电厂钢结构焊接裂纹的产生及预防

电厂钢结构焊接裂纹的产生及预防字体:小中大|打印发表于:2007-7-0911:05作者:麦蒂来源:中国焊接之家社区王弼1，周迪祥2（1.国电机械设计研究所，浙江杭州310012；2.宁波华业钢结构有限公司，浙江宁波315221）摘要：指出了焊接接头的含氢量、材质的淬硬倾向和约束应力的影响是焊接裂纹特别是冷裂纹产生的主要原因，提出通过采用预热和后热、保持焊条的干燥和清洁、合理的焊缝设计和焊接工艺方法耒预防裂纹的产生。关键词：焊接裂纹；氢含量；淬硬；约束应力；焊接工艺1引言钢结构具有强度高、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。在工程中特别是电厂得到广泛应用和迅速发展。近年来，低合金高强钢中厚板在工程中使用趋于普遍，但较厚的钢板与较薄板比较，由于钢板厚度加大时存在冶金缺陷的成分可能加大，同时厚板辊轧次数减少，颗粒一般较薄板粗糙，所以中厚板在焊接中就会带来一系列问题，较为严重而又十分普遍的就是裂纹。2焊接裂纹的产生裂纹是焊接连接中最危险的缺陷。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。在电厂钢结构中，使用过程中产生冷裂纹往往是很严重的质量问题。冷裂纹的产生和发展一般都比较隐蔽、时间较长，平时不会引起操作人员的注意，但一旦发生其后果却是灾难性的。在焊接生产过程中，由于采用的焊接材料不同，结构类型、刚度以及施工、安装的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹，比较常见的有焊趾裂纹、焊道裂纹、根部裂纹等。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，然后是裂纹的扩展，最后发生脆性断裂，因此危害性很大。大量的实践和理论研究表明，冷裂纹产生的原因主要有以下几种：焊接接头含氢量、材质的淬硬倾向现象以及约束应力的影响等。2.1氢对焊缝的影响焊接时，焊接材料中的水分、电弧周围空气中的水蒸气、焊丝和母材表面上的铁锈油污等杂质，在施焊时经电弧热分解而给焊缝中带入氢，而氢是引起焊接延迟裂纹的主要因素之一。焊接时，在高温条件下，大量的氢溶解在溶池中，在随后的冷却过程中，由于溶解度的急剧降低，氢将极力逸出，但因焊接时冷速过快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力扩散，焊缝中的含氢量是随时间而变化的。随着放置时间的增加，部分氢从焊缝中逸出，部分氢则扩散到钢微缺陷处，成为残余氢，而这些残余氢继续对焊缝起作用，成为冷裂纹的罪魁祸首。氢是钢中扩散最快的元素，其扩散的速度与温度的高低成正比，温度升高，氢扩散得越快。焊后焊件在较高温度停留时间长些或设法使焊件冷却得慢些就可以使氢充分扩散到焊件外面，使焊缝中的氢含量减少。焊前进行预热，或者焊后热处理使焊件在焊后缓慢冷却，都可以使氢充分逸出减少冷裂纹。2.2材质的淬硬倾向对冷裂纹的影响钢的淬硬倾向主要决定于其化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。其中化学成分有很大的影响。钢的淬硬倾向越大，越易产生裂纹。钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构和低合金结构钢。钢结构在在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235，低合金结构钢主要应用Q345，（桥梁要用质量较高的桥梁专用低合金钢）。低合金钢含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。Q345的屈服强度比Q235提高将近一半，抗拉强度也提高不少。但抗拉强度提高时相对降低了塑性和韧性，对焊接结构来说增加了转脆倾向。焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为马氏体。由金属强度理论可知，马氏体是一种脆硬组织，发生断裂时只消耗较低的能量。因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成并扩展。另外，淬硬会形成更多的晶格缺陷——空位和位错，在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错会发生移动和聚集，当浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源，在应力和氢的作用下，裂纹源不断扩展，形成宏观裂纹。一般以焊后熔合区在800～500℃冷却时间小于出现铁素体临界冷却时间作为出现裂纹的判据。焊接生产中常采用预热、后热和调节线能量等方法来延长800～500℃区间的冷却时间，从而降低淬硬倾向。2.3约束应力的影响焊接接头在约束状态下产生的焊接应力对延时裂纹起着很大的作用。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。施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600℃左右，其近邻区域温度则急剧下降。不均匀的温度要求产生不均匀的膨胀，高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低、膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中这种拉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，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，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。焊缝在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先焊的焊缝已经凝固，且具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。叠加焊缝上的后焊焊缝冷却收缩时受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，同时在先焊焊缝内产生横向压应力。横向收缩引起的横向应力与施焊方向、先后次序有关。在中厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，因此，除有纵向和横向残余应力外，还存在着沿钢板厚度方向的残余应力。这三种应力形成比较严重的同号三轴应力，大大降低了材料的塑性，增高了强度和硬度，在低温环境下，更使裂纹容易发生和发展，加速构件的脆性破坏。钢结构在焊接时，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。结构的不合理，刚度过大，约束力过大，焊接应力无法释放，均会造成裂纹的产生。因此，采用合理的结构接头设计，采用刚性较小的节点形式，并合理按排施焊次序等，可以降低约束应力。3焊接裂纹的预防3.1预热和后热低合金高强钢中厚板焊接冷裂纹的产生，焊缝中的氢是罪魁祸首。焊前预热、后热可以使焊件在焊后降低冷却速度，延长冷却时间，氢可以较充分地释放，从而减少焊缝中的氢含量，减少冷裂与材料硬化现象。一般情况，在母材与焊缝等强的条件下，强度级别越高、板厚越大，预热的温度越高。气温低时，预热的温度可相应提高。操作地点环境温度低于常温时（高于0℃），预热温度可提高15~25℃。构件约束状态高、扩散氢含量高、焊接线能量低而增加裂纹危险的场合，预热需要较高温度。焊后及时后热，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℃。3.2保持焊条干燥和清洁消除焊件待焊处表面的水、氧化皮、锈、油污等，保持坡口的干燥；焊接材料需储存在干燥、通风良好的地方，焊条等在使用前需烘干，烘干的焊条在空气中放置时间不超过4h，重复烘干次数不宜超过2次。不使用受潮的焊条。焊接施工时，焊接作业区的相对湿度不得大于90%。3.3合理的焊缝设计及次序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。当几个构件连接时，应避免焊缝集中，尽量避免焊缝三向相交；焊缝尽可能对称布置；焊缝尺寸要适当，不宜太大。便于焊接操作，避免仰焊等。3.4低温焊接时应确保的措施在当环境温度低于0℃时，应根据实际情况加热构件方可施焊，以保证焊工操作技能不受环境低温的影响。低温条件下焊接时，由于焊缝金属冷却速度较快，因而裂纹倾向增大。特别是Q345，由于其合金元素含量比低碳钢多，淬硬倾向较低碳钢大，低温施焊时出现裂纹的倾向更大，因此，低温焊接时应采取以下措施：（1）焊前预热；（2）采用碱性低氢焊条，并按规定烘干；（3）尽量减少焊缝中未焊透、咬边、夹渣、弧坑裂纹等缺陷，这些缺陷将形成应力集中，是造成低应力脆性破坏的因素之一；（4）在多数情况下，裂纹往往出现在头道焊缝和焊根上。所以，对头道焊缝应加大电流，减慢焊速，保证根部焊透。对点固焊缝也应加大焊脚和焊缝长度，以免发生裂纹；（5）焊件的矫正和安装应尽量避免在过低温度下进行；（6）在焊接过程中，应充分保证焊缝的自由收缩，减少焊接应力，以免产生裂纹。3.5安装时的注意点安装时，严禁强力组装，避免强力组装引起的外加应力与焊接残余应力共同作用，对构件产生威胁。4结语低合金高强钢中厚板在使用过程中产生裂纹是一件很严重的质量问题，由于其潜伏期长，不易被发现，所以一旦发生，后果不堪设想。因此，焊前必须制定合理的焊接工艺，控制焊缝中的氢含量，降低约束应力，将冷裂纹的产生消灭在萌芽状态。参考文献[1]GBJ17-88，钢结构设计规范[S].中华人民共和国冶金部，1989.[2]美国钢结构协会.钢结构细部设计[M].郑州机械设计研究所译.中国建筑工业出版社，1987.[3]钢结构手册[S].美国钢结构学会，1980.[4]美国AWS焊接规范[S].美国钢结构学会，2000.[5]JGJ81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S].中国建筑工业出版社，2002.