建筑鋼結構焊接裂紋產生原因及防止措施探究

【摘要】在建筑行業快速發展的同時，由于鋼結構具有抗震性能好、建設周期短、節約能源、綠色環保等特點，更能夠滿足現代社會對建筑業的發展需求，因而逐步應用于建筑行業，并成為行業發展的趨勢之一。本文在闡述建筑鋼結構焊接難點基礎上，分析了鋼結構焊接裂紋的產生及原因，提出了幾點應對措施，希望對我國建筑行業鋼結構應用與發展有借鑒作用。

【關鍵詞】鋼結構焊接；裂紋；原因；預防措施

近年來，隨著社會經濟的快速發展，我國建筑行業發展取得了顯著成果，行業競爭也日益加劇。鋼結構的應用，是對我國以鋼筋混凝土結構為主的建筑業的一次重大突破，對提高建筑工程質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，鋼結構焊接問題是影響項目質量的重要因素之一。

1、建筑鋼結構焊接要點分析

建筑鋼結構焊接具有以下三個特點：（1）各構件間連接節點由于形狀比較復雜、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，出現雙向與三向應力，從而使得焊接接頭存在出現裂紋與層狀撕裂潛在隱患。（2）從材質方面來講，鋼結構原材料以低合金高強度鋼材為主。、由于低合金高強度鋼材含有較高的合金元素，焊接性不好，鋼材極易出現淬硬，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）建筑施工現場的構件組焊工作，大都屬于高空焊接作業，操作難度比較大。

2、建筑鋼結構焊接裂紋判斷與產生機理分析

在建筑施工中，進行高空鋼結構焊接時，復雜鋼結構體系的熱裂紋、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的裂紋形式。

2.1熱裂紋判定及產生機理分析

（1）裂紋判定：在焊接結晶過程中，在較高溫度下出現的裂紋，稱之為熱裂紋。熱裂紋常見有兩種：結晶裂紋和液化裂紋。結晶裂紋是焊接熔池初次結晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結晶晶界的開裂；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生的裂紋。（2）產生機理：結晶裂紋是在選用低合金高碳鋼結構時，當所選鋼材C、S、P含量較高時，在焊縫結晶過程中低熔點共晶體量較多，會在初次結晶的晶體之間形成晶間液膜，當熔池冷卻收縮時，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生熔化，而晶界的低熔點共晶物則已完全熔化。當焊接熔池冷卻時，焊縫應變速度較高，如果這些低熔點共晶物未完全重新凝固之前，接合區就已經受到較大應變，則在這些晶界上就會出現裂紋。

2.2冷裂紋判定及產生機理分析

（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變溫度范圍內（300-200℃以下）產生的。可以在焊后立即出現，也可在焊后較長時間才出現，故也稱為延遲裂紋。一般在低、中合金鋼焊接區域位置比較常見。必須要注意的是，由于冷裂紋大多不是立即出現，而是經過一段時間后才會逐步出現，因此其安全隱患比較大。（2）產生機理：首先，在鋼結構焊接中，擴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，形成一定的應力。從而產生裂紋。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力而引起冷裂紋。

2.3層狀撕裂判定及產生機理分析

（1）裂紋判定：在鋼結構焊接中，層狀撕裂主要包含兩種：一種是在鋼結構焊縫根部或腳趾處位置出現裂點，并以此為中心向四周擴展。另外一種就是焊接熱影響區分布，主要是指焊接中出現的收縮應力引起較強的拉伸，導致非金屬雜物不斷擴散而引起的。（2）產生機理：含S、P等雜質較高的鋼板內部存在條狀夾雜物，夾雜物本身強度低且與基體金屬的結合強度低，在焊接拘束應力，焊接殘余應力和載荷拉應力作用下就產生層狀撕裂。另外，焊接熱影響區的氫脆作用和應變時效脆化對層狀撕裂也起一定的促進作用。

3、建筑鋼結構焊接裂紋有效預防措施分析

3.1熱裂紋預防措施

（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含量，改善結晶時的偏析程度。（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冷裂紋預防措施

（1）選擇合理的焊接規范和線能量，改善焊縫及熱影響區組織狀態，如焊前預熱、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，以降低焊縫中的擴散氫含量。（3）焊條和焊劑在使用前應嚴格按照規定的要求進行烘干，認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）提高鋼材質量，減少鋼材中的層狀夾雜物。（5）采取可降低焊接應力的各種工藝措施。

3.3層狀撕裂預防措施

層狀撕裂屬于內部低溫開裂，從表面來看很難發現，甚至采用無損檢測NDT技術，發現難度也比較大，就算及時發現，其修復難度也比較大，且修復成本比較高。因此層狀撕裂在鋼結構焊接中，屬于一種危險性大的缺陷。預防這種缺陷的措施：①設計選材，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在結構節點設計中，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力。在滿足受力基礎上，盡可能縮小焊接尺寸與焊縫截面面積，降低熱影響產生的脆化作用。⑧在焊接工藝選擇方面，對于預熱、加熱與層間控制等溫度要進行合理選擇，降低母材熱影響的脆化作用：確保焊接順序的合理性，嚴格控制焊接熱線能量，利用多層多道焊技術，使板厚拘束度與焊接殘余應力得到有效緩解。

結語：

綜上所述，在建筑鋼結構焊接中，不同裂紋其產生機理與影響因素不同，因此在實際施工中，要全面分析鋼結構焊接裂紋特點及因素，采取行之有效的裂紋預防措施，從根本上提高建筑鋼結構的工程質量，有效降低施工成本，促進企業可持續發展。