鋼結構焊接裂紋、變形的原因及預防處理措施

武云飛

(陜西省建筑科學研究院  710082  西安)

    鋼結構工件一般外形尺寸較大、形狀多樣、焊縫多、焊接位置不對稱，所以在加工過程中會出現多種問題，如局部變形和焊接裂紋等，進而影響產品的質量。

    鋼結構焊接過程中產生的焊接裂紋分為熱裂紋和冷裂紋兩種。

    熱裂紋指高溫下所產生的裂紋，又稱高溫裂紋或結晶裂紋，通常產生在焊縫內部，有時也可能出現在熱影響區，表現形式有：縱向裂紋、橫向裂紋、根部裂紋、弧坑裂紋和熱影響區裂紋。其產生原因是由于焊接熔池在結晶過程中存在偏析現象，低熔點共晶和雜質在結晶過程中以液態間層形式存在從而形成偏析，凝固以后強度也較低。當焊接應力足夠大時，就會將液態間層或剛凝固不久的固態金屬拉開，形成裂紋。此外，如果母材的晶界上也存在有低熔點共晶和雜質，當焊接拉應力足夠大時，也會被拉開。總之，熱裂紋的產生是冶金因素和力學因素共同作用的結果。針對其產生原因，其預防措施如下：

    限制母材及焊接材料（包括焊條、焊絲、焊劑和保護氣體）中易偏析元素和有害雜質的含量，特別應控制硫、磷的含量和降低含碳量，一般用于焊接的鋼材中硫的含量不應大于0.045%，磷的含量不應大于0.055%，鋼材含碳量越大，焊接性能越差，一般焊縫中碳含量控制在0.10%以下時，熱裂紋敏感性可大大降低。二是調整焊縫金屬的化學成分，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，以提高塑性，減少或分散偏析程度，控制低熔點共晶的有害影響。三是采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的雜質含量，改善結晶時的偏析程度。適當提高焊縫的形狀系數，采用多層多道焊接方法，避免中心線偏析，也可防止中心線裂紋。另外在操作時采用合理的焊接順序和方向，采用較小的焊接電流，整體預熱和錘擊法，收弧時填滿弧坑等工藝措施，也能預防熱裂紋的產生。

    冷裂紋一般是指焊縫在冷卻過程中溫度降到馬氏體轉變溫度范圍內（300℃~200℃），由于氫元素（主要是空氣中的水分，污物中的含氫有機物）滲入導致氫脆，產生的裂紋。可以在焊接后立即出現，也可以在焊接后的較長時間才發生，故也稱為延遲裂紋。其形成的基本條件有3個：焊接接頭形成淬硬組織，擴散氫的存在和濃集；存在著較大的焊接拉伸應力。

    冷裂紋的預防措施主要有:一是選擇合理的焊接規范和電流,改善焊縫及熱影響區組織狀態,如焊前預熱、控制層間溫度、焊后緩冷或后熱等以加快氫分子逸出。二是采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的擴散氧含量。三是焊條和焊劑在使用前應嚴格按照規定的要求進行烘干（低氫焊條300℃~350℃保溫1小時，酸性焊條100℃~150℃保溫1小時，焊劑200℃~250℃保溫2小時），認真清理坡口和焊絲，去除油污、水分和銹斑等臟物，以減少氫的來源。四是焊后及時進行熱處理。一種是進行退火處理，以消除內應力，使淬火組織回火，改善其韌性，二是進行消氫處理，使氫從焊接接頭中充分逸出。

    鋼結構焊接中常出現的另一問題是局部變形，局部變形產生原因有很多，如工件的剛性小或不均勻，焊后收縮，變形不一致；或工件本身焊縫布置不均，導致收縮不均勻，焊縫多的部位收縮大、變形也大。另外，加工人員操作不當，沒有對稱分層、分段、間斷施焊，焊接電流、速度、方向不一致，都會造成加工工件變形的不一致。焊接時“咬肉”過大，會引起焊接應力集中和過量變形，而焊接時工件放置不平，應力集中釋放時也會引起變形。

    焊接局部變形的預防措施，在程序控制方面，一是設計時盡量使工件各部分剛度和焊縫均勻布置，對稱設置焊縫，減少交叉和密集焊縫。二是要制定合理的焊接順序，以減少變形。如先焊主焊縫后焊次要焊縫，先焊對稱部位的焊縫后焊非對稱焊縫，先焊收縮量大的焊縫后焊收縮量小的焊縫，先焊對接焊縫后焊角焊縫。對尺寸大焊縫多的工件，采用分段分層間斷施焊，并控制電流、速度、方向一致。手工焊接較長焊縫時，應采用分段進行間斷焊接法，由工件的中間向兩頭退焊，焊接時應對稱分散布置，避免由于熱量集中引起變形。大型工件如形狀不對稱，應將小部件組焊矯正變形后，再進行裝配焊接，以減少整體變形。在作業實施中，工件焊接時應經常翻動，使變形互相抵消。對于焊后易產生角變形的零部件，應在焊前進行預變形處理，如鋼板V型坡口對接，在焊接前應將接口適當墊高，這樣可使焊后變平。另外，還可通過外焊加固件，增大工件的剛性來限制焊接變形，這時，加固件的位置應設在收縮應力的反面。

    對已經變形的工件，如變形不大，可采用火烤矯正。如變形較大，采用邊烤邊用千斤頂頂的方法矯正。除此之外，選材上提高鋼材質量，減少鋼材中的層狀夾雜物，工藝上采取可降低焊接應力的各種措施，也都是必要的。

(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)