鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

裘建華 俞海濤 高玲麗

摘要：根據(jù)高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋的三大要素共同作用產(chǎn)生裂紋的機(jī)理，對其技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，重點(diǎn)分析延遲裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)通過工程案例進(jìn)行了說明。對冷裂紋中的較特殊的種類“橫向裂紋”進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對某工程高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋提出了處理方案，在此基礎(chǔ)上提出了如何防止焊接冷裂紋產(chǎn)生的方法;對容易誤解的觀點(diǎn)進(jìn)行了論證;對實(shí)際工程中高強(qiáng)鋼冷裂紋的防止有一定的參考應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼焊接;橫向裂紋;處理及防止

中圖分類號：TG441.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0104-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.20

0? ? 前言

根據(jù)GB/T1591-2018 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)，我國自2019年起不再生產(chǎn)Q345鋼，由Q355取代，即我國的鋼材同國際接軌，GB/T1591-2018中全部鋼種均為高強(qiáng)鋼，焊接技術(shù)重要性不言而喻。Q355M鋼為TMCP鋼（thermomechanical processed，也稱“ 控制軋制 ”），具有一定的特殊性，除具有低碳、微合金性能外，S、P含量很低，晶粒度小，其碳當(dāng)量和其他牌號的高強(qiáng)鋼幾乎相同，即焊接性相似。Q355M具有低碳、微合金、純凈化、細(xì)晶粒的特點(diǎn)，除實(shí)際強(qiáng)度略低外，其他基本符合高強(qiáng)鋼的基本特性。

目前，我國現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程已經(jīng)大規(guī)模采用Q390、Q420、Q460高強(qiáng)鋼，有的達(dá)到了工程總體用鋼的40%以上，鋼結(jié)構(gòu)工程正在向大型化和高參數(shù)方向發(fā)展。然而，目前掌握高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的單位和個(gè)人很少，高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的推廣工作面臨很大困難，最典型的是在推行“ 多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù) ”時(shí)阻力很大。人們對于“ 減少和取消碳弧氣刨 ”的觀點(diǎn)不理解，對于強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)鋼焊接一次合格率100%，很多單位仍然按照落后的錯(cuò)誤技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼的焊接，這是潛在的隱患。

1 高強(qiáng)鋼焊接冷裂產(chǎn)生的機(jī)理及危害

冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度下（Ms溫度以下）產(chǎn)生的焊接裂紋。它是高碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、工具鋼、鈦合金及鑄鐵等材料焊接中易出現(xiàn)的一種工藝缺陷。

生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究證明，擴(kuò)散氫的含量、鋼材的淬硬傾向、焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)是形成冷裂紋的三大要素[1]。這三大要素共同作用達(dá)到一定程度時(shí)，焊接接頭上就形成了裂紋[2]。

高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋可能在焊后立即出現(xiàn)，可能要經(jīng)過一段時(shí)間如幾小時(shí)、幾天、甚至更長時(shí)間才出現(xiàn)。開始時(shí)少量出現(xiàn)，隨時(shí)間增長逐漸增多和擴(kuò)展。對于這類不是在焊后立即出現(xiàn)的冷裂紋稱為延遲裂紋，它是冷裂紋中較為常見的一種形態(tài)，也是危害性最大的裂紋形態(tài)。

隨著強(qiáng)度級別的提高，板厚的增大，冷裂紋傾向增大。如果冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，會(huì)增加冷裂紋的敏感性，強(qiáng)度越高，冷裂問題將越突出，其危害十分嚴(yán)重，甚至是災(zāi)難性后果，如圖1所示。

分析認(rèn)為，對于淬硬傾向低的鋼材，由于其塑性儲(chǔ)備高，對應(yīng)力集中不敏感，誘發(fā)裂紋所需的臨界含氫量與臨界應(yīng)力值都高，所以延遲裂紋的孕育期長，裂紋傾向低。反之，對于淬硬傾向高的鋼材，由于塑性變形能力低，容易在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，不僅誘發(fā)延遲裂紋所需的臨界應(yīng)力低，而且臨界含氫量也低，所以裂紋傾向大[3]。

由于GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的高強(qiáng)鋼具有淬硬傾向，是冷裂紋產(chǎn)生的必要條件，與Q345相比，在擴(kuò)散氫、拉應(yīng)力場的共同作用下極易產(chǎn)生冷裂改。近期橋梁及建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼（Q390、Q420）焊接工程中不斷出現(xiàn)冷裂紋現(xiàn)象，引起了人們的高度重視。

2 某工程中高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生及防止

冷裂紋多數(shù)出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)，但一些厚大焊件、超高強(qiáng)鋼及鈦合金也出現(xiàn)在焊縫上;裂紋的起源多發(fā)生在具有缺口效應(yīng)的焊接熱影響區(qū)或物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶，裂紋有時(shí)沿晶界擴(kuò)展，有時(shí)是穿晶前進(jìn)，這是由焊接接頭的金相組織、應(yīng)力狀態(tài)和氫的含量等而定。較多的是從沿晶為主兼有穿晶的混合形斷裂，因此，冷裂紋的種類很多，其中橫向裂紋極其不易識別，如圖2所示。

2.1 某工程鋼結(jié)構(gòu)焊接橫向冷裂紋案例

2016年3月底，某工程高強(qiáng)鋼焊縫岀現(xiàn)大面積裂紋，經(jīng)處理后一段時(shí)間，裂紋仍然少量出現(xiàn)，因此延誤工期，這是一起典型的高強(qiáng)鋼橫向冷裂紋案例，如圖3所示。

（1）高強(qiáng)鋼橫向冷裂紋產(chǎn)生的原因。

某工程裂紋出現(xiàn)的時(shí)段是春節(jié)前后的嚴(yán)寒季節(jié)，氣溫約為-11℃，并且時(shí)有大風(fēng)大雨。施工單位在業(yè)主要求下，為搶工期堅(jiān)持施工。

嚴(yán)格來說這種氣候條件并不適合焊接，因此工程焊接出現(xiàn)十分嚴(yán)重的問題，UT探傷反饋焊縫出現(xiàn)了大面積的裂紋。焊縫第一次探傷情況為：24 h內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋，但在一周后復(fù)查時(shí)發(fā)現(xiàn)大面積裂紋，特別是仰焊部位居多。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凡在該低溫高濕階段焊接的焊縫基本上都出現(xiàn)了裂紋，且數(shù)量較大。由于當(dāng)時(shí)對裂紋性質(zhì)認(rèn)識不清，決定按原來的施工技術(shù)對裂紋進(jìn)行了處理。然而在返工處理一周后復(fù)查，雖然裂紋數(shù)量大幅減少，但仍然有裂紋發(fā)生[4]。

（2）高強(qiáng)鋼橫向冷裂紋產(chǎn)生機(jī)理。

在國內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)中，焊接橫向冷裂紋闡述的很少，因此當(dāng)橫向裂紋出現(xiàn)時(shí)，對其性質(zhì)認(rèn)識不清。但施工方仍有總結(jié)提高之處。

根據(jù)全面質(zhì)量管理“ 人、機(jī)、料、法、環(huán) ”五大要素進(jìn)行分析：人——焊工持證上崗;機(jī)——焊機(jī)質(zhì)量良好; 料——母材Q420GJD、δ=50～60 mm，采用藥芯焊絲;法——（技術(shù)方案有待提高）沒有連續(xù)施焊、后熱消氫處理;環(huán)——?dú)鉁?11～-8 ℃、雨大風(fēng)急（相對濕度100%）。

（3）施工技術(shù)方案。

施工方在仰焊位置采用FCAW-G技術(shù)，并采用了藥芯焊絲，而藥芯焊絲給工程帶來了困難。

①藥芯焊絲工藝性好，比較適合仰焊位置施焊，但含氫量較高，管理十分復(fù)雜。藥芯焊絲一旦開封，最好一次用完（在工地現(xiàn)場基本無法做到），因?yàn)樗幮竞附z極易在空氣中吸潮，進(jìn)一步增加了藥芯焊絲的氫含量，這是產(chǎn)生焊縫冷裂紋的一個(gè)原因[5]。

②焊接母材為Q420GJD，板厚60 mm，屬高強(qiáng)鋼，容易形成焊接殘余應(yīng)力場，淬硬傾向十分明顯，這也是冷裂紋產(chǎn)生的原因。

理論分析認(rèn)為：厚度60 mm、長約2 m的Q420焊縫可以產(chǎn)生很大的縱向收縮，由于焊接接頭的剛（厚）度很大，限制了焊縫的縱向收縮，從而形成了焊后殘余拉應(yīng)力場。

這一點(diǎn)撲朔迷離，也影響了人們對橫向裂紋的正確認(rèn)識， 為此進(jìn)行了以下分析：

某工程所形成的拉應(yīng)力是由焊接變形轉(zhuǎn)換成的焊接殘余應(yīng)力，形成橫向裂紋的拉應(yīng)力場變?yōu)楹缚p的縱向收縮，縱向收縮量估算公式為：

ΔL=K1·Aw·L/A

式中 Aw為焊縫截面積（單位：mm2）;A為桿件截面積（單位：mm2）;L為桿件長度（單位：mm）;ΔL為焊縫的縱向收縮量（單位：mm）;K1為與焊接方法、材料熱膨脹系數(shù)和多層多道焊的層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，不同的焊接方法其系數(shù)K1不同，GMAW的K1為0.043，SAW的K1為0.071～0.076，SMAW的K1為0.048～0.057。

由于估算公式屬于經(jīng)驗(yàn)公式類型，應(yīng)在工程實(shí)踐中驗(yàn)證修改，為便于工程應(yīng)用，引入3個(gè)焊縫縱向收縮量的近似值：對接焊縫為0.15～0.30 mm/m;連續(xù)角焊縫0.20～0.40 mm/m;間斷角焊縫0～0.10 mm/m。以上數(shù)據(jù)是在寬度約為15倍板厚的焊縫區(qū)中的縱向收縮量。

③環(huán)境因素。

焊接現(xiàn)場又冷又濕，濕度近乎100%，即使防護(hù)措施再好，焊縫的含氫量也會(huì)增加。裂紋分布與最大應(yīng)力方向有關(guān)，縱向應(yīng)力大，出現(xiàn)橫向裂紋;橫向應(yīng)力大，出現(xiàn)縱向裂紋。延遲裂紋是焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕育期（又稱潛伏期），具有延遲現(xiàn)象，它在生產(chǎn)中較為常見，其取決于鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)和熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。

橫向裂紋是較為特殊的裂紋種類。AWS D 1.5對此有闡述：橫向裂紋垂直于焊縫的軸線。它們可能位于焊縫金屬、母材或兩者都有。橫向裂紋可能尺寸有限并完全包容在焊縫之中，也可能從焊縫金屬擴(kuò)展到鄰近的熱影響區(qū)并進(jìn)一步進(jìn)入非熱影響區(qū)的母材中。發(fā)源于焊縫金屬的橫向裂紋通常是縱向收縮應(yīng)力作用于過分硬（脆）的焊縫金屬的結(jié)果，發(fā)源于焊縫區(qū)的橫向裂紋通常是氫致裂紋。

該工程中的橫向氫致裂紋符合氫致裂縱（冷裂紋）三大要素共同作用產(chǎn)生焊接冷裂紋的觀點(diǎn)。

2.2 高強(qiáng)鋼橫向冷裂紋的防止措施

弄清楚某工程橫向冷裂紋產(chǎn)生機(jī)理后，問題也就迎刃而解。

（1）采用理論上的無（超低）氫焊接技術(shù)，也即GMAW（實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊）工藝和超低氫型焊條返工。

（2）采用焊后消氫熱處理技術(shù)。

氫含量的減少破壞了形成冷裂紋三大要素的組合效應(yīng)，延長了延遲裂紋的孕育期，為消除氫致裂紋的產(chǎn)生提供了技術(shù)支持。但是由于現(xiàn)場無法定量分析，不知確切的效果，最保險(xiǎn)的還是采用焊后消氫熱處理。研究證實(shí)，凡是進(jìn)行了消氫處理的焊縫，幾乎100%不出現(xiàn)冷裂紋。

（3）T100是焊縫殘余氫逸出的關(guān)鍵時(shí)間。

在焊接應(yīng)用技術(shù)的理論中，T100是十分重要的參數(shù)。研究證實(shí)，焊縫在100 ℃以上殘余氫才能順利逸出;當(dāng)?shù)陀?00 ℃時(shí)，殘余氫會(huì)聚集在焊縫后應(yīng)力集中處（比如咬肉），形成聚集效應(yīng)而產(chǎn)生裂紋。

（4）三大關(guān)鍵參數(shù)決定了焊后消氫熱處理工藝的技術(shù)內(nèi)涵。

在正常焊接中，“ 緊急保溫 ”可以適當(dāng)延長T100。“ 緊急保溫 ”是清華大學(xué)陳伯蠡教授提出的低成本延長T100的觀點(diǎn)，現(xiàn)場容易操作，成本低，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，其效果受現(xiàn)場條件限制。要真正消除焊縫殘余氫，必須有更加可靠的消氫熱處理工藝。

T100、T8/5、T8/3是焊接應(yīng)用技術(shù)中的3個(gè)重要參數(shù)，如圖4所示。三個(gè)參數(shù)功能各有不同，T8/5、T8/3的長短決定母材焊縫及HAZ晶粒度的大小和綜合性能，是要求很高的時(shí)間參數(shù)，為保證質(zhì)量，這兩個(gè)參數(shù)不能過長或過短，T8/5、T8/3過長會(huì)導(dǎo)致焊縫及HAZ晶粒粗大，進(jìn)而使接頭出現(xiàn)脆化及軟化，產(chǎn)生斷裂。因此，在焊接中用增加線能量和預(yù)熱溫度來增加T100是不允許的，也是不現(xiàn)實(shí)的[6]。

正常焊接中，要延長T100就必須同時(shí)延長T8/5、T8/3。但是，當(dāng)焊縫完成T8/5、T8/3后（即冷卻到300 ℃以下時(shí)），重新對焊縫加熱可以在不影響T8/5、T8/3的同時(shí)延長T100，于是焊后消氫熱處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

3 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼的焊接重點(diǎn)是防止冷裂紋的產(chǎn)生，而防止冷裂紋出現(xiàn)的重點(diǎn)是焊后消氫處理。焊后消氫熱處理內(nèi)容為：焊縫在焊接完成冷卻到常溫之后，用火焰或電加熱器把焊縫及HAZ溫度提高到200 ℃～250 ℃，之后保溫1～2 h，然后保溫緩冷。

焊后消氫熱處理技術(shù)操作性強(qiáng)、效果好，成本較高，但為了保證工程質(zhì)量，建議在重點(diǎn)工程中應(yīng)推廣應(yīng)用，從而大幅減少焊接鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼冷裂紋的產(chǎn)生，提升高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量。

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