碳鋼焊接裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

孫大偉 朱漢超 王紀(jì)賓

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

據(jù)不完全數(shù)據(jù)顯示鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生事故，有47%的原因都是焊接裂紋所導(dǎo)致。想要有效的預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生，必須要對(duì)焊接過(guò)程中所采取的焊接工藝和焊接前的準(zhǔn)備有充分的保障。

1 裂紋形成特征

通過(guò)對(duì)多個(gè)焊接構(gòu)件的觀察分析得出，出現(xiàn)裂紋的主要部位，位于焊接第一道垂直于焊縫魚(yú)鱗波紋的焊縫結(jié)晶匯合處，這一匯合處出現(xiàn)裂紋的主要部位是焊縫的頂端和焊縫的尾端。這一裂紋在焊接的過(guò)程中非常容易出現(xiàn)，這是因?yàn)橛梢后w轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的過(guò)程中，固體表面受到氧化和受熱所形成的熱裂紋[1]。

2 焊接裂紋產(chǎn)生的原因

2.1 工件材質(zhì)影響

不同的工件材質(zhì)在焊接的過(guò)程中，所表現(xiàn)出來(lái)的物理和化學(xué)特質(zhì)是不同的。不同的焊接材料本身的構(gòu)造也不同，通常來(lái)講廉價(jià)的焊接材料本身含有的碳元素較多、雜質(zhì)較多，在焊接的過(guò)程中非常容易受到溫度突然增加而導(dǎo)致內(nèi)部雜質(zhì)的燃燒，燃燒后的固體殘余物會(huì)滯留在焊縫處，最終會(huì)影響到焊接結(jié)果。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段的鋼結(jié)構(gòu)不斷朝著體量大，硬度高的方向發(fā)展，為了滿足鋼結(jié)構(gòu)的這一特性，在焊接的過(guò)程中大量的使用合金材料。合金材料的硬度非常高，這一點(diǎn)是毋庸置疑的，但焊接材料內(nèi)部的合金元素越多也就代表著這一材料本身的脆性越強(qiáng)，在焊接完成之后，受到外部的擠壓或撞擊等物理因素都容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。此外焊接母材料本身如果存在較多的褶皺，重皮或分層現(xiàn)象，則會(huì)加劇裂紋產(chǎn)生的可能性，并且一旦發(fā)生裂紋之后，另外本身會(huì)隨著這部分母材料的缺陷延伸方向而不斷延伸。

2.2 工件結(jié)構(gòu)的影響

上文中所說(shuō)，現(xiàn)階段所使用的焊接材料通常是以合金材料為主，這部分材料的硬度非常強(qiáng)，在焊接的過(guò)程中，由于焊接材料內(nèi)部受熱，引起擠壓和粘合，材料外部受力，必然會(huì)將這部分力轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)應(yīng)力，影響到材料內(nèi)部最終導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)實(shí)生活中焊接結(jié)構(gòu)不科學(xué)所導(dǎo)致的壓力容器出現(xiàn)裂紋，最終引起壓力容器爆炸的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。這一事故產(chǎn)生的主要原因是錯(cuò)邊和角變形所導(dǎo)致，集中表現(xiàn)為焊接部位所受外部影響力過(guò)大，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)應(yīng)力相應(yīng)增加，內(nèi)應(yīng)力無(wú)處釋放，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中受到外部因素影響而導(dǎo)致事故的發(fā)生[2]。

2.3 焊接規(guī)范性影響

焊接過(guò)程的規(guī)范性也會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生裂紋，這是因?yàn)樵诤附拥倪^(guò)程中大多是使用通電電流，電流所經(jīng)過(guò)的地方升溫非?？欤附又?，為了保障焊接工業(yè)通常會(huì)使用急劇冷卻的方式對(duì)焊接部位進(jìn)行冷處理，然而在處理的過(guò)程中，如果所使用的處理方式不恰當(dāng)，很容易導(dǎo)致焊接處的內(nèi)應(yīng)力無(wú)處釋放，最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。焊接工藝是現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)所使用的最為廣泛的一種工藝，這是因?yàn)楹附庸に嚨牟僮飨鄬?duì)簡(jiǎn)單，并且受場(chǎng)地影響較小，施工方便，但是焊接工藝本身所固有的缺陷也必然將會(huì)帶入到焊接完成之后的壓力容器之中。例如在焊接過(guò)程中受到焊接工藝影響所出現(xiàn)的裂紋，未融合、未焊透或者氣孔等現(xiàn)象往往會(huì)帶入到鋼結(jié)構(gòu)之中，迫使鋼結(jié)構(gòu)降低使用性能。

2.4 焊接接頭處拉伸殘余應(yīng)力影響

如上文中所述，焊接過(guò)程中，焊接處所受外部影響力過(guò)大，焊接材料會(huì)將這部分外部影響力轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部應(yīng)力，如果在焊接完成之后未使用焊接熱處理等方式，對(duì)這部分殘余用力進(jìn)行消除，這部分殘余應(yīng)力必然會(huì)對(duì)內(nèi)部構(gòu)建產(chǎn)生影響。如果焊接之后，滯留在設(shè)備上的殘余應(yīng)力過(guò)高，并且在使用過(guò)程中所受到外部較大的沖擊力，壓力容器本身所使用的合金材料脆性強(qiáng)，在這部分外力的多重打擊之下，非常容易出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象[3]。

3 預(yù)防措施

3.1 做好焊接前的準(zhǔn)備

焊接前務(wù)必要對(duì)焊接材料做好充分的清理準(zhǔn)備，將焊接材料表面所攜帶的灰塵，鐵銹等因素予以全部剔除。焊接前還應(yīng)該使用正確的預(yù)熱溫度和預(yù)熱范圍，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)挠脽釡囟?，可以讓焊接材料提前適應(yīng)焊接強(qiáng)度，并且在焊接完成之后適當(dāng)?shù)念A(yù)熱也可以有效的增加焊接處的冷卻速度。不同焊接材料的預(yù)熱溫度也應(yīng)有所不同，具體的預(yù)熱溫度應(yīng)由焊接工藝和焊接材料雙重因素來(lái)判斷。通常來(lái)講，預(yù)熱范圍應(yīng)該是邊坡口兩側(cè)的三倍左右。當(dāng)外部環(huán)境較低時(shí)預(yù)熱的溫度應(yīng)適當(dāng)提升。并且在預(yù)熱的過(guò)程中不能出現(xiàn)停頓，應(yīng)對(duì)焊接處整段材料進(jìn)行預(yù)熱，切記出現(xiàn)分段預(yù)熱處理。

3.2 選擇合適的焊接材料

不同的焊接材料，在焊接結(jié)束之后所取得的焊接效果是不一樣的，現(xiàn)階段使用最廣泛的焊接材料是E5016焊條，這些焊條對(duì)于外部金元素的適應(yīng)能力相對(duì)較強(qiáng)，并且對(duì)于能夠很好的處理焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的大量碳元素[4]。

3.3 制定合理的焊接工藝

焊接工藝對(duì)于焊接結(jié)果的影響是非常大的，尤其體現(xiàn)在對(duì)于焊縫的處理方面。例如選擇合適的刨道坡口可有效的提升焊接質(zhì)量。此外還應(yīng)合理的選擇焊接順序，通過(guò)使用合理的焊接順序，可有效控制整個(gè)焊接過(guò)程的收縮與膨脹，可將焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行有效消除。焊接電流，對(duì)焊接工藝也會(huì)產(chǎn)生一定影響，焊接的過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行整段焊接，盡量避免分段焊接。當(dāng)然迫不得已的時(shí)候需要中斷焊接過(guò)程，則需要對(duì)已經(jīng)焊接的部分實(shí)施熱處理，通過(guò)保溫的方式來(lái)防止焊接部位出現(xiàn)裂縫。

3.4 改進(jìn)現(xiàn)有的操作方式

直線形運(yùn)條方式會(huì)使熔池窄而深，終端收弧突然，形成凹陷弧坑，這是產(chǎn)生裂縫的因素。因此，應(yīng)改直線形運(yùn)條為鋸齒形或月牙形運(yùn)條，提高熔池的寬度，加強(qiáng)焊縫強(qiáng)度。收弧要慢并回運(yùn)一段，以填平終端弧坑。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碳鋼焊接裂紋的產(chǎn)生，對(duì)于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)本身會(huì)造成非常惡劣的影響，可以說(shuō)是鋼結(jié)構(gòu)本身所面臨的最為危險(xiǎn)的一種威脅方式。裂紋的產(chǎn)生不僅會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)報(bào)廢甚至?xí)霈F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)爆炸等現(xiàn)象，會(huì)直接影響到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。