分析建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防治措施

分析建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防治措施

卢洪海

中交广航疏浚有限公司   广东 广州  510290

摘要：随着社会经济的发展，城市的建设速度不断加快，建筑工程项目的数量也急剧增长，施工单位应在建筑结构稳定性上多加研究，重点提升建筑的抗震特性，尽可能延长建筑的使用寿命。建筑钢结构是建筑的主要承重结构，在房屋工程中得到了广泛的应用，随着高层建筑的兴起，有关建筑钢结构的研究也层出不穷，其中如何通过分析钢结构焊接裂纹的产生机理来提升钢结构的稳定性，成为了业界研究者的热门课题。本文将重点分析建筑钢结构的焊接重难点，提出从根本上解决焊接裂纹问题的有关措施。

关键词：建筑钢结构；焊接裂纹；产生机理；防治措施

引言:

社会各行业的蓬勃发展改变了人们的生活观念，广大群众对房屋建筑等工程的质量要求不断提升，建筑行业也开始逐步自查，在工程项目中追求标准化、现代化、绿色化施工。各大建筑企业为达到收益的最大化，还需要重点提升工程的质量，拿出符合社会期望的成果。建筑钢结构的焊接问题一直是制约建筑工程质量提升的重要因素，建筑钢结构具有巨大的应用优势，然而其焊接裂纹的问题却困扰着施工单位，因此，业内人员还需要将重点放在焊接裂纹产生机理的研究上，并从原理入手根治钢结构的焊接问题。

1  建筑钢结构的焊接重难点

在大部分城市建筑项目中钢结构是建筑结构的主要组成部分，建筑用钢结构材质多数以低合金高强度钢材为主，按结构划分为钢梁、钢柱、钢桁架等几个主要的构件，钢制构件的连接方式为焊接、螺栓等。目前，我国建筑行业在钢结构的研究上，主要存在钢结构的焊接问题，一方面是钢结构件焊接后产生较大变形，给矫正带来困难，变形严重的直接影响到安装尺寸精度；另一方面是钢结构焊接后容易出现焊接质量缺陷，其中裂纹是建筑钢结构最常见的焊接缺陷。因此，焊接裂纹是焊接结构最严重的焊接缺陷，直接影响建筑钢结构质量，甚至引起建筑钢结构坍塌突发事故，在建筑钢结构焊接的重难点就是控制裂纹的产生，这就要取决于焊接人员对焊接材料、焊接工艺的熟悉程度和焊接全过程采取的防护措施。

2 裂纹的判定条件及产生机理

2.1 冷裂纹的产生机理

冷裂纹一般在构件焊接结束后冷却至较低温度下产生的，也是焊接中最为普遍产生的裂纹，冷裂纹既可以焊后立即出现，也可以在焊接后较长时间才出现，故又称为延迟裂纹。在建筑钢结构常用材质是低合金高强度钢材，焊接后焊接热影响区在受到作用力影响时，结构内部的氢分子往往会产生异常运动，最终导致热影响区出现冷裂纹，如若情况严重，那么建筑结构的整体质量都会受到影响。

冷裂纹具有隐蔽强的特点，对建筑钢结构的危害重大，严重时可能会使整座建筑钢结构造成坍塌事故。因此，在建筑钢结构焊接前应对焊缝的铁锈、油污等杂质清除干净，并要照焊接工艺对焊缝进行焊前预热和选择氢含量低的焊接材料。防止冷裂纹的产生，就是要严格控制焊缝中氢的含量，建筑钢结构材料设计时应多选用冷裂纹敏感低的合金材料，焊接材料应选用合金元素含量较多且氢含量低的焊材。

2.2 热裂纹的产生机理

热裂纹的产生主要是因为焊缝中含有较多的硫磷有害杂质，焊缝在冷却过程中凝固温度高的焊缝金属开始凝固，此过程会把凝固温度低的硫磷有害杂质推到凝固结晶晶粒边界并形成一层液状薄膜，当熔池冷却速度过大时，焊缝金属产生较大的收缩，使焊缝内部产生较大的应力，这个应力就会把焊接金属晶界边缘的薄膜拉裂。由此可知，热裂缝的本质是晶间断裂。这种常见裂缝的出现原因是没有正确选择硫磷有害杂质少的焊接材料、没有严格遵循焊接工艺规程、对焊接场所的温度做好有效的控制等。这些情况都有可能导致结晶中出现杂质，随着杂质不断积累最终形成“晶界薄膜”，促进热裂纹的产生。

2.3 再热裂纹和层状撕裂裂纹的产生机理

建筑钢结构再热裂纹的产生通常是在对焊缝进行退火消除残余应力过程中，没有正确掌握退火构件的再热裂纹敏感温度区间，而使焊缝晶界晶粒长大形成晶界间应力的存在。所以，对从事建筑钢结构焊接作业人员不但要熟练掌握焊接操作技能的同时，也要对材料的金相知识有一定的了解，避免在二次加热过程中给钢结构产生质量缺陷。

层状撕裂裂纹是在焊接时，在焊接钢结构中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种下裂纹。这种裂纹也是对钢结构质量影响比较大，焊接时应力的释放受到板厚的约束，钢板越厚垂直于钢板面的约束力会更大，产生的应力也更大。层状撕裂裂纹通常发生在焊缝热影响区边缘，沿焊脚处呈阶梯形状的局部裂纹。

3 建筑钢结构焊接裂纹的防治措施

3.1 明确焊接施工的方案，选择适合的工艺

建筑钢结构出现裂纹的原因多种多样，为了避免出现质量问题，焊接作业人员必须明确相关项目的焊接难点，并根据实际情况制定焊接工艺、选择与母材强度等级相匹配的焊接材料等措施，这样才能有效控制焊接裂纹的产生。按照焊接的标准流程，首先，焊接作业人员应该选择适合的焊接电流，并对有关机械的各项数值进行校准，完成准备工作后进行焊接，这样才能实现精准操作。其次，在焊接过程中要确保选用的焊接材料与母材等级强度相近或稍高于母材，并严格遵守焊接工艺操作规程。

3.2 热裂纹的防治措施

热裂纹的防治措施主要有：一是在建筑钢结构焊接前应对焊缝的铁锈、水、油等污物清除干净；二是钢结构焊接前应采取合适的预热措施；三是选用含硫磷元素较少，且焊接材料强度等级相近或稍高于母材，防止焊缝在凝固时形成低熔点的化合物；四是焊接时尽量减小焊接线能量，防止焊缝过多的热输入而产生应力集中；五是钢结构焊接完成后应及时对焊缝进行焊后热处理工艺，以消除焊接应力和热裂纹产生。建筑钢结构中所用的低合金高强度材料的碳含量较低，锰元素含较高，具有较好的抗热裂纹性能。但是，没有严格遵循焊接工艺规程或者焊接作业人员操作不当，也会出现焊接热裂纹。所以，加强焊接工艺纪律检查、规范焊接工艺行为和提高焊接人员的焊接水平，才是有效降低热裂纹出现的措施。

3.3 冷裂纹的防治措施

冷裂纹形成与钢材淬硬倾向、焊缝中的扩散氢含及其分布、焊接接头应力状态有关。所以，在建筑钢结构中，首先设计上应尽量选用碳当量或冷裂纹系数较小的钢材；其次尽量选择扩散氢含量较小的焊接材料，并严格按规定要求对焊接材料进行烘干及保温；再次，制定合理的焊接工艺，并根据焊接工艺要求对焊缝污物进行清除和预热、选用合适的焊接参数减少焊缝过大的热输入、焊后的热处理工艺减少焊缝氢的含量和消除焊接应力。通过这一些措施，在焊接过程中才能有效减少焊缝的氢含量，减少冷裂纹出现的几率。

3.4 层状撕裂的防治措施

层状撕裂的防治措施较为简单，主要在钢板选材时尽量应用轧向应力敏感小的材料，当确实需要使用，应当改变钢结构的节点连接形式，尽量避免使钢板在板厚方向受拉力；另外，也对焊接坡口尺寸的设计有较高的要求，避免因坡口尺寸过大，焊接金属熔敷量过多，焊缝的热输入也越多，产生的应力也越大。

3.5 做好焊接的施工管理工作

焊接的前期准备、施工管理、后期养护都是非常重要的阶段，在结束之后，为了提高焊接质量，应当优化质检阶段，对钢结构焊件进行重点检查，如若发现了裂缝，也可以采取措施进行补救。在焊接结束后，及时的检查可以避免出现焊后开裂，重点减少冷裂纹的出现，如若出现焊接问题，也可以通过对焊接方案的改进来避免损失扩大。同时还要重点保证对施工人员的技术培训，注重施工的规范性。

4 结语

裂纹通常有热裂纹、冷裂纹和厚板工程中的层状撕裂之分。施工人员必须把握好施工准备阶段、施工阶段、后期养护阶段等阶段性工作，做好检查工作，充分分析各种裂纹的产生机制和影响因素，采取适当措施来降低裂纹出现的几率，最终实现建筑成本的有效管控，为施工企业带来经济收益的最大化。

参考文献:

[1]李乃元.建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防治措施[J].四川水泥,2021(08):316-317.

[2]徐锦华.建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防治措施[J].中国金属通报,2021(06):180-181.

[3]马晋芳.建筑钢结构焊接裂纹的产生机理及防治措施[J].江西建材,2020(08):126+128.