碳鋼焊接裂紋產生的原因及預防措施

孫大偉 朱漢超 王紀賓

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

據不完全數據顯示鋼結構發生事故，有47%的原因都是焊接裂紋所導致。想要有效的預防焊接裂紋的產生，必須要對焊接過程中所采取的焊接工藝和焊接前的準備有充分的保障。

1 裂紋形成特征

通過對多個焊接構件的觀察分析得出，出現裂紋的主要部位，位于焊接第一道垂直于焊縫魚鱗波紋的焊縫結晶匯合處，這一匯合處出現裂紋的主要部位是焊縫的頂端和焊縫的尾端。這一裂紋在焊接的過程中非常容易出現，這是因為由液體轉變為固體的過程中，固體表面受到氧化和受熱所形成的熱裂紋[1]。

2 焊接裂紋產生的原因

2.1 工件材質影響

不同的工件材質在焊接的過程中，所表現出來的物理和化學特質是不同的。不同的焊接材料本身的構造也不同，通常來講廉價的焊接材料本身含有的碳元素較多、雜質較多，在焊接的過程中非常容易受到溫度突然增加而導致內部雜質的燃燒，燃燒后的固體殘余物會滯留在焊縫處，最終會影響到焊接結果。隨著工業的不斷發展，現階段的鋼結構不斷朝著體量大，硬度高的方向發展，為了滿足鋼結構的這一特性，在焊接的過程中大量的使用合金材料。合金材料的硬度非常高，這一點是毋庸置疑的，但焊接材料內部的合金元素越多也就代表著這一材料本身的脆性越強，在焊接完成之后，受到外部的擠壓或撞擊等物理因素都容易導致鋼結構本身出現裂紋的現象。此外焊接母材料本身如果存在較多的褶皺，重皮或分層現象，則會加劇裂紋產生的可能性，并且一旦發生裂紋之后，另外本身會隨著這部分母材料的缺陷延伸方向而不斷延伸。

2.2 工件結構的影響

上文中所說，現階段所使用的焊接材料通常是以合金材料為主，這部分材料的硬度非常強，在焊接的過程中，由于焊接材料內部受熱，引起擠壓和粘合，材料外部受力，必然會將這部分力轉變為內應力，影響到材料內部最終導致出現裂紋。現實生活中焊接結構不科學所導致的壓力容器出現裂紋，最終引起壓力容器爆炸的現象屢見不鮮。這一事故產生的主要原因是錯邊和角變形所導致，集中表現為焊接部位所受外部影響力過大，轉變為內應力相應增加，內應力無處釋放，在運轉的過程中受到外部因素影響而導致事故的發生[2]。

2.3 焊接規范性影響

焊接過程的規范性也會影響鋼結構是否會產生裂紋，這是因為在焊接的過程中大多是使用通電電流，電流所經過的地方升溫非常快，焊接之后，為了保障焊接工業通常會使用急劇冷卻的方式對焊接部位進行冷處理，然而在處理的過程中，如果所使用的處理方式不恰當，很容易導致焊接處的內應力無處釋放，最終導致裂紋的產生。焊接工藝是現階段鋼結構所使用的最為廣泛的一種工藝，這是因為焊接工藝的操作相對簡單，并且受場地影響較小，施工方便，但是焊接工藝本身所固有的缺陷也必然將會帶入到焊接完成之后的壓力容器之中。例如在焊接過程中受到焊接工藝影響所出現的裂紋，未融合、未焊透或者氣孔等現象往往會帶入到鋼結構之中，迫使鋼結構降低使用性能。

2.4 焊接接頭處拉伸殘余應力影響

如上文中所述，焊接過程中，焊接處所受外部影響力過大，焊接材料會將這部分外部影響力轉變為內部應力，如果在焊接完成之后未使用焊接熱處理等方式，對這部分殘余用力進行消除，這部分殘余應力必然會對內部構建產生影響。如果焊接之后，滯留在設備上的殘余應力過高，并且在使用過程中所受到外部較大的沖擊力，壓力容器本身所使用的合金材料脆性強，在這部分外力的多重打擊之下，非常容易出現裂紋等現象[3]。

3 預防措施

3.1 做好焊接前的準備

焊接前務必要對焊接材料做好充分的清理準備，將焊接材料表面所攜帶的灰塵，鐵銹等因素予以全部剔除。焊接前還應該使用正確的預熱溫度和預熱范圍，因為適當的用熱溫度，可以讓焊接材料提前適應焊接強度，并且在焊接完成之后適當的預熱也可以有效的增加焊接處的冷卻速度。不同焊接材料的預熱溫度也應有所不同，具體的預熱溫度應由焊接工藝和焊接材料雙重因素來判斷。通常來講，預熱范圍應該是邊坡口兩側的三倍左右。當外部環境較低時預熱的溫度應適當提升。并且在預熱的過程中不能出現停頓，應對焊接處整段材料進行預熱，切記出現分段預熱處理。

3.2 選擇合適的焊接材料

不同的焊接材料，在焊接結束之后所取得的焊接效果是不一樣的，現階段使用最廣泛的焊接材料是E5016焊條，這些焊條對于外部金元素的適應能力相對較強，并且對于能夠很好的處理焊接過程中所產生的大量碳元素[4]。

3.3 制定合理的焊接工藝

焊接工藝對于焊接結果的影響是非常大的，尤其體現在對于焊縫的處理方面。例如選擇合適的刨道坡口可有效的提升焊接質量。此外還應合理的選擇焊接順序，通過使用合理的焊接順序，可有效控制整個焊接過程的收縮與膨脹，可將焊接過程中所產生的殘余應力進行有效消除。焊接電流，對焊接工藝也會產生一定影響，焊接的過程中應進行整段焊接，盡量避免分段焊接。當然迫不得已的時候需要中斷焊接過程，則需要對已經焊接的部分實施熱處理，通過保溫的方式來防止焊接部位出現裂縫。

3.4 改進現有的操作方式

直線形運條方式會使熔池窄而深，終端收弧突然，形成凹陷弧坑，這是產生裂縫的因素。因此，應改直線形運條為鋸齒形或月牙形運條，提高熔池的寬度，加強焊縫強度。收弧要慢并回運一段，以填平終端弧坑。

4 結語

綜上所述，碳鋼焊接裂紋的產生，對于整個鋼結構本身會造成非常惡劣的影響，可以說是鋼結構本身所面臨的最為危險的一種威脅方式。裂紋的產生不僅會導致鋼結構報廢甚至會出現鋼結構爆炸等現象，會直接影響到人們的生命和財產安全。