钢结构裂纹成因分析及防范措施

来源：职称驿站所属分类：冶金论文
发布时间：2012-12-20浏览：48次

　　摘要：在工程建设中，钢材的应用必不可少。而焊接裂纹是常见的钢结构焊接缺陷之一，焊接裂纹的存在可能导致严重的工程事故。本文讨论了钢结构焊接过程产生的焊接裂纹的种类以及形成原因，提出了预防焊接裂纹出现的措施。

　　关键词：钢结构裂纹,成因分析,防范措施

　　前言

　　近年来，我国经济发展迅猛，各种大型工程投入施工。钢结构工程在建设中所占比重越来越大。焊接是钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。但在焊接施工中一些焊接缺陷问题却普遍存在，例如：焊接裂纹、孔穴、夹渣、未熔合、形状缺陷等，其中焊接裂纹是其中危害最大而且是最普遍的一种，可能成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，严重影响钢结构工程的质量和施工进度，如焊接裂纹未被发现和处理，还会危及钢结构工程的安全。

　　一、钢结构工程概述

　　1、焊接技术重点

　　钢结构焊接时，焊接热源对结构不均匀加热引起的结构形状和尺寸的变化，称为焊接变形。在变形的同时，结构内部还产生应力、应变，因为这时结构并未承受外载时，就存在这些应力，所以这些应力居于内应力范畴，称为焊接残余力。属于不均匀分布的自平衡内应力。

　　焊接变形及应力在焊接过程中往往是难以避免的。它们将影响到焊接结构尺寸精度和焊接接头的强度，轻者需耗费不少人力、物力去矫正、修理，严重的会使构件报废。此外，焊接变形和应力对焊接结构以后使用时的承载能力也产生不可低估的影响。焊接残余应力和焊接变形是能量存在同一构件的不同形式，服从于能量存在同一构件的不同形式，服从于能量守恒定律;它们相辅相成，并互相转化，减少一方必须增大一方。

　　2、焊缝裂纹的分类

　　目前，随着国民经济的快速发展，钢结构工程在建设中所占比重越来越大。焊接是钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。但在焊接施工中一些焊接缺陷问题却普遍存在，例如：焊接裂纹、孔穴、夹渣、未熔合、形状缺陷等，其中焊接裂纹是其中危害最大而且是最普遍的一种，可能成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，严重影响钢结构工程的质量和施工进度，如焊接裂纹未被发现和处理，还会危及钢结构工程的安全。焊接裂纹按照产生机理可分为冷裂纹、热裂纹、再热裂纹等。

　　二、钢结构裂纹分析

　　1、冷裂纹分析

　　1)简介

　　焊接接头冷却到较低温度区间时产生的焊接裂纹叫冷裂纹。冷裂纹可能在焊后立即出现，也可能几小时至几天甚至更长的时间才出现，并且随时间延长而增多，所以称为延迟裂纹，也称氢致裂纹。延迟裂纹有时会造成预料不到的重大事故，具有较大的危险性。

　　冷裂纹的特征是：

　　①焊后冷却过程中，当温度在2000℃-3000℃区间或更低温度时逐渐产生。

　　②发生在有缺口效应的焊接热影响区(如有咬边或成形不良的焊趾、焊道处)，少数发生在焊缝中，如物理化学不均匀的氢聚集区域。

　　③宏观可见裂纹断口处有金属光泽，微观可见裂纹具有结晶和穿晶走向的混合形态。

　　2)原因分析

　　形成冷裂纹的三大因素是：钢材的淬硬组织、焊接接头的含氢量和焊接接头的拘束应力。

　　①焊接接头形成淬硬组织

　　因为钢种化学成分和偏析的原因，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高(达1 350 ℃~1 400 ℃)，使奥氏体晶粒发生严重长大，而当冷却速度较快时，粗大的奥氏体将转变为马氏体脆硬组织，这个马氏体脆硬组织具有脆硬的特性即强度高而塑性差、抗裂性能低。而且，脆硬区会形成更多的空位和位错的晶格缺陷，在应力作用下会发生移动和聚集，遂形成裂缝源。

　　②含氢量的影响

　　氢是引起高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并且有延迟特征。在焊接过程中，由于电弧的高温作用，焊接金属中熔解了很多氢，冷却时，氢会进行扩散逸出，除向焊缝表面逸出外还向母材热影响区扩散。钢板金属内部是有微观缺陷的，扩散氢会向这些缺陷处聚集，使这个部位的扩散氢浓度很快升高，当氢的浓度达到一定时，一方面产生较大的应力，另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当应力进一步加大时，促使缺陷扩展而形成裂纹，这种过程可周而复始断续进行，视氢的含量逸出和内部的能量而定，焊接延迟裂纹就是由许多单个微裂纹集合而形成的宏观裂纹。

　　③拘束应力的影响

　　裂缝是一种力学行为，而由焊接产生的拘束应力是产生裂纹的必备条件如：一是不均匀加热及冷却过程中产生的热应力;二是金属相变时产生的组织应力，焊接热循环造成的金相组织变化带来的应力;三是结构自身拘束条件所造成的应力，包括结构的刚度大小，自重，负载以及焊缝位置和焊接顺序。

　　3)冷裂纹的处理措施

　　选择合理的焊接规范和性能，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氧含量。焊条和焊剂在使用前应严格按照规定的要求进行烘干，认真清理坡口和焊丝，去除油污、水分和锈斑等脏物，以减少氢的来源。焊后及时进行热处理：a.进行退火处理，以消除内应力，使淬火组织回火，改善其韧性;b.进行消氢处理。使氢从焊接接头中充分逸出。

　　2、热裂纹分析

　　1)简介

　　焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹，一般将热裂纹分为结晶裂纹，液化裂纹，多边化裂纹三种，它们都具备热裂纹的基本特征：

　　①形成于焊接过程中，温度在固相线上下;

　　②大多数出现在焊缝中，少数在热影响区;

　　③开裂断口处有氧化色彩;

　　④显微镜下可见裂纹走向均为结晶开裂。

　　2)原因分析

　　结晶裂纹较多地发生在碳钢，低、中合金钢，奥氏体钢，铝及镍基合金中，所以现将结晶裂纹作为热裂纹的典型进行分析。结晶裂纹形成的原因：以认为焊缝是凝固了的焊接熔池，熔池金属冷却凝固过程也是晶核生长和长大的过程。当熔池金属开始结晶时，总是从近熔合线处母材的晶粒表面开始形成晶核，并以柱状形态由熔池周边向焊缝中心长大。先结晶的金属较纯而后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，随着焊接金属不断地凝固结晶，低熔点共晶被不断长大的柱状晶排挤到他们相交的中间部位。低熔点共晶因其熔点较低仍然以液态形式存在，我们称之 “ 液态薄膜 ” 。这样，液态薄膜便成了焊缝中最薄弱区，当受到拉伸应变时即产生开裂。

　　3)预防措施

　　限制焊接材料中易偏析元素，如硫、磷等有害杂质的含量和降低含碳含量，硫、磷等易形成低熔点共晶物.降低碳在钢中含量。可降低热裂倾向。调整焊缝金属的化学成分，以提高其帮性，减少或分散偏析程度，控制低熔点托晶的有害影响.同时控制焊接熔池形状，不使形成尖长形熔池而易在焊缝表面形成纵向热裂纹，尤其是埋弧焊时，因电流大、熔深，热裂纹易于产生。更应注意控制焊缝成形系数：避免坡口和间隙过小使焊缝成形系数太小，而造成熟裂纹形成：焊前预热可降低裂纹的倾向：合理的焊接顺序可以使大多数焊缝在较小的拘束度下焊接.减小焊缝收缩时所受拉应力，也可减小热裂纹倾向。采用合理的焊接顺序和方向.适当提高焊缝的形状系数，采用多层多道焊接方法，避免中心线偏离，可防止中心线裂纹。

　　3、再热裂纹

　　1)简介

　　有些重要构件需要消除残余应力，而高温回火是目前最常用的消应力方法。在构件回火或高温长期工作中产生的裂纹称为再热裂纹。

　　2)原因分析

　　①过饱和固熔的碳化物再次加热时析出，造成晶内强化;

　　②焊接残余应力在局部有应力集中。

　　3)预防措施

　　①选材时应注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素，尤其是钒的含量。必须采用高钒钢材时，焊接及热处理时要特别加以注意。

　　②热处理时避开再热敏感区，可减少再热裂纹产生的可能性，必要时热处理前做热处理工艺试验。

　　三、焊缝质量的检查

　　1)焊缝外观质量检查

　　焊缝外观质量要求为不得有裂纹未熔合、焊瘸等缺陷。焊接区应无焊接飞溅物。