厚板鋼結構焊接裂紋控制措施

孫 健，姜美玲，郝永寬

（1.大連船舶重工集團裝備制造有限公司，遼寧 大連 116000；2.大連船舶重工集團有限公司規劃建設部，遼寧 大連 116000）

1 焊接裂紋控制的前期準備

1.1 選擇材料

焊接中使用的厚板鋼結構材料為q235，屬于一種普通碳素鋼結構，焊接中使用超低氫形式的焊接材料，最大程度保障焊接后接口處的鋼材料性質不會發生變化。q235結合超低氫焊接材料進行焊接處理，能夠提升鋼材料的韌性，這樣在焊接處理以及加工完成后，在一定韌性保護下不容易產生斷裂與其他細小裂紋。厚板鋼結構加工需要使用汽輪機完成碾壓加工，碾壓生產加工中的壓力控制，直接關系到后續結構中是否存在裂紋。厚板鋼結構主要裂紋產生原因為焊接技術控制不合理，但碾壓也是至使裂紋問題產生的原因之一，汽輪機中的旋轉式蒸汽發動系統，能夠提供持續并且均衡的壓力，在厚板鋼結構碾壓成型的焊接中，材料選擇是預防焊接裂紋產生的基礎部分。鋼材厚度達到150mm以上到260mm以下，這一厚度在焊接中控制裂紋還需要從焊接與壓型兩方面來進行，控制難度較大[1]。

1.2 預熱準備

厚板鋼結構焊接前需要對焊接部分進行預熱準備，達到規定的焊接溫度后，才能確保焊接接口處的均衡。厚板鋼結構焊接中，結構內應力達到一定強度，會導致接口處產生裂紋。預熱可以在常溫環境下進行，對焊接的接口部分來探討，通過預熱能夠使厚板鋼材內部溫度與外部溫度保持在均衡狀態下。溫度保持均衡并且達到一致，在此基礎上開展的焊接任務，便能夠有效消除內應力對接口處造成的影響，預熱準備還需要對厚板鋼結構的具體厚度進行測量，根據厚度來確定預熱所使用時間及溫度。預熱準備需要根據不同焊接材料來做出調整，與焊接方法選擇也有直接關系，這些在具體的焊接加工中都需要特別注意。

1.3 預熱措施

汽輪機厚板焊接前的預熱準備工作，可以通過兩種途徑來完整，一種是電預熱，另一種則是通過火焰預熱，本論文中研究的案例為電預熱。接入電儀后完成自動預熱，既能夠有效的控制預熱溫度，同時也能在預熱過程中產生鋼材氧化的現象，影響到后續焊接工作高質量完成。對于部分結構中電預熱難以進行的情況下，會使用火焰加熱作為補充來進行，實現對焊接結構的整體預熱工作。電預熱會自動顯示溫度，如果采用火焰預熱的方法，則需要在火焰加熱停止后，再用測溫槍對其溫度進行測定。

2 節點結構設計

厚板鋼結構在焊接前，需要根據生產加工需求來對其焊接接頭節點進行設計。根據不同的鋼結構厚度，選擇接頭形式還需要考慮接口處在整體結構承重體系下所處的位置，通過這種方法能夠幫助有效提升整體承重效果，避免在使用中由于接頭部分設計不合理，導致最終的焊接結構裂紋出現。節點結構可以采用組合形式來進行構建，當厚板鋼結構需要復雜的拼接任務時，通過這種技術整合方法，可以為接下來焊接任務開展提供便捷性，從而避免焊接任務進行不順利而造成裂紋問題產生[2]。

3 厚板鋼結構常見裂紋形式

3.1 焊接裂紋

焊接裂紋是厚板鋼結構構建中最常見的一種裂紋形式，也是文章重點探討的。造成焊接裂紋主要是由于鋼材料的原子結合力受到破壞，從而在破壞的基礎上形成了新的斷裂層。焊接裂紋可能產生在材料焊接生產過程中，具有較長的潛伏期，存在裂紋隱患但并不會第一時間表現出來，不過該種類型鋼材在使用中已經存在承載力問題，使用一段時候后裂紋問題還是會凸顯出來。焊接過程中預熱不均勻，瞬間焊接升溫導致部分鋼材中的金屬化合物被分解，但沒有來得及分散便被焊接固定住，所形成的共晶屬于焊接點中的雜質，融合在焊接縫部分潛藏極大的風險。焊接過程中使用的氫氣向著熱影響區域集中，導致焊接過程中氫氣對焊接材料的保護不能均衡實現，最終也很容易引發嚴重的焊接裂紋問題。氫氣引起的氫脆作用，會形成焊接裂紋隱患，即使在焊接工作完成后并沒有變現出來，經過一段時間，仍然會體現出這種裂紋問題。冷裂紋還與焊接后的養護工作相關，如果養護工作不能合理進行，導致溫度波動較大，同樣會引發焊接后的裂紋。熱裂紋與冷裂紋均為厚板鋼結構焊接中比較常見的兩種類型。

3.2 壓型裂紋

壓型裂紋產生的主要原因是由于碾壓受力不均衡導致，厚板鋼結構加工中，需要針對原材料進行碾壓，從而達到對材料所需要的厚度及形狀。原材料選擇與生產加工技術方法選擇中，都需要針對這種問題進行嚴格的控制。壓型裂紋造成的直接原因，是由于汽輪機自身結構限制（施工期間，也發生過材料問題而導致的裂紋，這在裂紋產生后進行探傷得出的結論，其中有橫向裂紋和縱向裂紋），導致面向鋼材所施加的碾壓力不能達到預期效果，受力不均衡造成厚板鋼結構的密度出現差異性。

在此原料基礎上開展的各項生產加工任務，自然容易產生裂紋隱患問題。厚板鋼材所處環境也是造成壓型裂紋的直接原因，使用中長期受外力影響，也將會造成這一嚴重問題。

4 厚板鋼結構焊接裂紋控制措施

4.1 焊接裂紋控制

針對厚板鋼結構焊接裂紋的幾種常見引發原因，焊接加工處理中，首先需要對鋼結構原材料焊接接頭部分的厚度，作出合理測量，二次驗證確保測量所得結果的準確性。實現無裂紋焊接處理，應根據得到的鋼材料厚度測量結果，進行焊接前的預加熱處理，加熱時間上達到厚度要求標準。預熱階段要注意溫度是由常溫逐漸升高的，避免忽然升高而導致原材料發生晶像組織轉變的問題。選擇的焊接技術方法，盡量減少氫的使用，焊接中使用低氫焊條E50或E55，如果是使用CO2為保護氣體的焊接，可以使用藥芯焊絲，這樣焊接過程中的保護效果更佳明顯。如果焊接過程中需要補焊，則應該在內部引弧，最大程度保護表層結構完整程度。焊接電弧電壓、焊絲、焊接電流都要根據施焊位置、工件厚度、焊絲直徑和熔滴過渡形式來選擇，電流的選擇要與電弧電壓恰好配合，對于不同位置要選擇不同的焊接方式，橫焊大多采用右向焊法，平焊多選擇左向焊法，立焊分為向上立焊和向下立焊，能清楚地看到焊縫和熔池，便于控制焊縫的成型。

焊接后環境溫度驟降也會造成冷裂紋產生，針對這一現象可以采用保溫技術來進行預防，保溫后在兩小時內緩慢降溫，這樣能夠有效避免溫度快速下降導致的焊接冷裂紋產生。焊接中盡量保證一次成型，如果需要二次修補焊接，在同一位置的反復施工修改次數不應該超過兩次。經探傷檢測裂紋深度，對于焊接中裂紋小于100mm的部分（裂紋深度滿足使用要求的），可以一次修補完成，如果焊接裂紋長度超過100mm（裂紋深度滿足使用要求的），則需要對其進行分段處理，確保可以達到最佳的焊接控制效果。焊接前期準備與焊接后的養護需要連續完成，避免中間出現時間間隔，除必要的等待時間，過多的時間間隔會造成焊接部位溫度變化不合理，預留隱患。

4.2 壓型裂紋控制

壓型裂紋的預防控制，需要從生產加工技術強化與使用環境優化兩部分完成，碾壓前對厚板鋼材放置位置進行確定，避免出現位置偏差的情況，對壓型設備的上、下胎進行合理選擇；對壓力設備進行調試，確保壓力均衡并且能夠達到加工需要的最低壓力；汽輪機壓型零件的厚度要與壓型設備進行互為考慮，確定是冷壓還是熱壓進行碾壓。壓型裂紋控制要從多角度進行，制作成能夠確保質量安全的焊接工件。

5 結語

隨著我國經濟、社會的不斷發展，鋼結構將會被越來越多的企業所應用，尤其是在船體、鋼結構行業迅猛發展的今天，鋼結構的前景必將無限光明。與此同時，鋼結構的施工質量問題也必將會得到更多人的關注，施工人員在行業的發展中要把握住先機，應切實有效的掌握先進的工藝方法，把握世界前沿的施工技術，在施工中要嚴格控制鋼結構的精度，防患于未然，密切關注，監督過程要從全局著眼，對施工工序嚴格把關，緊抓細節，達到前期預控、中期監督、收工階段達標的責任和義務。