產生的原因采取以下預防措施：a）限制鋼材和焊材中的硫、磷元素的質量分數.b）改善熔池金屬的一次結晶，細化晶粒提高焊縫金屬的抗裂性：廣泛采用的方法是向焊縫金屬中加入細化晶粒的元素.c）控制焊接工藝參數，適當提高焊縫成型系數：可采用多層多道焊法，避免中心線偏析，可防止中心線裂紋.

1.2.冷裂紋

冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度時產生的焊接裂紋.它與熱裂紋不同，是在焊后較低溫度下產生的，可以焊后立即出現，有時要經過一段時間才能出現，這種拖后一段時間才能出現的裂紋也稱為延遲裂紋.冷裂紋主要發生在中碳鋼、高碳鋼、低合金鋼或中合金鋼中，產生的原因主要有三個因素：1）鋼的淬硬傾向大；2）焊接接頭受到的拘束應力；3）較多的擴散氫的存在和濃集.這三個條件同時存在時，就容易產生冷裂紋.在許多情況下，氫是誘發冷裂紋的最活躍的因素.冷裂紋的特征是斷裂表面沒有氧化色彩，這表明與熱裂紋不一樣，它多產生在熱影響區或熱影響區與焊縫交界的熔合線上，但也有可能發生在焊縫上.防止冷裂紋主要從降低擴散氫含量、改善組織和降低焊接應力等幾方面解決，主要的措施有：a）選用低氫型焊條，可減少焊縫的氫.b）焊條焊劑應嚴格按照規定進行烘干，堿性焊條要求300～350℃，烘熔1～2h；酸性焊條要求100～150℃，烘熔1～2h；熔煉焊劑要求200～250℃，烘熔1～2h； 燒結焊劑要求200～250℃，烘熔1～2h.隨取隨用，嚴格清理焊絲和工件坡口兩側的油繡，水分，控制環境溫度.c）改善焊縫金屬的性能，加入某些合金元素以提高焊縫金屬的塑形.d）正確選用焊接工藝參數、預熱、緩冷、后熱以及焊后熱處理等，以改善焊縫及熱影響區的組織，去氫和消除焊接應力.e）改善結構的應力狀態，降低焊接應力等.

1.3.再熱裂紋

再熱裂紋是焊后焊件在一定溫度范圍再次加熱（消除應力熱處理或其他加熱過程）而產生的裂紋，也稱為焊后熱處理裂紋或消除應力回火裂紋.在熱裂紋具有晶界斷裂的特征，大多發生在應力集中部位.它產生的原因一般認為是在再次加熱時，在第一次加熱過程中過飽和和固溶的碳化物再次析出，造成晶內強化，使滑移應變集中于原先的奧氏體晶界，當晶界的塑形盈利能力不足以承受松弛應力過程中所產生的應變時，就會形成再熱裂紋.控制在熱裂紋的措施是：a）減小焊接應力和應力集中，如提高預熱溫度、焊后緩冷、使焊縫與母材平滑過渡等；b）在滿足設計要求的前提下，選擇適當的焊接材料，使焊縫的強度稍低于母材，讓應力在焊縫中松弛；c）在保證室溫接頭強度的情況下，提高消除應力退火溫度，致使析出比較大有碳化物粒子，以改善高溫延性.

2.外在原因及應對措施

焊接裂紋除以上工藝和原材料方面的原因外，人的因素和環境條件也是很關鍵的外因.如在實際焊接過程中，對以上產生焊接裂紋的原因及預防措施重視不夠，制定的焊接工藝不詳細過于簡單，或操作人員責任心不強，不嚴格按照焊接工藝卡的要求實施；焊接工程師較少，在焊接過程中缺少焊接專業監督指導，對焊接后出現的問題不能及時處理；現場管理混亂，對原材料缺乏嚴格的質量檢驗制度而誤用不合格材料或用錯不同材料的鋼材；天氣氣溫低，沒能按照要求進行預熱、保溫緩冷措施；不應涂漆的部位進行了油漆，部分施焊人員未經培訓等種種原因導致有些預防措施不能落實到位，偶爾仍會出現個別裂紋.

3.實踐效果

通過對鋼結構焊縫裂紋產生的原因進行深入的分析，了解了其預防措施，理論聯系實際，基本上掌握了控制焊縫裂紋的方法，如2011年在安鋼3號高爐熱風爐制造過程中，爐殼板（Q345）對接焊縫經無損檢測發現有裂紋現象，經分析：冬季施工環境溫度低，板材厚度較大，預熱及層間溫度措施不當，將原來的烤槍火焰預熱改為自動控溫熱電偶加熱，解決了出現裂紋的現象。

4.結論

經實踐證明鋼結構焊接時，按照以上分析的情況，嚴格執行相關的規定、規程，基本上可以避免裂紋的產生，實踐效果良好.

參考文獻：

[1]殷長福. 簡論鋼結構焊接質量控制[J]. 中國石油和化工標準與質量， 2011，（09） .

[2]劉錫山. 淺析高層鋼結構的施工及焊接技術[J]. 中小企業管理與科技（上旬刊）， 2011，（05） .

[3]史莉. 淺談提高焊接質量的途徑和方法[J]. 科技資訊， 2011，（25） .