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钢结构焊接裂纹的原因及防治措施

文章来源: 文章作者: 更新时间:2015-07-31 18:05:57 点击次数:

 本文基于焊接产生裂纹的理论知识,通过实践经验,对钢结构裂纹产生的内外在原因进行了深入分析。
焊接裂纹是钢结构在制造过程出现的危害最严重的缺陷,我公司主要承担为安阳钢铁备件制造、安装及系统检修,在钢结构的制造过程中,有时焊缝会出现焊接裂纹,给工程施工带来一定的影响,具体表现在:裂纹能引起严重的应力集中,降低焊接接头的承载能力,任其发展的话最终会导致焊接结构的破坏,降低工程质量,缩短结构寿命,严重时可能造成安全事故,间接延误工期并增加施工成本,影响公司的形象,所以说裂纹在钢结构的制造过程中一经发现必须彻底清除,进行修补,确保产品质量.以下对钢结构制造过程中裂纹产生的原因及其防治措施进行分析。
1.内在原因分析及相应的预防措施
一般焊接裂纹按其产生的温度和时间分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。
1.1.热裂纹
热裂纹是指在焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹,故又称为高温裂纹.其产生的原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在偏析现象,偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质.它们在结晶过程中以液态间层形式存在,凝固以后的强度也较低,当焊接应力足够大时就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹.此外如果母材的晶界上也存在低熔点共晶和杂质,则在加热温度超过其熔点的热影响区,这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层,在一定条件下,焊接应力足够大时也会被拉开形成所谓热影响区液化裂纹.总之,热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果.热裂纹特征是:多贯穿在焊缝表面,且断口被氧化成氧化色.它主要的表现形式:纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹及热影响区裂纹.针对其产生的原因采取以下预防措施:a)限制钢材和焊材中的硫、磷元素的质量分数.b)改善熔池金属的一次结晶,细化晶粒提高焊缝金属的抗裂性:广泛采用的方法是向焊缝金属中加入细化晶粒的元素.c)控制焊接工艺参数,适当提高焊缝成型系数:可采用多层多道焊法,避免中心线偏析,可防止中心线裂纹。
1.2.冷裂纹
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹.它与热裂纹不同,是在焊后较低温度下产生的,可以焊后立即出现,有时要经过一段时间才能出现,这种拖后一段时间才能出现的裂纹也称为延迟裂纹.冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金钢或中合金钢中,产生的原因主要有三个因素:1)钢的淬硬倾向大;2)焊接接头受到的拘束应力;3)较多的扩散氢的存在和浓集.这三个条件同时存在时,就容易产生冷裂纹.在许多情况下,氢是诱发冷裂纹的最活跃的因素.冷裂纹的特征是断裂表面没有氧化色彩,这表明与热裂纹不一样,它多产生在热影响区或热影响区与焊缝交界的熔合线上,但也有可能发生在焊缝上.防止冷裂纹主要从降低扩散氢含量、改善组织和降低焊接应力等几方面解决,主要的措施有:a)选用低氢型焊条,可减少焊缝的氢.b)焊条焊剂应严格按照规定进行烘干,碱性焊条要求300~350℃,烘熔1~2h;酸性焊条要求100~150℃,烘熔1~2h;熔炼焊剂要求200~250℃,烘熔1~2h; 烧结焊剂要求200~250℃,烘熔1~2h.随取随用,严格清理焊丝和工件坡口两侧的油绣,水分,控制环境温度.c)改善焊缝金属的性能,加入某些合金元素以提高焊缝金属的塑形.d)正确选用焊接工艺参数、预热、缓冷、后热以及焊后热处理等,以改善焊缝及热影响区的组织,去氢和消除焊接应力.e)改善结构的应力状态,降低焊接应力等。
1.3.再热裂纹
再热裂纹是焊后焊件在一定温度范围再次加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹,也称为焊后热处理裂纹或消除应力回火裂纹.在热裂纹具有晶界断裂的特征,大多发生在应力集中部位.它产生的原因一般认为是在再次加热时,在第一次加热过程中过饱和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,当晶界的塑形盈利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.控制在热裂纹的措施是:a)减小焊接应力和应力集中,如提高预热温度、焊后缓冷、使焊缝与母材平滑过渡等;b)在满足设计要求的前提下,选择适当的焊接材料,使焊缝的强度稍低于母材,让应力在焊缝中松弛;c)在保证室温接头强度的情况下,提高消除应力退火温度,致使析出比较大有碳化物粒子,以改善高温延性。
2.外在原因及应对措施
焊接裂纹除以上工艺和原材料方面的原因外,人的因素和环境条件也是很关键的外因.如在实际焊接过程中,对以上产生焊接裂纹的原因及预防措施重视不够,制定的焊接工艺不详细过于简单,或操作人员责任心不强,不严格按照焊接工艺卡的要求实施;焊接工程师较少,在焊接过程中缺少焊接专业监督指导,对焊接后出现的问题不能及时处理;现场管理混乱,对原材料缺乏严格的质量检验制度而误用不合格材料或用错不同材料的钢材;天气气温低,没能按照要求进行预热、保温缓冷措施;不应涂漆的部位进行了油漆,部分施焊人员未经培训等种种原因导致有些预防措施不能落实到位,偶尔仍会出现个别裂纹。
3.实践效果
通过对钢结构焊缝裂纹产生的原因进行深入的分析,了解了其预防措施,理论联系实际,基本上掌握了控制焊缝裂纹的方法,如2011年在安钢3号高炉热风炉制造过程中,炉壳板(Q345)对接焊缝经无损检测发现有裂纹现象,经分析:冬季施工环境温度低,板材厚度较大,预热及层间温度措施不当,将原来的烤枪火焰预热改为自动控温热电偶加热,解决了出现裂纹的现象。

经实践证明钢结构焊接时,按照以上分析的情况,严格执行相关的规定、规程,基本上可以避免裂纹的产生,实践效果良好。

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