钢结构裂纹成因分析及防范措施

钢结构裂纹成因分析及防范措施

作者：董雪梅

来源：《装饰装修天地》2015年第06期

摘要：焊接裂纹是钢结构制作过程中危害最大的缺陷，一旦发现必须进行返修焊接。下面结合工程实践，对钢结构制作过程中裂纹产生的原因及防治措施进行简要分析。根据工程实践经验，对钢结构裂纹产生的内在原因和外在原因进行了分析，提出了有针对性的解决措施，取得了较好的效果。

关键词：钢结构；裂纹；安装；防治措施

前言

焊接裂纹是钢结构制作过程中经常发生且危害较大的质量通病。近儿年来，安钢集团120T转炉及150T转炉一1780mm热连轧主厂房均为钢结构，厂房柱子为焊接H型钢，公辅外网管道为卷焊管，总制作量多达一万多吨，在初期制作过程中，不时发现焊接裂纹，如某分公司管道制作过程中出现纵向裂纹，降低焊接接头的承载能力，最终导致焊接结构的破坏，缩短结构寿命，间接延误工程工期，增加工程施工成本。

一、热裂纹

热裂纹是指高温下产生的裂纹，义称高温裂纹或结晶裂纹.通常产生在焊缝内部，有时也可能出现在热影响区表现形式有：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹和热影响区裂纹。其产生原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态问层形式存在从而形成偏析，凝固以后强度较低，当焊接应力足够大时就会将液态间层或刚凝同不久的固态金属拉开形成裂纹。此外如果母材的晶界上存在低熔点共晶和杂质，当焊接拉应力足够大时，会被拉开形成裂纹。总之，热裂纹的产生是冶金冈素和力学因素共同作用的结果。

二、冷裂纹

冷裂纹是焊缝在冷却过程中温度降到马氏体转变温度范围内（300℃以下）产生的，可在焊接后立即出现，也可在焊接后较长时间发生，也称延迟裂纹。其形成的基本条件是焊接接头形成淬硬组织，扩散氢的存在和浓集存在着较大的焊接拉伸应力。其预防措施主要有：选择合理的焊接和线能量，改善焊缝及热影响区组织状态。如焊前预热、控制层间温度、焊后缓冷或后热等以加快氢分子逸出：采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的扩散氢含量：焊条和焊剂在使用前应严格按照规定的要求进行烘干（低氢焊条300～350～C保温1h，酸性焊条100—

15O℃保温1h，焊剂200～250～C保温2h）；认真清理坡1：3和焊丝，去除油污、水分和锈斑等脏物。

三、再热裂纹

再热裂纹起源于焊接热影区的粗晶区具有晶界断裂的特征，大多发生在应力集中部位，一般在焊缝区域再次受到加热时才会形成。其产生原因一般认为是再加热时，在第一次热过程中过饱和固溶的碳化物再次析出，造成晶内强化使滑移应变集中于原先的奥氏体晶界，当晶界的塑性应变能力不足以承受松弛应力过程中所产生的应变时，就会形成再热裂纹。其预防措施主要有：减小残余应力和应力集中，如提高预热温度、焊后缓冷、使焊缝与母材平滑过度等，在满足设计要求的前提下，选择适当的焊接材料，使焊缝的高温强度稍低于母材，让应力在焊缝中松弛。在保证室温接头强度的情况下，提高消除应力的退火温度，析出较大碳化物粒子，以改善高温延性。

四、本工程产生的裂纹原因

平台钢结构所用钢材为Q345B低合金钢，进厂原材料经过严格的各项复检，化学成分和力学性能均满足GB/T15911994《低合金高强度结构钢》的要求。经现场硬度检测和现场取样分析，化学成分和力学性能均符合国标要求。在正常情况下该钢种可焊性良好，不易产生焊接裂纹。安装现场发现的裂纹分布于焊接接头的热影响区，具有延迟性，由此可以断定此种裂纹为焊接冷裂纹中的延迟裂纹。裂纹产生的主要原因分析如下。

1.施工人员自作主张，在插入接头位增加焊接补强板

在梁结构设计过程中设计并没有增加筋板和补强板，施工人员在安装前擅自在腹板侧增加一块补强板，工序上先进行了补强焊接，然后将次梁插入，随后安装梁，将梁腹板紧贴补强在主梁腹板处进行二次焊接，造成局部区域焊缝密度过大，使得焊接时这些部位的拘束应力过大，而拘束应力大是产生冷裂纹的重要原因之一，这就大大增加了裂纹产生的可能性。

2.焊接施工现场条件较差，工艺制定和执行不良

焊前预热和焊后缓冷不到位，接工艺技术防止缺陷产生的措施主要有：焊前预热、焊后缓冷；选用合适焊条和工艺参数，使用前在保温箱内按规定的温度、时间加热保温，使用时放置在保温桶内取用等。该处主材腹板分别13mm、14mm厚，翼板分别24mm、30mm厚，无拘束度常温下该结构腹板间角焊道不需进行预热和焊后缓冷。《铁路钢桥制造规范》（TB10212）17.2.6、17.4.4规定：焊接环境温度，低合金高强度结构钢不应低于5℃。该工程冬季裂纹发生时日当地气象部门气温数据温度为（-7～-19℃），焊接过程中遭遇严寒的影响而未采取有效的防护措施（焊补强板侧时未预热），也无焊后良好保温消除应力热处理措施，焊缝金属冷却速度很快，对焊缝周围产生张力，同时焊缝中也容易出现淬硬的马氏体组织。

3.构造刚性约束大，施工时，荷载分布不尽合理

该结构次梁安装中端部已受刚性约束，在梁焊接时罐体已吊装，罐体的荷载（壳体30余吨）通过临时支撑被传递到平台梁上，临时支撑位置不合理，以罐体中心为重心，重心向A

轴侧只有一个支撑立于该次梁上，此次梁承受相对较大荷载，而此荷载又全部通过次梁的焊接接头传到框架梁腹板上，增加了腹板处的内应力，直接导致焊缝区残余应力增大。

五、防止裂纹产生的措施

焊道周围20mm范围内的锈、水、油污等杂质的清理要彻底，在次梁侧用8mm碳棒刨轻刨并打磨干净渗碳层，深度控制8mm左右，用手工电弧焊施焊，也可用气体保护焊。为防止裂缝出现在敏感的第一道焊缝和焊根，适当加大电流，减慢焊速。焊完一遍后，彻底清理焊道。尽量采用多层多道焊或分段间隔焊跳焊以减少焊接残余应力的产生，一面完成后，在腹板另一侧清根彻底后补焊，要求连续施工，中途停工需在施工前检查焊道质量并重新预热，焊缝不得有弧坑、夹渣、裂纹、咬边以防止形成应力集中。

六、结束语

采取以上针对性措施后，在现场对新制作柱子的焊接质量进行了全面检查，包括对主要承重焊缝100%超声检验、所有焊缝100%目视及磁粉检验，发现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，可以确定上述对裂纹产生的原因分析准确，所采取的防范措施效果良好。在本工程应用的现场安装方面的经验，可以对今后复杂结构和环境条件的安装起到积极的借鉴作用。

参考文献：

[1]王继红.施工现场环境对钢结构焊接质量的影响[J].电焊机，2009，39（3）.

[2]张运动.焊接工字梁角缝产生裂纹的理由及解决措施.焊接技术2002，31（3）：59-60.

[3]钢结构设计手册（第三版）.北京：中国建筑工业出版社.