建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防止措施探讨

李天旭

【摘要】随着我国的经济建设不断的发展，钢铁工业在社会建设构造上的作用显得尤为重要。焊接结构方面由原来的小型钢结构焊接变成了现在的大型、大容量的钢结构焊接，如果在这些焊接结构上发生意外事故，那么所造成的损失往往是灾难性的，必须十分重视。本文主要对钢结焊接产生的裂纹进行分析，针对产生裂纹的原因提出防止建筑钢结构焊接裂纹的具体措施与方法。

【关键词】建筑钢结构；焊接；裂纹；防治措施

引言

随着科学技术不断发展，科学技术不断提高，为了跟上社会的发展脚步，建筑钢结构得到了广泛的运用。目前我国的建筑钢结构的造型越来越新颖，空间结构也越来越复杂，所以在选择材料的时候对钢材料的要求也是很高的，但是这些要求很高的钢材料运用到实际工作中，会给钢结构焊接技术造成很大的难度，相应的焊接缺陷发生可能性就会增加。

1、钢结构焊接的难点

在钢材料的选材方面大多数采用的低合金高强钢作为材料，这类钢具有强度大，硬度大等特点，但是由于钢结构连接点之间形状复杂，焊缝密集，所以焊接接头的钢约束性大，使焊缝无法自由收缩[1]。加上在焊接的过程中由于操作不当产生就会双向力或者三向力，可能刚开始力的作用不大，但是在钢结构持续的焊接过程中，很多的力集中在一起，就会行成一个很强的力，增加了焊接接头产生裂纹、层状撕裂的可能性。另外低合金高强钢中的碳含量非常高，使钢的硬度非常大，焊接性能差，在焊接过程中很容易出现延迟性的裂纹，由于高空操作更加增强了焊接的难度。

2、裂纹的种类和产生原因

在建筑钢结构中焊接裂纹的产生通常會有三种形式，其中冷裂纹和热裂纹主要出现在复杂钢结构中，还有一种层状撕裂主要在厚板工程中出现。

2.1冷裂纹

冷裂纹一般是在焊接过程后的冷却过程中产生的，有些在焊接后很快就会出现，有的则要过一段时间才会出现。冷裂纹大多数为延迟裂纹主要发生在低合金高强钢的焊接热影响区，很少出现在焊缝上，由于冷裂纹不是焊后立即出现，而是经过一段时间的冷却之后才出现，所以这类裂纹出现后具有很大的隐蔽性。

冷裂纹出现的原因主要有三个因素（1）钢材淬硬倾向，低合金高强钢的淬硬倾向主要取决于钢材的化学成分、焊接工艺、冷却条件。钢材的淬硬倾向越大就越容易产生裂纹，由于焊接是一个加热--冷却的过程，对钢结构加热之后冷却就会使钢变得硬度高、脆性大，很容易产生裂纹。（2）焊接接头含氢量，在焊接的过程中大量的溶解于熔池中，焊接结束之后进入冷却的环节，氢就会极力的逸出，但是由于冷却速度较快有些氢不能很快的逸出而保留在金属中，是钢内部出现中空的现象，也会导致钢结构脆性很大。（3）焊接接头的拘束度，对钢结构进行焊接的过程中，接头处会产生无法避免的三种力：加热不均匀和冷却过程中产生的热应力；金属形变使产生的组织应力；钢结构自身的拘束条件所造成的应力。由于钢结构焊接加热--冷却的过程中改变了钢结构内部的分子排列，使金属存在潜在的裂源，然后再应力的作用下就会产生裂纹[2]。

2.2热裂纹

热裂纹是在焊缝结晶后温度较高时产生的，热裂纹主要出现在焊缝金属内，也有可能在焊接熔合线临近的热影响区组织内，沿着焊缝中心线分布。在发生热裂纹的时候可以清楚的看见金属表面有氧化后出现的颜色。

按照热裂纹产生的形态和温度区间不同可以将其分为：凝固裂纹、液化裂纹、多边化裂纹、失塑裂纹四种。（1）凝固裂纹，又称结晶裂纹，主要发生在焊接金属凝固后期的脆性温度之间。当焊缝金属结晶完成的，但是晶粒之间还存在着很薄的液相层，韧性很低，这个时候由于冷却不均匀收缩产生的拉伸变形超过金属所能承受的临界值，就会产生裂纹。（2）液化裂纹，金属材料的晶粒边界聚集较多的低熔点物质，经过加热使金属产生的化合物来不及扩散形成局部晶界，在焊接热影响下促使局部晶界液化导致裂纹产生。（3）多变化裂纹，由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使奥氏体结晶出现大量的错位，在一定温度和应力的影响下，就会形成多边形化晶界，当多边形化晶界与杂质区域重合的时候就会在拉伸应力的作用下产生裂纹。（4）失塑裂纹，又称高温低塑性裂纹，在焊接热影响区或者多层焊的前一道焊上，由于焊接热循环的影响，导致金属的塑性下降，就会在拉伸应力下沿着二次结晶晶界形成热裂纹[3]。

2.3层状撕裂

层状撕裂是短距离的横向高应力引起断裂的一种形式，层状撕裂基本上平行于金属制品的表面，通常发源于同一平面的条状金属夹杂物。层状撕裂一般不发生在焊缝上，只存在于母材金属的内部，在钢材的表面很难发现裂纹。

影响层状撕裂的主要原因与金属的冶炼有关，最主要的是非金属夹杂物的种类、数量情况。任何非金属杂质的形变能力都小于金属的形变能力，与金属进行结合后的强度也小于金属本身的强度，那么在拉伸力的作用下就很容易导致金属分离，从而发生层状撕裂。除了冶炼因素外，还有力学因素，凡是沿着板厚方向的产生的拉伸力都可能导致层状撕裂，如结构的拘束应力和焊接应力[4]。

3、建筑钢结构焊接裂纹的防治措施

3.1冷裂纹防治措施

低合金高强钢随着钢冶炼过程的含碳量增加其强度的也会增加，发生冷裂纹的几率也会增大，那么防治冷裂纹的具体措施有以下几点：（1）选材的时候尽量选择碱性焊条，减少焊缝金属中的含氢量、提高焊缝金属的塑性；（2）严格控制氢的来源，焊材要烘干，焊接接头处要保证无油、无锈、无水、无杂质；（3）焊前先预热、焊后减缓冷却速度，避免产生淬硬组织；（4）采用合理的工艺规范，降低焊后接应力，焊后热处理等；（5）焊后进行消氢处理，将焊接处加热到250摄氏度，保温2--6小时，使焊缝中的扩散氢逸出表面。

3.2热裂纹防治措施

钢结构的低合金高强钢一般含碳较低，具有较好的抗裂性能，正常情况下不会出现热裂纹，但是如果在母材中含杂质偏高或者焊接工艺不当也会产生热裂纹。产生热裂纹的具体措施有以下几点：（1）调整母材成分，细化晶粒，严格控制可以形成低熔点共晶的杂质元素量；（2）提高金属材在脆性温度区间的塑性，缩小脆性温度区间，从焊接构件和焊接工艺上尽量减少热裂纹出现的情况；（3）严格控制母材的杂质含量，是定合理的焊接工艺规范，选用合理的焊接材料，减少焊接热用；（4）加入可提高多边化激活的合计元素，使多边化晶界来不及形成，可以有效的避免多边化产生的裂纹；（5）精炼母材，减少有害杂质对钢结构带来的影响。

3.3层状撕裂防治措施

层状撕裂是一种内部低温开裂，防止层状撕裂的措施有：（1）选择较好的钢材；（2）合理选择接头形式和坡口形状；（3）在焊接工艺方面采用合理的焊接顺序，控制焊接线能量。

结语

由于各种裂纹产生的激励和影响因素各不同，因此在焊接过程中要具体分析建筑钢结构的焊接特点以及各方面的因素，采取适当的措施进行焊接，防止出现焊接裂纹，保证工程质量，降低再建成本，提高建设效率。

参考文献

[1]王建.焊缝结晶裂纹的危害及控制措施[J].铸造技术，2013，32（11）：162-164

[2]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M]机械工业出版社，2013

[3]戴为志.建筑钢结构焊接工程层状撕裂的产生机理及防止[J].焊接技术与研究，2014，8（36）：27-30

[4]元清，周晖，石永久.钢结构厚板层状撕裂及其防止措施的研究现状[J].建筑钢结构进展，2014，12（5）：26-34