摘要: 分析了某钢厂H型钢钢结构制造过程中产生裂纹的原因，提出了有针对性的解决措施，取得了较好的效果，可为同类H型钢钢结构施工提供有益的借鉴。

关键词: H型钢；焊接裂纹；焊接工艺；解决措施

 

1.问题的提出

H型钢具有强度高、重量轻、塑性和韧性好，且工业化程度高，可以成批大件生产、施工速度快等特点，近年来，H型钢在钢结构工程，如吊车梁、重载设备的承重梁等关键部位中使用趋于普遍，同时存在着不同程度的质量缺陷和问题，其中焊缝开裂较为普遍。某钢厂主厂房钢结构在制造过程中，发现部分焊接H型钢吊车梁腹板、翼缘板对接焊缝接头部位存在裂纹缺陷。通过对吊车梁主要承载焊缝{bfb}超声检验、全部焊缝{bfb}磁粉检验复检，发现在吊车梁的焊接接头部位普遍存在裂纹，且大部分裂纹在接头的热影响区、熔合线等薄弱位置。此次复检共检查吊车梁19根，发现裂纹50余条，裂纹产生的位置绝大部分在腹板、翼缘板的对接焊缝位置。典型裂纹的位置和形态见图1。

分析研究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。

 

 

2.焊接裂纹的产生

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，须从母材、结构、焊接、安装、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，裂纹发生之前有一段潜伏期，一般都比较隐蔽、不易被发现，然后是裂纹的扩展，{zh1}发生脆性断裂，因此危害性很大。

理论研究表明，冷裂纹产生的原因主要有以下几种：焊接接头的约束应力、含氢量、材质的淬硬倾向现象等。

 

3.焊缝开裂原因分析

吊车梁所用钢材为Q345C低合金钢，进厂原材料经过生产厂家严格复检，化学成分和力学性能均满足GB/T 1591-1994《低合金高强度结构钢》的要求。

在正常情况下该钢种可焊性良好，不易产生焊接裂纹。现场发现的裂纹多数分布于焊接接头的热影响区和熔合线附近，且具有延迟性，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。

3.1焊接组装工艺不正确

在吊车梁对接时，存在随意焊接的情况，由于钢板厚度、焊接顺序、坡口形式、焊缝位置等具体条件不同，产生不同的约束应力，直接影响到焊接接头的裂纹倾向。

当两块板采用手工电弧焊形式焊接时（见图3），在不同拘束状态下，焊缝存在不同的拘束度。

 

 

图3 拘束状态下钢板对接时，焊缝拘束度分析

  

如图2是某一吊车梁现场对接图片。腹板与翼缘板的角焊缝已经焊接完成，翼缘板对接焊缝未焊，腹板对接焊缝正在施焊，焊缝已经开裂。焊接接头在约束状态下产生的焊接应力对延迟裂纹起着很大的作用，由于约束应力造成强度最薄弱的部位产生了焊缝开裂。

这种焊接工艺，先焊接腹板与翼缘板的角焊缝就如同将焊缝两侧固定，焊缝的拘束度{zd0}，焊缝的应变量xx由焊缝本身承担，焊缝受力情况恶劣，焊缝存在着一定的横向收缩量。采用手工电弧焊对接接头V形坡口焊接时，若钢板厚度6～20mm，则焊缝的横向收缩量可达1.0～1.8mm。在这种情况下腹板焊缝出现了开裂。

另外，由切割、焊接等造成的结构缺陷很容易形成应力集中，大大降低了构件的承载能力。承受动载荷、重载荷的构件如果存在大的应力集中点，很容易成为事故诱发因素，造成重大质量事故。

3.2 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{zd1}环境温度为10℃。由于是在冬季施工，现场环境温度很低（{zd1}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xx应力热处理，导致焊缝区残余应力很大，焊缝区的{zd0}残余应力达400 MPa，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。

3.3 结构设计不尽合理

结构设计不合理，会造成构件存在应力集中，当存在焊接缺陷时，通过焊接内应力的作用，可以在焊缝、焊缝热影响区及母材缺陷部位出现开裂。筋板在设计数量过多，造成局部区域焊缝密度过大，使得焊接时这些部位的约束应力过大，这就大大增加了裂纹产生的可能性。特别是板厚大，约束应力大，使焊缝不能自由收缩，导致双向、三向焊接应力产生。这种焊接残余应力一般能达到钢材的屈服极限值，是产生延迟裂纹及板材层状撕裂重要的影响因素之一。因此，采用合理的结构接头设计，采用刚性较小的节点形式等，可以降低约束应力。

3.4 焊接施工现场条件较差

由于该批吊车梁工期很紧，同时受施工条件所限，部分梁是在露天环境下施焊的，焊接过程中遭遇大风和雨雪的影响而未采取有效的防护措施，在低温、潮湿的环境下施焊,在现场施焊中没有对焊条进行严格的烘干和保温,导致了焊条药皮中的水分较高，这些都会提高焊缝中氢的含量。另外在坡口加工过程中没有把坡口附近的铁锈、油污清理干净，铁锈、油污中所含的氢渗入焊缝。上述因素造成焊缝金属中氢的聚集，成为冷裂纹产生与扩展的一个重要原因。

 

4.防止裂纹产生的措施

4.1 合理的焊缝设计、组焊工艺

当几个构件连接时，应避免焊缝集中及三向相交，尽可能对称布置，焊缝尺寸要适当，不宜太大。便于焊接操作，避免仰焊等。H型钢下料切割时，易伤及腹板，形成应力集中点，极易产生裂纹，造成腹板开裂。典型的腹板与翼缘板结合半径应当在25～30mm，这意味着氧炔焰切割应当在翼缘以下30mm的地方进行。

采用合理的施焊次序，可以减少焊接残余应力和焊接变形，降低约束应力，避免出现裂纹。焊接时应尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝和工作时受力较大的焊缝。如焊接H型钢梁的接头时，应预先留出一段翼缘角焊缝，焊接时先焊接受力{zd0}的翼缘板对接焊缝1，然后焊接腹板对接焊缝2，{zh1}再焊接腹板与翼缘板的角焊缝3，如图4所示。

 

焊接时使受力较大的翼缘板焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。腹板与翼缘板的角焊缝留在{zh1}焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。试验证明，这种焊接次序焊接的吊车梁，疲劳强度比先焊腹板后焊翼缘板的高30%。

4.2焊前预热、焊后缓冷

焊接前，对焊接坡口及周围区域用氧-乙炔火焰加热到100～150℃，保证加热温度在规定的范围内。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，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℃。

4.3 严格按照规程保管和使用焊材

施工中所用的全部焊条使用前应在保温箱内按规定的温度、时间加热保温；现场使用的焊条应放置在保温筒内，随用随取。坡口加工后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、熔渣、飞溅物等xx干净，直至露出金属光泽。

4.4采取正确的安装方式

安装时，避免强力组装引起的外加应力与焊接残余应力共同作用，对梁焊缝产生威胁。

4.5改善施工现场条件

保证焊接过程都在室内进行，防止大风和雨雪带来的不利影响。

 

5.结论

采取以上针对性措施后，在现场对新制作吊车梁的焊接质量进行了全面检查，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，只要焊前制定合理的焊接工艺，控制焊缝中的氢含量，降低约束应力等措施运用得当，焊缝开裂是xx可以避免的