建筑鋼結構焊接裂紋產生原因及防止措施探究

【摘要】在建筑行業(yè)快速發(fā)展的同時，由于鋼結構具有抗震性能好、建設周期短、節(jié)約能源、綠色環(huán)保等特點，更能夠滿足現代社會對建筑業(yè)的發(fā)展需求，因而逐步應用于建筑行業(yè)，并成為行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。本文在闡述建筑鋼結構焊接難點基礎上，分析了鋼結構焊接裂紋的產生及原因，提出了幾點應對措施，希望對我國建筑行業(yè)鋼結構應用與發(fā)展有借鑒作用。

【關鍵詞】鋼結構焊接；裂紋；原因；預防措施

近年來，隨著社會經濟的快速發(fā)展，我國建筑行業(yè)發(fā)展取得了顯著成果，行業(yè)競爭也日益加劇。鋼結構的應用，是對我國以鋼筋混凝土結構為主的建筑業(yè)的一次重大突破，對提高建筑工程質量具有非常重要的保障意義。但必須要注意的是，在建筑施工中，鋼結構焊接問題是影響項目質量的重要因素之一。

1、建筑鋼結構焊接要點分析

建筑鋼結構焊接具有以下三個特點：（1）各構件間連接節(jié)點由于形狀比較復雜、焊接密集，因此使得焊接接頭有較大的剛性約束，焊縫自由收縮的難度加大了，出現雙向與三向應力，從而使得焊接接頭存在出現裂紋與層狀撕裂潛在隱患。（2）從材質方面來講，鋼結構原材料以低合金高強度鋼材為主。、由于低合金高強度鋼材含有較高的合金元素，焊接性不好，鋼材極易出現淬硬，而且對裂紋與氫脆非常敏感，在焊接過程中極易造成延遲裂紋。（3）建筑施工現場的構件組焊工作，大都屬于高空焊接作業(yè)，操作難度比較大。

2、建筑鋼結構焊接裂紋判斷與產生機理分析

在建筑施工中，進行高空鋼結構焊接時，復雜鋼結構體系的熱裂紋、冷裂紋及厚板工程中存在的層狀撕裂，這三種裂紋是最容易出現的裂紋形式。

2.1熱裂紋判定及產生機理分析

（1）裂紋判定：在焊接結晶過程中，在較高溫度下出現的裂紋，稱之為熱裂紋。熱裂紋常見有兩種：結晶裂紋和液化裂紋。結晶裂紋是焊接熔池初次結晶過程中形成的裂紋，是焊縫金屬沿初次結晶晶界的開裂；而液化裂紋是緊靠熔合線的母材晶界被局部重熔，在收縮力的作用下產生的裂紋。（2）產生機理：結晶裂紋是在選用低合金高碳鋼結構時，當所選鋼材C、S、P含量較高時，在焊縫結晶過程中低熔點共晶體量較多，會在初次結晶的晶體之間形成晶間液膜，當熔池冷卻收縮時，被液體分割的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋：液化裂紋是焊接時母材晶體本身未發(fā)生熔化，而晶界的低熔點共晶物則已完全熔化。當焊接熔池冷卻時，焊縫應變速度較高，如果這些低熔點共晶物未完全重新凝固之前，接合區(qū)就已經受到較大應變，則在這些晶界上就會出現裂紋。

2.2冷裂紋判定及產生機理分析

（1）裂紋判定：冷裂紋一般是在焊縫冷卻過程中溫度降到馬氏體轉變溫度范圍內（300-200℃以下）產生的。可以在焊后立即出現，也可在焊后較長時間才出現，故也稱為延遲裂紋。一般在低、中合金鋼焊接區(qū)域位置比較常見。必須要注意的是，由于冷裂紋大多不是立即出現，而是經過一段時間后才會逐步出現，因此其安全隱患比較大。（2）產生機理：首先，在鋼結構焊接中，擴散氫的存在和濃集是引起冷裂紋的重要因素之一，在實際焊接中，氫溶解在焊縫金屬中，經過一段時間冷卻凝固后，氫溶解度不斷下降，使得氫無法向外溢出殘留在焊縫金屬中，造成氫飽和，形成一定的應力。從而產生裂紋。其次，焊接接頭拘束度對焊接冷裂紋也有一定的影響，它使得焊接接頭存在著較大的拉伸應力而引起冷裂紋。

2.3層狀撕裂判定及產生機理分析

（1）裂紋判定：在鋼結構焊接中，層狀撕裂主要包含兩種：一種是在鋼結構焊縫根部或腳趾處位置出現裂點，并以此為中心向四周擴展。另外一種就是焊接熱影響區(qū)分布，主要是指焊接中出現的收縮應力引起較強的拉伸，導致非金屬雜物不斷擴散而引起的。（2）產生機理：含S、P等雜質較高的鋼板內部存在條狀夾雜物，夾雜物本身強度低且與基體金屬的結合強度低，在焊接拘束應力，焊接殘余應力和載荷拉應力作用下就產生層狀撕裂。另外，焊接熱影響區(qū)的氫脆作用和應變時效脆化對層狀撕裂也起一定的促進作用。

3、建筑鋼結構焊接裂紋有效預防措施分析

3.1熱裂紋預防措施

（1）選用合格的鋼材和焊接材料，來降低易偏析元素和有害雜質的含量，特別是碳、硫、磷的含量。（2）采用堿性焊條和焊劑，以降低焊縫金屬中的雜質含量，改善結晶時的偏析程度。（3）采用合適的坡口形式，采用多層多道焊接方法，避免中心線偏析，可防止中心線裂紋。（4）采用合理的焊接順序和方向，采用較小的焊接線能量，收弧時填滿弧坑等工藝措施。

3.2冷裂紋預防措施

（1）選擇合理的焊接規(guī)范和線能量，改善焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài)，如焊前預熱、控制層間溫度、焊后采取措施緩冷等以加快氫分子逸出。（2）采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的擴散氫含量。（3）焊條和焊劑在使用前應嚴格按照規(guī)定的要求進行烘干，認真清理坡口和焊絲上的油污、水分和銹斑等臟物，以減少氫的來源。（4）提高鋼材質量，減少鋼材中的層狀夾雜物。（5）采取可降低焊接應力的各種工藝措施。

3.3層狀撕裂預防措施

層狀撕裂屬于內部低溫開裂，從表面來看很難發(fā)現，甚至采用無損檢測NDT技術，發(fā)現難度也比較大，就算及時發(fā)現，其修復難度也比較大，且修復成本比較高。因此層狀撕裂在鋼結構焊接中，屬于一種危險性大的缺陷。預防這種缺陷的措施：①設計選材，除了要滿足抗冷裂條件外，還要盡可能選擇抗層狀撕裂性好的Z向鋼材為主。②在結構節(jié)點設計中，要合理選擇接頭形式與坡口形狀，降低焊接接頭Z向拘束與焊接殘余等應力。在滿足受力基礎上，盡可能縮小焊接尺寸與焊縫截面面積，降低熱影響產生的脆化作用。⑧在焊接工藝選擇方面，對于預熱、加熱與層間控制等溫度要進行合理選擇，降低母材熱影響的脆化作用：確保焊接順序的合理性，嚴格控制焊接熱線能量，利用多層多道焊技術，使板厚拘束度與焊接殘余應力得到有效緩解。

結語：

綜上所述，在建筑鋼結構焊接中，不同裂紋其產生機理與影響因素不同，因此在實際施工中，要全面分析鋼結構焊接裂紋特點及因素，采取行之有效的裂紋預防措施，從根本上提高建筑鋼結構的工程質量，有效降低施工成本，促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。