关于钢结构焊接裂纹产生原因及预防措施探究
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摘要：本文主要论述了钢结构焊接过程产生的焊接裂纹的种类以及形成原因后,提出了预防焊接裂纹出现的措施。焊接裂纹是常见的钢结构焊接缺陷之一,焊接裂纹的存在可能导致严重的工程事故。
关键词：钢结构；焊接；冷裂纹；热裂纹；层间撕裂
前言
随着国民经济的快速发展，钢结构工程在建设中所占比重越来越大。焊接是钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。但在焊接施工中一些焊接缺陷问题却普遍存在，其中焊接裂纹是其中危害最大而且是最普遍的一种，焊接裂纹按照产生机理可分为冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂四大类。
一、冷裂纹分析
1、原因分析
形成冷裂纹的三大因素是：钢材的淬硬组织、焊接接头的含氢量和焊接接头的拘束应力。
①焊接接头形成淬硬组织。因为钢种化学成分和偏析的原因，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高(达1 350℃~1 400℃)，使奥氏体晶粒发生严重长大，而当冷却速度较快时，粗大的奥氏体将转变为马氏体脆硬组织，这个马氏体脆硬组织具有脆硬的特性即强度高而塑性差、抗裂性能低。而且，脆硬区会形成更多的空位和位错的晶格缺陷，在应力作用下会发生移动和聚集，遂形成裂缝源。
②含氢量的影响。氢是引起高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并且有延迟特征。在焊接过程中，由于电弧的高温作用，焊接金属中熔解了很多氢，冷却时，氢会进行扩散逸出，除向焊缝表面逸出外还向母材热影响区扩散。钢板金属内部是有微观缺陷的，扩散氢会向这些缺陷处聚集，使这个部位的扩散氢浓度很快升高，当氢的浓度达到一定时，一方面产生较大的应力，另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当应力进一步加大时，促使缺陷扩展而形成裂纹，这种过程可周而复始断续进行，视氢的含量逸出和内部的能量而定，焊接延迟裂纹就是由许多单个微裂纹集合而形成的宏观裂纹。
③拘束应力的影响。裂缝是一种力学行为，而由焊接产生的拘束应力是产生裂纹的必备条件如：一是不均匀加热及冷却过程中产生的热应力;二是金属相变时产生的组织应力，焊接热循环造成的金相组织变化带来的应力： 三是结构自身拘束条件所造成的应力，包括结构的刚度大小，自重，负载以及焊缝位置和焊接顺序。
2、预防措施
针对冷裂纹产生的三大因素，防止冷裂纹产生的措施如下：
①材料因素。选用低氢或超低氢型焊条、焊剂，并严格按照规定烘焙和管理使用，以严格控制氢的来源，尽量降低氢进入焊缝的程度。对某些脆硬倾向大的合金钢焊接，利用奥氏体塑性好，抗裂性强的特点选用奥氏体焊接材料。可选用作为低氢的焊接工艺C02气体保护焊以获得低氢含量的焊缝。
②工艺因素。焊前严格清理焊接坡口，不得有油污、水、铁锈等杂质。正确的焊接工艺应当是防止冷裂纹的重要手段，特别是适当的选择预热、后热和焊后热处理工艺都能有效地防止或降低冷裂纹倾向。焊前预热可有效地防止冷裂纹，可根据钢板的碳当量以及焊接结构的具体务件选择适当的预热温度，层间温度。后热，焊后热处理都能使扩散氢逸出，在一定程度上能消除、降低焊后残余应力的影响，对一些脆硬倾向较大的钢还能韧化热影响区和焊接组织，在工程上对某些刚度较大的焊接结构专门进行“消氢处理”“消除应力热处理”，作为一种有效的手段广泛应用，其目的就是去氢，降低拘束应力。确定焊接线能量，线能量过大引起近缝区晶粒粗大，线能量过小会使热影响区脆硬，也不利于氢的逸出，所以对不同的钢种、结构刚度应选用其适当的焊接线能量并严格控制。
二、热裂纹分析
1、原因分析
结晶裂纹较多地发生在碳钢，低、中合金钢，奥氏体钢，铝及镍基合金中，所以现将结晶裂纹作为热裂纹的典型进行分析。结晶裂纹形成的原因：以认为焊缝是凝固了的焊接熔池，熔池金属冷却凝固过程也是晶核生长和长大的过程。当熔池金属开始结晶时，总是从近熔合线处母材的晶粒表面开始形成晶核，并以柱状形态由熔池周边向焊缝中心长大。先结晶的金属较纯而后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，随着焊接金属不断地凝固结晶，低熔点共晶被不断长大的柱状晶排挤到他们相交的中间部位。低熔点共晶因其熔点较低仍然以液态形式存在，我们称之“液态薄膜”。这样，液态薄膜便成了焊缝中最薄弱区，当受到拉伸应变时即产生开裂。
2、预防措施
①材料因素。控制焊缝中硫、磷等有害金属的含量。硫、磷不仅能形成低熔点共晶物，还会促使偏析，增大了结晶裂纹的敏感性。硫和铁形成的硫化铁熔点只有988℃。对钢板焊接材料的硫、磷含量必须严格控制，一般应小于0.03%~0.04%，当焊接高合金钢时，要求硫、磷含量必须控制在0.03%以下。 碳在钢中是影响结晶裂纹的重要因素，过多的碳能加剧硫、磷在晶界的富集从而增加结晶裂纹倾向。
②工艺措施。用工艺方法防止结晶裂纹的产生主要以改善焊接时的应力状态。试验证明：熔深较浅的对接焊缝(成形系数大)，比熔深大而熔宽小(成形系数小)的焊缝抗裂性好。因为成形系数小的焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是低熔点共晶杂质富集区，所以易于起裂，特别是厚板对接焊时，应采用小电流多层焊法。在大型结构焊接时注意焊接次序，在条件许可时尽量采用对称焊以分散应力，总的原则是尽量地使大多数焊缝在较小刚度的条件下完成焊接，使焊缝受力较小。特别是焊接刚性大的焊接构件时，应采取预热、保持层间温度、焊后缓冷措施。以减小焊接应力。
三、再热裂纹分析
1、原因分析
有些重要构件需要消除残余应力，而高温回火是目前最常用的消应力方法。在构件回火或高温长期工作中产生的裂纹称为再热裂纹。再热裂纹产生的原因主要有两个：(1)过饱和固熔的碳化物再次加热时析出，造成晶内强化。(2)焊接残余应力在局部有应力集中。
2、预防措施
①选材时应注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素，尤其是钒的含量。必须采用高钒钢材时，焊接及热处理时要特别加以注意。
②热处理时避开再热敏感区，可减少再热裂纹产生的可能性，必要时热处理前做热处理工艺试验。
③尽量减少残余应力和应力集中，减少余高、消除咬边、未焊透等缺陷，必要时将余高和焊趾打磨圆滑;合理预热和焊后热处理，延长后热时间，降低残余应力。
④适当的线能量，防止热影响区过热，晶粒粗大。
四、层状撕裂分析
1、原因分析
层状撕裂只可能发生在基材内，而且当它出现在接近焊缝的焊脚位置时，往往正好位于热影响区边缘，并且不会延伸至钢板表面。层状撕裂表面往往是纤维状的，并且具有阶梯形的纵向断面，纵向的尺寸往往数倍于横向尺寸，加上它发生在热影响区外，这些特征可以容易地将它与发生在热影响区内的由于氢引起的断裂区分开。一般厚钢板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大。
2、预防措施
①材料因素。提高钢板质量，减少钢材中层状夹杂物，严格控制钢材的含硫量。进行板材的超声波和坡口渗透探伤，检查分层夹杂物情况，如有层状夹杂物存在，可设法避开或事先修、磨处理。选择屈服强度低的焊条。只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。
②工艺因素。选择合理的节点连接形式。改进节点连接形式以减小局部区域内由于焊缝收缩而引起的应力集中或避免使钢板在板垂直方向受拉。例如：将贯通板端部延伸一定长度，有防止启裂的效果，改变焊缝布置以改变焊缝收缩应力方向，将垂直贯通板改为水平贯通板，变更焊缝位置，使接头总的受力方向与轧层平行，可大大改善抗层状撕裂性能;改变坡口位置以改变应变方向。