Q345 H型鋼焊接開裂原因分析

蘇會德

（萊蕪鋼鐵集團有限公司工程部，山東萊蕪271104）

經驗交流

Q345 H型鋼焊接開裂原因分析

蘇會德

（萊蕪鋼鐵集團有限公司工程部，山東萊蕪271104）

材質為Q345的熱軋型鋼在焊接過程中出現了開裂，導致了構件的報廢。從焊縫組織成分、焊縫內應力、定位焊縫焊腳尺寸3個方面進行了分析，確認施焊過程中定位焊縫位置選擇不正確、焊腳尺寸過小造成焊縫內部嚴重質量缺陷，從而導致焊縫開裂。

H型鋼；焊接；開裂；焊縫位置

1 前言

在某工程施工過程中，材質為Q345的熱軋H型鋼（規格400×400×13×21）鋼柱在焊接過程中出現了嚴重的焊接開裂，致使多件構件報廢。根據現場實際情況分析，首先排除了焊材、母材因素對產生裂紋的影響，然后從引起焊縫開裂的焊縫金屬的組織成分、焊接完成后焊縫內應力、定位焊縫焊腳尺寸3個方面進行分析。分析得出，在H型鋼焊接過程中，由于定位焊縫位置選擇不正確、焊腳尺寸過小，造成焊接完成后焊縫內部產生嚴重的質量缺陷，從而導致了焊縫開裂。

2 H型鋼焊接開裂原因分析

2.1 H型鋼焊接開裂情況

在H型鋼的焊接制作現場檢查發現，在H型鋼其翼緣板與連接板焊接時，出現焊接開裂現象。裂紋出現在連接板端部封口焊部位，并從焊縫表面開始貫穿焊縫，一直延伸到翼緣板中部，致使構件報廢。現場已焊接完成的H型鋼鋼柱共16架，其中4架出現了上述開裂現象。檢查正在點焊組裝的H型鋼鋼柱，發現連接板已經點焊固定完畢，在其組裝過程中，焊接人員把定位焊縫選定在連接板端部封口焊部位，即把端部封口焊縫作為定位焊縫，且點焊固定的定位焊縫焊腳尺寸明顯不足。

現場檢查發現，現場焊接的H型鋼，有廠家提供的性能檢測實驗的合格證。焊接H型鋼的焊條采用E5015焊條，現場配備烘焙箱、恒溫箱；焊條的烘焙記錄顯示，烘焙溫度350～400℃，烘焙時間1 h。施工現場人員配備焊條保溫筒，現場焊材的配備和使用符合規范要求。通過對現場母材、焊材及焊材加熱保溫情況分析，基本可以排除母材、焊材導致焊縫開裂。

2.2 焊腳尺寸大小與組織成分

焊縫的鋼類型劃分。H型鋼的材質為Q345，屬于低合金鋼，碳含量＜0.2%；焊條E5015屬于碳鋼通用焊條，碳含量為≤0.12%，因此焊接形成的焊縫組織成分屬于亞共析鋼［1］。

焊縫冷卻過程中的組織成分變化可以結合亞共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線進行簡單分析［1］：當焊縫冷卻時，鐵素體析出線以前，焊縫金屬是以穩定的奧氏體相存在；隨著溫度降低，焊縫冷卻線先是穿過鐵素體析出線，焊縫中過冷奧氏體共析出少量鐵素體；隨著溫度繼續降低，焊縫冷卻線穿過過冷奧氏體轉變開始線，焊縫組織開始生成珠光體；溫度繼續降低，焊縫冷卻線穿出過冷奧氏體轉變開始線，焊縫組織重又回到奧氏體穩定狀態；溫度再繼續降低，焊縫冷卻線穿過Ms線，焊縫中的過冷奧氏體開始析出馬氏體；當溫度降低至Mf以下時，相變結束，不再有馬氏體析出，焊縫組織保持穩定狀態。

從以上分析可以看出，當焊縫快速冷卻到達室溫狀態時，焊縫組織中產生一定量的馬氏體，冷卻時間越短，產生的馬氏體組織越多；當焊縫冷卻時間短到不穿過過冷奧氏體開始線時，焊縫中的組織就只有大量馬氏體和部分過飽合的奧氏體組織；相反，如果冷卻時間長到可以穿過過冷奧氏體轉變結束線時，過冷奧氏體將轉化為珠光體，焊縫可以得到良好的組織成分。

金屬的焊接過程是焊接化學冶金過程，在焊縫熔池中，發生著一系列的冶金化學反應。熔池體積小，而周圍又被冷金屬包圍，所以它的冷卻速度較快。由以上對亞共析鋼焊縫冷卻過程中冷卻速度對組織成分影響的分析可知，在H型鋼焊接過程中，由于定位焊縫焊腳尺寸過小，輸入的焊接線能量過低，造成焊縫冷卻速度過快，焊縫中過冷奧氏體由于處于不穩定狀態，冷卻時產生淬硬傾向而分解生成馬氏體。馬氏體組織是一種脆硬的組織，發生斷裂時消耗的能量較低，裂紋易于形成和擴展，由此造成了焊縫的開裂。

2.3 焊縫內部應力

在連接板的焊接過程中，連接板與翼緣板的縱向角焊縫冷卻過程中縱向縮收，產生很大的收縮力，由于定位焊縫所處的端部封口位置是構件幾何形狀、外形尺寸發生突變的位置，連接板焊接過程中產生拉力，將會在此位置形成很大的應力集中。

定位焊縫的最大承載拉力與所受拉力比較。

1）定位焊縫的最大可承載的拉力計算。現場實際測量，開裂部位的定位焊縫的焊腳尺寸不足3mm，由于受翼緣板厚度的限制，焊縫長度最多不超過板的厚度21mm，以焊縫焊腳尺寸3mm、焊縫長度21mm計算焊縫的有效承載面積為44.1mm2。以Q345鋼的抗拉強度490 MPa計算，定位焊縫最大可承載拉力為2.16×104N。

2）翼緣板與連接板角焊縫收縮產生的拉力計算。根據設計要求，翼緣板與連接板的縱焊縫為焊腳為12mm的角焊縫，其有效受力面積是其焊縫斷面的截面積。由于焊縫為兩面角焊縫，計算可得144mm2，焊縫收縮產生的拉應力為7.06×104N。

由上述計算可看出，定位焊縫能夠承載的最大拉力為2.16×104N，小于它實際要承受的縱向角焊縫對它施加的7.06×104N拉力，因此，焊接過程中極易造成此處定位焊縫的開裂。

3 解決措施

1）改變定位焊縫的位置。鋼結構焊接規范BG 50661-2011規定，定位焊縫不能焊接在端部封口的厚度方向上。在H型鋼組裝過程中，連接板進行定位時，恰恰選在端部厚度方向的封口焊位置。因此，在H型鋼的定位組裝過程中，要改變定位焊縫的位置，把定位焊縫選在翼緣板與連接板的縱向角焊縫方向上，避免把端部封口焊縫作為定位焊縫。

2）改變焊縫的施焊順序。組裝定位完成后進行焊接時，先焊接連接板與翼緣板的縱向角焊縫，再焊接端部的封口焊縫。先焊接縱向角焊縫時，由于端部封口位置焊縫還沒有焊接，縱向角焊縫焊接時處于自由狀態，縱焊縫受力狀態良好；最后焊接端部封口焊縫時，由于縱向角焊縫焊接過程中的縱向收縮已經完成，封口焊縫不再承受因縱焊縫收縮對它施加的拉力，受力狀態得到極大改善。

3）焊接過程要嚴格按規范和設計要求進行施焊。一是定位焊縫焊接時，要嚴格遵守國家相關規范規定，定位焊縫的長度應≥40mm，且焊腳尺寸最小不得＜3mm（有的規范規定為最大不超過主焊縫焊高的2/3）。二是端部封口焊縫焊接時，一定要滿足設計要求的焊腳尺寸。大的焊腳尺寸增大了焊接時的線能量輸入，降低了焊縫冷卻速度，有利于改善焊縫組織成分，提高焊縫的強度。

4 結語

根據以上分析可知，由于焊接過程中，連接板的定位焊縫焊腳尺寸不足，造成定位焊縫焊接時，輸入線能量小，焊縫冷卻速度快，形成淬硬的馬氏體組織；定位焊縫設置在封口焊位置，造成連接板焊接過程中，定位焊縫的承載能力不足以承載縱向角焊縫產生的收縮力，定位焊縫中淬硬的馬氏體組織在應力集中作用下，產生開裂。由于裂紋的延展性，在熱軋H型鋼本身固有內應力的作用下，使裂紋向翼緣板中部延伸，最終造成構件的報廢。

因此，在此H型鋼與連接板焊接過程中，必須改變定位焊縫位置。構件進行組裝時，定位焊縫選擇在連接板與翼緣板縱向的主焊縫部位。在主焊縫焊接完成后，再進行端部的封口焊接。同時定位焊縫的焊接一定要嚴格按規范要求進行，要保證焊縫的長度和高度，確保定位焊縫的強度能夠承載主焊縫焊接時產生的收縮力。

［1］王建安.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，1980.

［2］周振豐.焊接冶金學［M］.北京：機械工業出版社，2006.

CauseAnalysison Welding Cracksof Q345Hot-Rolled H-beamSteel

SU Huide
（The Engineering Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

Cracks duringthe welding of Q345 Hot-rolled H-beam steel resulted inthe failure of components.Themicrostructure and chemical composition ofthe weld,themagnitude ofthe internal stress ofthe weld andthe fillet weld size ofthetack weld are analyzed inthis paper.Throughthe analysis,consideredthatthe wrong location oftack weld andthetoo small fillet weld size ofthe weld during welding arethe essential cause of cracks.

H-beam steel;welding;cracks;welding location

TG457.11

B

1004-4620（2014）02-0068-02

2014-02-26

蘇會德，男，1969年生，1993年畢業于山東工業大學焊接工藝及設備專業，碩士。現為萊鋼工程部高級工程師，從事焊接技術工作。