H型鋼厚腹板工藝延遲裂紋原因分析

談群峰

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠，山東 濟南271104）

按型鋼的斷面形狀劃分，主要包括H型鋼、工字鋼、槽負、角鋼等多種類型，其中，以H型鋼為主的鋼結(jié)構(gòu)，塑性與柔韌性好、結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、整體穩(wěn)定性高，因此，成為各種大型鋼結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中首選的經(jīng)濟型斷面鋼材。但是，在H型鋼厚腹板的焊接工藝中，受到鋼材淬硬傾向、焊接接頭含氫量又及接頭拘束度等因素的影響，腹板工藝常常出現(xiàn)延遲裂紋，如果不及時采取有效的處理措施，將給鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與安全性造成嚴重影響。以某城市火車站候車大廳工程項目為例，該工程總用鋼量為2.3萬t，候車大廳主梁數(shù)量為5根，均用拱桁架予以支撐，次梁檁條以橫向排布的方式連接為整體結(jié)構(gòu)。最大跨度為115 m，高度為35 m，項目所用鋼材為S355英國標準，屈服強度值為355 MPa，型鋼腹板的厚度值介于60～140 mm之間。在焊接作業(yè)時，采用二氧化碳氣體保護焊。由于，候車大廳焊接位置較高，三角拱桁架弦桿截面尺寸較大，這就給焊接施工增加了難度[1]。

1 H型鋼腹板的力學(xué)性能

與其他類型的斷面鋼材相比，H型鋼經(jīng)濟性好、精度高、殘余應(yīng)力小，但是，在該項目施工之前，施工單位在對H型鋼腹板的力學(xué)性能進行測試試驗時，發(fā)現(xiàn)抽檢的樣品當(dāng)中型鋼腹板的力學(xué)性能不合格，抽檢結(jié)果顯示，腹板的抗拉強度與屈服強度較大，而延伸率偏低，冷彎時極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在測試腹板的拉伸率時，斷口處無明顯變形，無明顯縮頸現(xiàn)象，塑性變形不明顯，因此，可以判斷腹板斷口類型為脆性斷口。下面以規(guī)格為700 mm×300 mm×13 mm×24 mm的H型鋼為例，其腹板力學(xué)性能的平均值測試結(jié)果見表1。

表1 H型鋼腹板力學(xué)性能平均值統(tǒng)計表

2 厚腹板工藝產(chǎn)生延遲裂紋的原因分析

該候車大廳的鋼結(jié)構(gòu)工程所使用的H型鋼，腹板厚度在60～140 mm之間，由于腹板較厚，因此，焊接作業(yè)時，腹板工藝的位置極易出現(xiàn)焊接裂紋，其中近下翼緣的工藝位置較多，通過現(xiàn)場測定，工藝裂紋與腹板焊縫間的距離為5～20 mm，二者之間的夾角為45°裂紋的起始位置處在工藝圓弧中部，裂紋長度介于3～7 m之間。

通過技術(shù)人員對焊接工藝進行評定發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)所在的工藝位置均處于熱影響區(qū)，在探傷測試時，技術(shù)人員分別采用了兩種探傷方法，一種是超聲探傷法，另一種是磁粉探傷法，利用超聲探傷法并未發(fā)現(xiàn)工藝存在裂紋，而利用磁粉進行探傷時，發(fā)現(xiàn)工藝的位置存在在量的裂紋，由此可以得出測試結(jié)論：即該工藝也裂紋屬于近表面裂紋，另外，在對焊縫進行探傷測試時，焊接施工已經(jīng)結(jié)束16 h以上，因此，這種近表面裂紋可以認定為延遲冷裂紋。產(chǎn)生延遲冷裂紋的主要原因：H型鋼的淬硬傾向；焊接接頭的含氫量；焊接接頭的拘束度。

3 腹板焊接模擬試驗

為了確定產(chǎn)生延遲裂紋的原因，進而制訂有效的預(yù)防措施，技術(shù)人員選取1∶1比例的H型鋼試件進行焊接模擬試驗。選取的鋼試件的截面尺寸為1 500 mm×500 mm×100 mm×100 mm，模擬試驗時間選擇在焊接作業(yè)結(jié)束16 h以后進行，探傷方法主要采用超聲波無損探傷與磁粉探傷法，探傷結(jié)果為合格。

首先對H型鋼材試件的化學(xué)成分進行分析，鋼材當(dāng)中含有元素成分見表2。

表2 H型鋼材試件的化學(xué)成分 %

結(jié)合鋼材試件化學(xué)元素的質(zhì)量分數(shù)，可以利用數(shù)學(xué)計算公式（1）求解鋼材試件的可焊性。

通過計算結(jié)果可以看出，該工程使用的H型鋼材與標準要求相符。在焊接過程中，選用的焊絲為GMX-71Ni藥芯焊絲，而二氧化碳氣體保護焊本身屬于低氫焊接法，其擴散的氫含量在8 mL/100 g以下。

3.1 焊縫力學(xué)性能測試

選取H型鋼試件分別對試件的拉拔力學(xué)性能以及沖擊韌性進行測試。測試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 拉拔力學(xué)性能測試結(jié)果

表4 -20℃夏比沖擊測試結(jié)果

3.2 鋼材各部位宏觀金相

通過對鋼材試件各部位宏觀金相圖的觀測發(fā)現(xiàn)，母材區(qū)域比較粗糙的為鐵素體與珠光體，熱影響區(qū)除了粗糙的鐵素體與珠光體外還含有針狀鐵素體成分，因此，H型鋼具有較好的沖擊韌性與抗裂縫性能。而在焊縫區(qū)域，鐵素體與珠光體呈現(xiàn)出非連續(xù)性布置的情況，在觀察試件顯微組織時，也未發(fā)現(xiàn)脆性馬氏體的成份，這就足以證明該工程選用的H型鋼材沖擊韌性、抗裂紋性較好，而且也采用了正確的熱處理方式。

3.3 試驗結(jié)論

通過選取鋼材樣本試件進行焊接模擬試驗，能夠發(fā)現(xiàn)H型鋼材試件的在焊接之后，焊接工藝并未出現(xiàn)裂紋，這說明焊接效果較好，這樣就可以排除焊接工藝的影響因素。在焊接模擬時，與施工現(xiàn)場唯一不同的步驟：焊接模擬試驗解除了焊縫兩端的約束，其他步驟大體相同，而在施工過程中，厚腹板焊接的約束過大，由此可以判斷出，焊接接頭的約束作用是產(chǎn)生工藝延遲裂紋的主要原因。在約束力作用下，大部分應(yīng)力集中在工藝邊緣的位置，此時，氫在工藝邊緣處堆集，進而加快了裂紋產(chǎn)生的速度。而焊接工藝主要以二氧化碳氣體保護焊為主，這種工藝選用的藥芯焊絲完全屬于低氫工藝，因此，對焊縫的影響并不嚴重。另外，在《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》當(dāng)中，明確規(guī)定，H型鋼厚腹板在焊接施工時，不得使用對接焊縫的方法，對于焊接工藝與角焊縫之間留出的200~300 mm縫隙不進行焊接作業(yè)，這樣能夠有效避免焊縫相交的情況。

4 H型鋼厚腹板工藝延遲裂紋的預(yù)防措施

4.1 釋放殘余應(yīng)力

由于在施工現(xiàn)場需要對焊接過程進行熱處理，因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對熱處理全過程進行監(jiān)督，務(wù)必做到充分預(yù)熱，以防止溫度下降過快，使鋼材出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。在熱處理工藝結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)對焊接接縫進行保溫，保溫時間應(yīng)當(dāng)在2 h以上，這樣才能利用退火處理消除焊縫處的殘余應(yīng)力，使鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各組成部分能夠得到充分細分，確保氫充分析出。通過這種方法，能夠有效預(yù)防工藝也延遲裂縫的產(chǎn)生，同時，也能夠提高鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量[2]。

4.2 減少焊接接頭的約束度

由于焊接接頭約束度是產(chǎn)生工藝延遲裂縫的主要原因，因此，技術(shù)人員可以通過改變鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造來減少焊接接頭的約束度。首先將各個梁體的端頭預(yù)留出一段長度約為200 mm左右的角焊縫，然后安裝兩段工字梁，在焊接施工時，受力較大的翼緣板對接焊縫，同時，腹板對接焊縫，最后，對腹板與翼板的組合結(jié)構(gòu)焊接角焊縫。這種改變鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式的方法，給腹板收縮預(yù)留出足夠的空間，這就使焊接應(yīng)力大幅減少，在沒有應(yīng)力聚集的情況下，工藝延遲裂紋發(fā)生的幾率也將降到最低點。減少焊接接頭約束度措施如圖1所示。

圖1 減少焊接接頭約束度措施

5 結(jié)語

通過對H型鋼厚腹板進行焊接模擬實驗發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生工藝也延遲裂紋的原因有H型鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量以及焊接接頭的拘束度，其中，厚腹板焊接約束過大是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵，因此，在實際施工過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)以減少焊接接頭的約束度、減少接縫的殘余應(yīng)力為契合點，不斷優(yōu)化和焊接工藝，在確保鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的同時，為社會貢獻更多的優(yōu)質(zhì)工程。