焊接裂纹形成的原因及解决方法

浅谈焊接裂纹形成的原因及解决方法
[摘要]某厂h型钢焊接加工过程中出现裂纹。

根据裂纹的特点，从工艺焊接线能量、拘束应力、缺口敏感、焊前预热、焊接施工环境、焊后处理等方面分析裂纹产生的原因，提出了解决h型钢焊接过程中防止裂纹的工艺措施，控制热输入量，焊前、焊后处理，改善焊接环境等。

经过以上工艺改进后进行焊接，焊接质量良好，取得了较好的效果，为同类h型钢钢结构施工提供有益的借鉴。

[关键词]h型钢；焊接工艺；焊接裂纹；
中图分类号：td353.5 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）11-0265-01
h型钢具有强度高、重量轻、塑性和韧性好，施工速度快（结构预制）、便于拆装等特点，且工业化程度高，可以成批大件生产。

近年来，h型钢在船舶及建筑钢结构工程，如行车车梁、重载设备的承重梁等关键部位中使用趋于普遍。

某工厂在承接一批h型钢制作中经磁粉探伤检验，发现在产品端部有较多的裂纹磁痕。

本文分析研究了h型钢焊缝开裂的形成原因，并采取有效的施工措施，防止裂纹的产生，对保证工程质量具有重要的现实意义。

1、焊接裂纹的特点
以10～80mm翼板的h型钢为例，角焊缝设计为未焊透角焊缝，焊接采用埋弧自动焊，翼板厚度大于30mm时先进行预热工艺处理。

在对h型钢端部进行磁粉探伤时，翼板厚度为18～30mm的h型钢端头裂纹居多，翼板厚度小于18mm或大于30mm翼板的h型钢发现
裂纹较少，裂纹发生几率为整个产品的50% ～60%。

裂纹磁痕特征如下；
（1）裂纹磁痕均发生在角焊缝端头焊缝的根部。

一般是以焊缝根部的一端为起点，向角焊缝表面或母材方向延伸，与焊缝根部成135°～170°的夹角。

（2）裂纹磁痕长度一般在3～10mm，最长的穿透整个角焊缝。

（3）形成的裂纹磁痕，特征为浓密而清晰，呈直线型，起始部分较粗，尾部较细。

一般不呈弯曲状，大都为直线型，去除磁粉后，用肉眼或放大镜看见裂纹，裂纹内部呈金属光泽，一般深度为1～3mm。

（4）裂纹磁痕呈撕裂状，一般在h型钢的同侧同一条角焊缝边缘发生。

2、焊接裂纹成因分析
焊接裂纹是钢结构工程中最严重而又十分普遍的质量缺陷。

裂纹的产生是多种因素造成的，需从母材、结构、焊接、环境、人员素质等方面进行综合分析。

焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，会产生纵向和横向焊接残余应力，在低碳钢和低合金钢中这种应力经常达到钢材的屈服强度。

另外，焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，于是在焊缝中部产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力。

按产生的时间不同，可分为热裂纹和冷裂纹，前者是在焊接时产生的，后者是焊缝冷却过程中或冷却后产生的。

冷裂纹大多数具有一定的延时性即是一种延迟裂纹，一般是在有载
荷的使用过程中产生的，裂纹发生前有一段潜伏期，比较隐蔽，不易被发现。

初期是裂纹的扩展，后来发生脆性断裂，因此危害性很大。

（1）焊接线能量对冷裂纹形成的影响。

线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，降低接头的抗裂性能；而线能量过小，则会降低冷却时间（从800℃到500℃的冷却时间和由峰值温度冷至100℃的时间），使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而也增加冷裂倾向。

（2）拘束应力对冷裂纹形成的影响。

当h型钢焊接产生的拘束应力增大到超过临界拘束应力σcr时，就开始产生裂纹。

拘束应力主要包括不均匀加热及冷却过程所产生的热应力，金属相变（奥氏体与铁素体、珠光体、马氏体之间的转变）时产生的组织应力。

相对于相变时体积变化形成的应力，结构自身拘束所造成的应力更具破坏性。

这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重和负载以及其他受热部位冷却过程中的收缩使焊接接头所承受的应力。

（3）缺口敏感，焊缝端头存在未焊透或截面突然变化而形成的应力集中。

由于h型钢翼板和腹板的设计焊缝为未焊透焊缝，在焊缝根部容易出现尖角，会有缺口敏感，容易出现应力集中。

（4）焊接时未进行预热。

当板厚较大，焊接时未进行焊前预热和焊后缓冷，低合金钢焊接时允许的最低环境温度为10℃。

现场环境温度低（最低达8～12℃），材料淬硬倾向增大。

由于焊后未进行保
温，焊缝金属冷却速度很快，使焊缝更容易出现淬硬。

同时，因为没有进行焊后消除应力热处理，导致焊缝区残余应力很大，焊缝区的最大残余应力达400mpa，已达到材料的屈服极限。

在这样的残余应力作用下焊缝金属产生塑性变形，当变形量超过材料的极限时产生裂纹。

3、防止裂纹的措施
（1）控制焊接线能量。

焊接时，严格按照工艺规范，控制好埋弧焊焊接时电弧电压、焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度等。

（2）减少焊接时拘束力。

焊接时，应减少结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重和负载，以及其他受热部位冷却过程中的收缩使焊接接头所承受的应力，减少结构的拘束力，使焊缝能自由收缩。

（3）减少缺口敏感性。

h型钢腹板要开坡口，两端长度至少为200mm，坡口角度为45°～50°，两端的引弧板、熄弧板，尺寸规格大于150mm。

（4）焊前预热，焊后热处理。

局部预热的范围，一般是焊缝两侧各100～200mm，预热温度控制在100～150℃[1]；最好采用履带式加热器或专用火焰加热器进行预热，并严格地进行温度控制。

焊接完成后，可用石棉保温缓冷，使焊件降低冷却速度，延长冷却时间。

这样不但可以使氢充分逸出，还可以在一定程度上降低残余应力，降低材料的淬硬性。

选用合适的后热温度可弥补预热温度的不足，降低预热温度。

后热温度不能过高，需低于材料的脆性温度，一般
为200～250℃。

（5）改善焊接条件。

焊接前应将坡口及附近的铁锈、油污和火焰切割后割口表面的氧化物等清理干净[2]。

焊接的环境要稳定，焊接件尽量在车间内焊接，避免露天作业，以及在低温、潮湿的环境中焊接。

严格按照规程保管和使用焊接材料，焊丝要清洁、无锈、无水蒸汽、焊剂需进行烘干处理，避免焊缝中氢的富集。

4、结语
采取以上措施，主要是改进工艺，对新制作h型钢的焊接质量进行了全面检查，焊缝外观质量得到了很大提高，同时未发现焊缝表面裂纹缺陷和焊缝内部超标缺陷。

经过数天的放置之后再次进行检查，也未发现延迟裂纹出现。

因此，通过以上的工艺改进，可以得出，只要在焊前制定合理的焊接工艺，控制焊缝中的氢含量，降低拘束应力等措施运用得当，焊接裂纹是完全可以避免的。

参考文献
[1]凌云志.船用eh36钢厚板焊接工艺探讨[ j].造船技术，2004，（6）：32-33.
[2]林木松.船用高强度钢ah32的焊接质量控制[ j].机电技术，2006，（3）： 54-56.。