建筑鋼結構焊接裂紋的產生機理及防治措施

徐錦華

（陜西開放大學，陜西 西安 710119）

隨著我國社會經濟的不斷蓬勃發展，社會各行業的橫向縱向的深度聯動影響，建筑行業也逐漸一步一步得到了質的發展。各建筑施工企業為提高企業的核心競爭力，達到綜合收益價值的最大利益化，往往會進一步提升相關技術和把控工程質量。經過我們對行業市場的調查與分析，我們發現建筑鋼結構的焊接雖然會因優化材料、技術更新等因素而質量提高，但是有些裂紋問題仍然存在。本文將對建筑鋼結構焊接的這三類裂紋特征與產生機理進行概括總結，提出實現建筑鋼結構焊接裂紋的有效防治具體措施，以期為我國的建筑鋼結構焊接領域的發展提供一點建議。

1 建筑鋼結構的焊接重難點

建筑鋼結構指主要由鋼制材料組成的建筑施工結構，主要由鋼梁、鋼柱、鋼桁架等附件構架組成，各構件或部件之間通常采用焊縫、螺栓進行連接。就現階段鋼結構的發展來看，建筑鋼結構的焊接重難點有：

（1）鋼結構構件連接節點構造復雜，焊接接頭形式多、板厚大、焊縫密集，導致焊接接頭剛性約束大，焊縫自由收縮困難，焊接接頭產生裂紋、層狀撕裂的可能性隨之提高[1]。

（2）在材質方面，施工企業多采用低合金高強鋼作為原材料，低合金高強鋼的碳含量較高，焊接性較差，鋼材淬硬傾向大，焊縫容易出現延遲裂紋。

（3）現場安裝受不同工種交叉作業和高空操作等因素影響，安裝難度較大。

2 裂紋的判定條件及產生機理

在建筑鋼結構在實施具體的焊接過程中，一般根據實際產生機制的不同將出現的裂紋分為：建筑鋼結構體系中的熱裂紋、冷裂紋和厚板工程中的層狀撕裂。

2.1 熱裂紋的判定和產生機理

低合金高強鋼中除含碳量較高，通常還含有一些S、P雜質，S、P雜質的含量值在正常含量區域內的話一般不對焊接質量產生直接影響，但是如果S、P雜質含量超過正常標準就會在焊接縫處冷凝凝結成低熔點結晶物，這些結晶物在后期的施工過程中聚集受壓縮用力被擠至焊接縫處且呈現有規律的縱向分布的液體薄膜狀態。受空氣遇冷凝固收縮的作用影響，焊縫處作業后處于高溫狀態，此時結晶聚集產生的液體薄膜被應力撕裂，產生裂紋，同時出現可視的氧化色彩。

2.2 冷裂紋

2.2.1 冷裂紋的判定特征

冷裂紋與熱裂紋相反，冷裂紋出現的溫度一般處于焊縫在焊接施工冷卻過程中鋼材溫度降到馬氏體轉變溫度范圍內（300℃～200℃以下），出現的時期一般在焊接過程的后期，也有時會在焊接過程中出現。與熱裂紋即時出現相對，對于這種焊接后不立即出現的裂紋叫做延遲裂紋即冷裂紋。一般出現在低、中合金鋼焊接區域，因其具有的時間順移特點而具有一定的隱匿性和延續性，需要較長時間的觀察和檢測才能發現。

2.2.2 冷裂紋的產生機理

一般來說，冷裂紋形成的影響因子一般有以下幾點：焊接過程中產生、擴散并濃集的氫氣；焊接接頭形成的易開裂的鋼組織結構形式；發力作用在焊接接頭上的拉應力。前人已有研究證明，產生冷裂紋的原因主要是在于焊接接頭的含氫量濃度。通常氫的來源有多種途徑，如焊條中的有機物、結晶產生的液體薄膜及焊接坡口附近的水分、油污等。在焊接的實際施工過程中，大量的氫會進行飽和溶解，在焊接后期的冷卻凝固過程中，氫的溶解度隨時間的推移逐漸下降，導致氫分子沒有及時被排出焊接接頭處，被桎梏在鋼材質從而進一步使氫的在焊接縫隙中處于飽和狀態，氫氣逐漸濃集對鋼結構冷裂紋的產生埋下潛伏因子。

同時焊接接頭的拘束度也會導致焊接冷裂紋的產生，通常情況下，鋼結構進行焊接作業時，要防止進行焊接作業時產生的不均勻加熱現象和焊接作業結束后鋼材冷卻過程中產生的熱應力，鋼材金屬變化產生的一些結構上的組織應力等這些拘束應力產生。另外，當選用的母材的含碳量高于合格標準、冷卻速度過快、焊接應控制區域硬化，也會導致裂紋的產生[2-5]。

2.3 層狀撕裂

2.3.1 層狀撕裂的判定特征

層狀撕裂是建筑鋼結構鋼材產生的一種內部的低溫開裂現象，是在焊接構件中沿鋼板軋層形成的呈階梯狀即“臺階”式層狀的一種裂紋。一般來說，層狀撕裂敏感溫度區間居于400℃以下，沿熱影響區附近出現穿晶或沿晶并進行作用。一般產生在T字型、K字型厚板的角焊焊接頭處。

根據層狀撕裂產生的位置大體可以分為三類：

（1）在焊接熱影響區受焊根冷裂紋誘發而形成的層狀撕裂。

（2）受焊縫遇冷空氣進行收縮效應而造成較強的拉伸應力影響，從而在焊接熱影響區非金屬夾雜物分布處沿焊接縫擴展產生層狀撕裂。

（3）在遠離熱影響區母材的區域沿焊接縫夾雜開裂，一般多出現在有較多MnS的片狀夾雜的厚板結構中。

2.3.2 層狀撕裂的產生機理

層狀撕裂的主要原因是建筑鋼結構鋼材內部本身存在沿軋制方向的一定數量的非金屬夾雜物（如硫化物、硅酸鹽等），在焊接作業進行軋制的過程中被碾軋成帶狀后發生脆化作用，從而使金屬材料在板厚方向的金屬塑性變形能力降低，出現階梯狀裂紋，產生層狀撕裂現象。

另外還受焊接時產生的垂直于金屬材料厚度方向的拉應力影響。當鋼材的厚壁焊接結構承受了不同方向和作用的Z向拘束應力、焊后的殘余應力，就會形成合力作用，對受力部分產生不均勻的向導反應，從而產生層狀撕裂。

3 建筑鋼結構焊接裂紋的解決途徑

3.1 熱裂紋的防治措施

第一，要限制鋼結構焊縫的化學成分，盡可能將S、P的含量控制在符合標準的數值范圍內，從而降低焊縫的含碳量，改善鋼材含碳量和含錳量的配比。第二，采用向焊縫金屬加變質劑，調整焊縫金屬化學成分，要改變焊縫組織狀態，在焊縫中爭取形成金屬疊加的雙向組織，細化焊縫品粒，使低熔點共晶不能集中分布,從而減少熱裂紋的傾向。第三，要擴大焊縫寬度與深度的比例，通過焊接的鋼材碳含量配比超過0.04%時，將會出現碳化物，所需的鋼結構材料量越多，鋼的耐蝕性越低，脆性將大幅度增加。選擇合理的焊接順序和焊接方向。第四，要采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的雜質含攝，改善結晶時的偏析程度。

3.2 冷裂紋的防治措施

冷裂紋又稱作延遲裂紋，這種裂紋通常產生在焊接作業進行時或焊接作業結束后一段時間。我們知道，碳鋼低合金鋼焊接產生延遲裂紋的三要素是擴散氫、淬硬組織和拘束度。因此要防止冷裂紋的產生，主要有以下幾點措施：

（1）由于冷卻速度的不均勻變化，晶格畸變會產生脆硬馬氏體組織。施工企業應根據相關的規定要求進行焊前預熱及焊后熱處理，降低冷卻速度，保持焊接時工件上的熱量，延緩冷裂紋的出現時間。

（2）選用低氫或超低氫或其他焊接材料，使用堿性焊條或焊劑，焊條和焊劑在使用前焊接技術施工人員應嚴格按照相關的標準和規定要求進行烘干。在使用時，要認真清理坡口和焊絲，打磨清理表面雜物，擦干去除油污、水分和銹斑等水跡臟污，另外在使用時、使用后注意保管，以增加抗裂性能。

（3）采取可降低焊接應力的各種工藝措施，選擇正確的焊接方向和焊接順序，及時對焊接接頭的預熱、散熱溫度進行確定（常用兩種標準方法：EN1011和AWS D1.1），減少氫含量擴散和聚集，保證焊接熱輸入和焊接后的自由收縮度，降低金屬型變的內應力。

3.3 層狀撕裂的防治措施

層狀撕裂是一種內部的低溫開裂，屬于冷裂紋的一種特殊形式。進行焊接作業施工后再鋼結構表面不易發現，因此在鋼結構焊接中層狀撕裂危險性較大，要防止層狀撕裂需從以下幾點考慮：

（1）在根據設計圖紙進行設計實地選材時，施工人員除要在保證材料質量的基礎上，充分考慮滿足一定的抗冷裂條件外，還要盡量選擇抗層狀撕裂性能好的Z向鋼材。

（2）切實提高鋼板質量，減少鋼材中層狀夾雜物的含量配比。

（3）優化建筑鋼結構的結構設計，提高焊接工藝水平，以減少板厚方向的焊接拉伸應力，防止層狀撕裂。

（4）在對厚板進行焊接作業前，進行板材的超聲波和坡口滲透檢查，核驗分層夾雜物的情況，若出現超過合格標準的層狀夾雜物，要事先進行相關修補打磨處理。

需要注意的是，由于在建筑鋼結構的施工作業中，層狀撕裂的影響很大，它直接關系到建筑鋼結構的整體施工質量，甚至對鋼結構建筑工程的經濟效益產生直接關聯效應。因此需要在施工之前，要求相關施工人員對鋼材層狀撕裂的敏感性作出直接、準確、可靠的實效性判斷。

3.4 嚴格焊接的質量驗收工作

在實施建筑鋼結構的焊接作業期間，施工監理部門在堅持國家和行業的相關質檢要求和規定的要求下，要利用科學合理的質檢措施以及嚴格的質量控制手段，發揮監理部門的職能，對建筑鋼結構的焊接施工質量進行多角度、全范圍的質量審核。在焊接結束后，施工企業的監理專業人員應當加強對鋼結構焊件的質量檢查工作，這樣能夠在第一時間內避免焊后開裂的情況，減少冷裂紋等的出現。當出現裂紋時，要及時分析其中存在的問題，修改焊接方案，實施補焊等挽救措施。在焊接的時候也應當加強質量控制，施工企業單位要進一步確保施工人員嚴格地按照焊接相關的工藝流程進行操作，確保焊接的規范性。

3.5 加大培訓施工人員安全意識和專業素質的力度

施工技術人員作為建筑鋼結構的焊接工程中的施工主體，其個人的世界觀、技術能力和綜合素質都會對給建筑項目工程的質量造成一定的影響。要加大培訓施工人員安全意識和專業素質的力度，施工單位和相關部門必須針對焊接作業施工前期發現及預測的一系列可能出現的問題，及時聚集施工人員開展一系列的專業操作教育和專業培訓工作。在實際施工期間，施工人員需要持續地接受系統全面的專業教育和素質培訓，盡可能做到經過專業示范操作演示及相關審核測試過關后再進入施工現場開展作業。焊接人員應當充分掌握各種類型裂紋產生的具體原因，強化自身的專業素質和安全技術認知，在焊接的過程中，能夠采取恰當的防治措施，要在選擇合適的焊接電流的基礎上，對各項工藝進行校正、控制好焊接參數，根據所選擇的焊接材料選擇恰當的施工工藝，從而減少裂紋的出現。還要通過對建筑鋼結構的裂紋問題的實際解決案例進行分類講解，直接地向他們展示合理、正確的施工操作流程及各類儀器附件設備的使用方法[6]。

4 結語

裂紋通常有熱裂紋、冷裂紋和厚板工程中的層狀撕裂之分。施工現場中各種裂紋的產生機制和影響因素都不相同，因此，在具體的工程施工過程中，施工人員應綜合分析建筑鋼結構焊接特點及產生焊接裂紋的各方面因素，采取適當措施對焊接裂紋進行有效防治，以保證建筑鋼結構工程質量、降低生產和養護成本、提高生產效率，真正實現建筑項目綜合效益的最大化。同時促進建筑鋼結構焊接施工質量的提升，為城市的發展提供堅實有力支持。