厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋控制措施

孫 健，姜美玲，郝永寬

（1.大連船舶重工集團(tuán)裝備制造有限公司，遼寧 大連 116000；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司規(guī)劃建設(shè)部，遼寧 大連 116000）

1 焊接裂紋控制的前期準(zhǔn)備

1.1 選擇材料

焊接中使用的厚板鋼結(jié)構(gòu)材料為q235，屬于一種普通碳素鋼結(jié)構(gòu)，焊接中使用超低氫形式的焊接材料，最大程度保障焊接后接口處的鋼材料性質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化。q235結(jié)合超低氫焊接材料進(jìn)行焊接處理，能夠提升鋼材料的韌性，這樣在焊接處理以及加工完成后，在一定韌性保護(hù)下不容易產(chǎn)生斷裂與其他細(xì)小裂紋。厚板鋼結(jié)構(gòu)加工需要使用汽輪機(jī)完成碾壓加工，碾壓生產(chǎn)加工中的壓力控制，直接關(guān)系到后續(xù)結(jié)構(gòu)中是否存在裂紋。厚板鋼結(jié)構(gòu)主要裂紋產(chǎn)生原因?yàn)楹附蛹夹g(shù)控制不合理，但碾壓也是至使裂紋問(wèn)題產(chǎn)生的原因之一，汽輪機(jī)中的旋轉(zhuǎn)式蒸汽發(fā)動(dòng)系統(tǒng)，能夠提供持續(xù)并且均衡的壓力，在厚板鋼結(jié)構(gòu)碾壓成型的焊接中，材料選擇是預(yù)防焊接裂紋產(chǎn)生的基礎(chǔ)部分。鋼材厚度達(dá)到150mm以上到260mm以下，這一厚度在焊接中控制裂紋還需要從焊接與壓型兩方面來(lái)進(jìn)行，控制難度較大[1]。

1.2 預(yù)熱準(zhǔn)備

厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接前需要對(duì)焊接部分進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，達(dá)到規(guī)定的焊接溫度后，才能確保焊接接口處的均衡。厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接中，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致接口處產(chǎn)生裂紋。預(yù)熱可以在常溫環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)焊接的接口部分來(lái)探討，通過(guò)預(yù)熱能夠使厚板鋼材內(nèi)部溫度與外部溫度保持在均衡狀態(tài)下。溫度保持均衡并且達(dá)到一致，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的焊接任務(wù)，便能夠有效消除內(nèi)應(yīng)力對(duì)接口處造成的影響，預(yù)熱準(zhǔn)備還需要對(duì)厚板鋼結(jié)構(gòu)的具體厚度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)厚度來(lái)確定預(yù)熱所使用時(shí)間及溫度。預(yù)熱準(zhǔn)備需要根據(jù)不同焊接材料來(lái)做出調(diào)整，與焊接方法選擇也有直接關(guān)系，這些在具體的焊接加工中都需要特別注意。

1.3 預(yù)熱措施

汽輪機(jī)厚板焊接前的預(yù)熱準(zhǔn)備工作，可以通過(guò)兩種途徑來(lái)完整，一種是電預(yù)熱，另一種則是通過(guò)火焰預(yù)熱，本論文中研究的案例為電預(yù)熱。接入電儀后完成自動(dòng)預(yù)熱，既能夠有效的控制預(yù)熱溫度，同時(shí)也能在預(yù)熱過(guò)程中產(chǎn)生鋼材氧化的現(xiàn)象，影響到后續(xù)焊接工作高質(zhì)量完成。對(duì)于部分結(jié)構(gòu)中電預(yù)熱難以進(jìn)行的情況下，會(huì)使用火焰加熱作為補(bǔ)充來(lái)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的整體預(yù)熱工作。電預(yù)熱會(huì)自動(dòng)顯示溫度，如果采用火焰預(yù)熱的方法，則需要在火焰加熱停止后，再用測(cè)溫槍對(duì)其溫度進(jìn)行測(cè)定。

2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

厚板鋼結(jié)構(gòu)在焊接前，需要根據(jù)生產(chǎn)加工需求來(lái)對(duì)其焊接接頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)不同的鋼結(jié)構(gòu)厚度，選擇接頭形式還需要考慮接口處在整體結(jié)構(gòu)承重體系下所處的位置，通過(guò)這種方法能夠幫助有效提升整體承重效果，避免在使用中由于接頭部分設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致最終的焊接結(jié)構(gòu)裂紋出現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以采用組合形式來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，當(dāng)厚板鋼結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的拼接任務(wù)時(shí)，通過(guò)這種技術(shù)整合方法，可以為接下來(lái)焊接任務(wù)開(kāi)展提供便捷性，從而避免焊接任務(wù)進(jìn)行不順利而造成裂紋問(wèn)題產(chǎn)生[2]。

3 厚板鋼結(jié)構(gòu)常見(jiàn)裂紋形式

3.1 焊接裂紋

焊接裂紋是厚板鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建中最常見(jiàn)的一種裂紋形式，也是文章重點(diǎn)探討的。造成焊接裂紋主要是由于鋼材料的原子結(jié)合力受到破壞，從而在破壞的基礎(chǔ)上形成了新的斷裂層。焊接裂紋可能產(chǎn)生在材料焊接生產(chǎn)過(guò)程中，具有較長(zhǎng)的潛伏期，存在裂紋隱患但并不會(huì)第一時(shí)間表現(xiàn)出來(lái)，不過(guò)該種類(lèi)型鋼材在使用中已經(jīng)存在承載力問(wèn)題，使用一段時(shí)候后裂紋問(wèn)題還是會(huì)凸顯出來(lái)。焊接過(guò)程中預(yù)熱不均勻，瞬間焊接升溫導(dǎo)致部分鋼材中的金屬化合物被分解，但沒(méi)有來(lái)得及分散便被焊接固定住，所形成的共晶屬于焊接點(diǎn)中的雜質(zhì)，融合在焊接縫部分潛藏極大的風(fēng)險(xiǎn)。焊接過(guò)程中使用的氫氣向著熱影響區(qū)域集中，導(dǎo)致焊接過(guò)程中氫氣對(duì)焊接材料的保護(hù)不能均衡實(shí)現(xiàn)，最終也很容易引發(fā)嚴(yán)重的焊接裂紋問(wèn)題。氫氣引起的氫脆作用，會(huì)形成焊接裂紋隱患，即使在焊接工作完成后并沒(méi)有變現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，仍然會(huì)體現(xiàn)出這種裂紋問(wèn)題。冷裂紋還與焊接后的養(yǎng)護(hù)工作相關(guān)，如果養(yǎng)護(hù)工作不能合理進(jìn)行，導(dǎo)致溫度波動(dòng)較大，同樣會(huì)引發(fā)焊接后的裂紋。熱裂紋與冷裂紋均為厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接中比較常見(jiàn)的兩種類(lèi)型。

3.2 壓型裂紋

壓型裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于碾壓受力不均衡導(dǎo)致，厚板鋼結(jié)構(gòu)加工中，需要針對(duì)原材料進(jìn)行碾壓，從而達(dá)到對(duì)材料所需要的厚度及形狀。原材料選擇與生產(chǎn)加工技術(shù)方法選擇中，都需要針對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)格的控制。壓型裂紋造成的直接原因，是由于汽輪機(jī)自身結(jié)構(gòu)限制（施工期間，也發(fā)生過(guò)材料問(wèn)題而導(dǎo)致的裂紋，這在裂紋產(chǎn)生后進(jìn)行探傷得出的結(jié)論，其中有橫向裂紋和縱向裂紋），導(dǎo)致面向鋼材所施加的碾壓力不能達(dá)到預(yù)期效果，受力不均衡造成厚板鋼結(jié)構(gòu)的密度出現(xiàn)差異性。

在此原料基礎(chǔ)上開(kāi)展的各項(xiàng)生產(chǎn)加工任務(wù)，自然容易產(chǎn)生裂紋隱患問(wèn)題。厚板鋼材所處環(huán)境也是造成壓型裂紋的直接原因，使用中長(zhǎng)期受外力影響，也將會(huì)造成這一嚴(yán)重問(wèn)題。

4 厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋控制措施

4.1 焊接裂紋控制

針對(duì)厚板鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的幾種常見(jiàn)引發(fā)原因，焊接加工處理中，首先需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)原材料焊接接頭部分的厚度，作出合理測(cè)量，二次驗(yàn)證確保測(cè)量所得結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋焊接處理，應(yīng)根據(jù)得到的鋼材料厚度測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行焊接前的預(yù)加熱處理，加熱時(shí)間上達(dá)到厚度要求標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)熱階段要注意溫度是由常溫逐漸升高的，避免忽然升高而導(dǎo)致原材料發(fā)生晶像組織轉(zhuǎn)變的問(wèn)題。選擇的焊接技術(shù)方法，盡量減少氫的使用，焊接中使用低氫焊條E50或E55，如果是使用CO2為保護(hù)氣體的焊接，可以使用藥芯焊絲，這樣焊接過(guò)程中的保護(hù)效果更佳明顯。如果焊接過(guò)程中需要補(bǔ)焊，則應(yīng)該在內(nèi)部引弧，最大程度保護(hù)表層結(jié)構(gòu)完整程度。焊接電弧電壓、焊絲、焊接電流都要根據(jù)施焊位置、工件厚度、焊絲直徑和熔滴過(guò)渡形式來(lái)選擇，電流的選擇要與電弧電壓恰好配合，對(duì)于不同位置要選擇不同的焊接方式，橫焊大多采用右向焊法，平焊多選擇左向焊法，立焊分為向上立焊和向下立焊，能清楚地看到焊縫和熔池，便于控制焊縫的成型。

焊接后環(huán)境溫度驟降也會(huì)造成冷裂紋產(chǎn)生，針對(duì)這一現(xiàn)象可以采用保溫技術(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)防，保溫后在兩小時(shí)內(nèi)緩慢降溫，這樣能夠有效避免溫度快速下降導(dǎo)致的焊接冷裂紋產(chǎn)生。焊接中盡量保證一次成型，如果需要二次修補(bǔ)焊接，在同一位置的反復(fù)施工修改次數(shù)不應(yīng)該超過(guò)兩次。經(jīng)探傷檢測(cè)裂紋深度，對(duì)于焊接中裂紋小于100mm的部分（裂紋深度滿(mǎn)足使用要求的），可以一次修補(bǔ)完成，如果焊接裂紋長(zhǎng)度超過(guò)100mm（裂紋深度滿(mǎn)足使用要求的），則需要對(duì)其進(jìn)行分段處理，確?？梢赃_(dá)到最佳的焊接控制效果。焊接前期準(zhǔn)備與焊接后的養(yǎng)護(hù)需要連續(xù)完成，避免中間出現(xiàn)時(shí)間間隔，除必要的等待時(shí)間，過(guò)多的時(shí)間間隔會(huì)造成焊接部位溫度變化不合理，預(yù)留隱患。

4.2 壓型裂紋控制

壓型裂紋的預(yù)防控制，需要從生產(chǎn)加工技術(shù)強(qiáng)化與使用環(huán)境優(yōu)化兩部分完成，碾壓前對(duì)厚板鋼材放置位置進(jìn)行確定，避免出現(xiàn)位置偏差的情況，對(duì)壓型設(shè)備的上、下胎進(jìn)行合理選擇；對(duì)壓力設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保壓力均衡并且能夠達(dá)到加工需要的最低壓力；汽輪機(jī)壓型零件的厚度要與壓型設(shè)備進(jìn)行互為考慮，確定是冷壓還是熱壓進(jìn)行碾壓。壓型裂紋控制要從多角度進(jìn)行，制作成能夠確保質(zhì)量安全的焊接工件。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)將會(huì)被越來(lái)越多的企業(yè)所應(yīng)用，尤其是在船體、鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，鋼結(jié)構(gòu)的前景必將無(wú)限光明。與此同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量問(wèn)題也必將會(huì)得到更多人的關(guān)注，施工人員在行業(yè)的發(fā)展中要把握住先機(jī)，應(yīng)切實(shí)有效的掌握先進(jìn)的工藝方法，把握世界前沿的施工技術(shù)，在施工中要嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)的精度，防患于未然，密切關(guān)注，監(jiān)督過(guò)程要從全局著眼，對(duì)施工工序嚴(yán)格把關(guān)，緊抓細(xì)節(jié)，達(dá)到前期預(yù)控、中期監(jiān)督、收工階段達(dá)標(biāo)的責(zé)任和義務(wù)。