建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋產(chǎn)生原因及防止措施探究

文/胡剛 江蘇萬年達(dá)杭蕭鋼構(gòu)有限公司 江蘇連云港 222500

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋產(chǎn)生原因及防止措施探究

文/胡剛 江蘇萬年達(dá)杭蕭鋼構(gòu)有限公司 江蘇連云港 222500

在建筑行業(yè)快速發(fā)展的同時，由于鋼結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、建設(shè)周期短、節(jié)約能源、綠色環(huán)保等特點，更能夠滿足現(xiàn)代社會對建筑業(yè)的發(fā)展需求，因而逐步應(yīng)用于建筑行業(yè)，并成為行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。本文在闡述建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接難點基礎(chǔ)上，分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的產(chǎn)生及原因，提出了幾點應(yīng)對措施，希望對我國建筑行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展有借鑒作用。

鋼結(jié)構(gòu)焊接；裂紋；原因；預(yù)防措施

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國建筑行業(yè)發(fā)展取得了顯著成果，行業(yè)競爭也日益加劇。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，是對我國以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑業(yè)的一次重大突破，對提高建筑工程質(zhì)量具有非常重要的保障意義。但必須要注意的是，在建筑施工中，鋼結(jié)構(gòu)焊接問題是影響項目質(zhì)量的重要因素之一。

1、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接要點分析

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接具有以下三個特點：（1）各構(gòu)件間連接節(jié)點由于形狀比較復(fù)雜、焊接密集，因此使得焊接接頭有較大的剛性約束，焊縫自由收縮的難度加大了，出現(xiàn)雙向與三向應(yīng)力，從而使得焊接接頭存在出現(xiàn)裂紋與層狀撕裂潛在隱患[1]。（2）從材質(zhì)方面來講，鋼結(jié)構(gòu)原材料以低合金高強(qiáng)度鋼材為主。、由于低合金高強(qiáng)度鋼材含有較高的合金元素，焊接性不好，鋼材極易出現(xiàn)淬硬，而且對裂紋與氫脆非常敏感，在焊接過程中極易造成延遲裂紋。（3）建筑施工現(xiàn)場的構(gòu)件組焊工作，大都屬于高空焊接作業(yè)，操作難度比較大。

2、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋判斷與產(chǎn)生機(jī)理分析

在建筑施工中，進(jìn)行高空鋼結(jié)構(gòu)焊接時，復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系的熱裂紋、冷裂紋及厚板工程中存在的層狀撕裂，這三種裂紋是最容易出現(xiàn)的裂紋形式。

2.1 熱裂紋判定及產(chǎn)生機(jī)理分析

（1）裂紋判定：在焊接結(jié)晶過程中，在較高溫度下出現(xiàn)的裂紋，稱之為熱裂紋。熱裂紋常見有兩種：結(jié)晶裂紋和液化裂紋。結(jié)晶裂紋是焊接熔池初次結(jié)晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結(jié)晶晶界的開裂；而液化裂紋是緊靠熔合線的母材晶界被局部重熔，在收縮力的作用下產(chǎn)生的裂紋。（2）產(chǎn)生機(jī)理：結(jié)晶裂紋是在選用低合金高碳鋼結(jié)構(gòu)時，當(dāng)所選鋼材C、S、P含量較高時，在焊縫結(jié)晶過程中低熔點共晶體量較多，會在初次結(jié)晶的晶體之間形成晶間液膜，當(dāng)熔池冷卻收縮時，被液體分割的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋；液化裂紋是焊接時母材晶體本身未發(fā)生熔化，而晶界的低熔點共晶物則已完全熔化。當(dāng)焊接熔池冷卻時，焊縫應(yīng)變速度較高，如果這些低熔點共晶物未完全重新凝固之前，接合區(qū)就已經(jīng)受到較大應(yīng)變，則在這些晶界上就會出現(xiàn)裂紋。

2.2 冷裂紋判定及產(chǎn)生機(jī)理分析

（1）裂紋判定：冷裂紋一般是在焊縫冷卻過程中溫度降到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)（300-200℃以下）產(chǎn)生的。可以在焊后立即出現(xiàn)，也可在焊后較長時間才出現(xiàn)，故也稱為延遲裂紋。一般在低、中合金鋼焊接區(qū)域位置比較常見。必須要注意的是，由于冷裂紋大多不是立即出現(xiàn)，而是經(jīng)過一段時間后才會逐步出現(xiàn)，因此其安全隱患比較大。（2）產(chǎn)生機(jī)理：首先，在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，擴(kuò)散氫的存在和濃集是引起冷裂紋的重要因素之一，在實際焊接中，氫溶解在焊縫金屬中，經(jīng)過一段時間冷卻凝固后，氫溶解度不斷下降，使得氫無法向外溢出殘留在焊縫金屬中，造成氫飽和，形成一定的應(yīng)力[2]。從而產(chǎn)生裂紋。其次，焊接接頭拘束度對焊接冷裂紋也有一定的影響，它使得焊接接頭存在著較大的拉伸應(yīng)力而引起冷裂紋。

2.3 層狀撕裂判定及產(chǎn)生機(jī)理分析

（1）裂紋判定：在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，層狀撕裂主要包含兩種：一種是在鋼結(jié)構(gòu)焊縫根部或腳趾處位置出現(xiàn)裂點，并以此為中心向四周擴(kuò)展。另外一種就是焊接熱影響區(qū)分布，主要是指焊接中出現(xiàn)的收縮應(yīng)力引起較強(qiáng)的拉伸，導(dǎo)致非金屬雜物不斷擴(kuò)散而引起的。（2）產(chǎn)生機(jī)理：含S、P等雜質(zhì)較高的鋼板內(nèi)部存在條狀夾雜物，夾雜物本身強(qiáng)度低且與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度低，在焊接拘束應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力和載荷拉應(yīng)力作用下就產(chǎn)生層狀撕裂。另外，焊接熱影響區(qū)的氫脆作用和應(yīng)變時效脆化對層狀撕裂也起一定的促進(jìn)作用。

3、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋有效預(yù)防措施分析

3.1 熱裂紋預(yù)防措施

（1）選用合格的鋼材和焊接材料，來降低易偏析元素和有害雜質(zhì)的含量，特別是碳、硫、磷的含量。(2)采用堿性焊條和焊劑，以降低焊縫金屬中的雜質(zhì)含量，改善結(jié)晶時的偏析程度。（3）采用合適的坡口形式，采用多層多道焊接方法，避免中心線偏析，可防止中心線裂紋。（4）采用合理的焊接順序和方向，采用較小的焊接線能量，收弧時填滿弧坑等工藝措施。

3.2 冷裂紋預(yù)防措施

（1）選擇合理的焊接規(guī)范和線能量，改善焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài)，如焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后采取措施緩冷等以加快氫分子逸出。（2）采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的擴(kuò)散氫含量。（3）焊條和焊劑在使用前應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的要求進(jìn)行烘干，認(rèn)真清理坡口和焊絲上的油污、水分和銹斑等臟物，以減少氫的來源。（4）提高鋼材質(zhì)量，減少鋼材中的層狀夾雜物。（5）采取可降低焊接應(yīng)力的各種工藝措施。

3.3 層狀撕裂預(yù)防措施

層狀撕裂屬于內(nèi)部低溫開裂，從表面來看很難發(fā)現(xiàn)，甚至采用無損檢測NDT技術(shù)，發(fā)現(xiàn)難度也比較大，就算及時發(fā)現(xiàn)，其修復(fù)難度也比較大，且修復(fù)成本比較高。因此層狀撕裂在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，屬于一種危險性大的缺陷[3]。預(yù)防這種缺陷的措施：①設(shè)計選材，除了要滿足抗冷裂條件外，還要盡可能選擇抗層狀撕裂性好的Z向鋼材為主。②在結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計中，要合理選擇接頭形式與坡口形狀，降低焊接接頭Z向拘束與焊接殘余等應(yīng)力。在滿足受力基礎(chǔ)上，盡可能縮小焊接尺寸與焊縫截面面積，降低熱影響產(chǎn)生的脆化作用。③在焊接工藝選擇方面，對于預(yù)熱、加熱與層間控制等溫度要進(jìn)行合理選擇，降低母材熱影響的脆化作用；確保焊接順序的合理性，嚴(yán)格控制焊接熱線能量，利用多層多道焊技術(shù)，使板厚拘束度與焊接殘余應(yīng)力得到有效緩解。

結(jié)語：

綜上所述，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中，不同裂紋其產(chǎn)生機(jī)理與影響因素不同，因此在實際施工中，要全面分析鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋特點及因素，采取行之有效的裂紋預(yù)防措施，從根本上提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量，有效降低施工成本，促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

[1]劉志輝.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋產(chǎn)生原因及防止措施探究[J].建材與裝飾,2016,09:55-56.

[2]胡美玉.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及防治措施[J].四川水泥,2016,08:284.

[3]李雪峰.我國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2015,08:67.