徐錦華

（陜西開放大學(xué)，陜西 西安 710119）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷蓬勃發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)的橫向縱向的深度聯(lián)動(dòng)影響，建筑行業(yè)也逐漸一步一步得到了質(zhì)的發(fā)展。各建筑施工企業(yè)為提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，達(dá)到綜合收益價(jià)值的最大利益化，往往會(huì)進(jìn)一步提升相關(guān)技術(shù)和把控工程質(zhì)量。經(jīng)過我們對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的調(diào)查與分析，我們發(fā)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接雖然會(huì)因優(yōu)化材料、技術(shù)更新等因素而質(zhì)量提高，但是有些裂紋問題仍然存在。本文將對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的這三類裂紋特征與產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行概括總結(jié)，提出實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的有效防治具體措施，以期為我國的建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域的發(fā)展提供一點(diǎn)建議。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接重難點(diǎn)

建筑鋼結(jié)構(gòu)指主要由鋼制材料組成的建筑施工結(jié)構(gòu)，主要由鋼梁、鋼柱、鋼桁架等附件構(gòu)架組成，各構(gòu)件或部件之間通常采用焊縫、螺栓進(jìn)行連接。就現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展來看，建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接重難點(diǎn)有：

（1）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，焊接接頭形式多、板厚大、焊縫密集，導(dǎo)致焊接接頭剛性約束大，焊縫自由收縮困難，焊接接頭產(chǎn)生裂紋、層狀撕裂的可能性隨之提高[1]。

（2）在材質(zhì)方面，施工企業(yè)多采用低合金高強(qiáng)鋼作為原材料，低合金高強(qiáng)鋼的碳含量較高，焊接性較差，鋼材淬硬傾向大，焊縫容易出現(xiàn)延遲裂紋。

（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝受不同工種交叉作業(yè)和高空操作等因素影響，安裝難度較大。

2 裂紋的判定條件及產(chǎn)生機(jī)理

在建筑鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)施具體的焊接過程中，一般根據(jù)實(shí)際產(chǎn)生機(jī)制的不同將出現(xiàn)的裂紋分為：建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中的熱裂紋、冷裂紋和厚板工程中的層狀撕裂。

2.1 熱裂紋的判定和產(chǎn)生機(jī)理

低合金高強(qiáng)鋼中除含碳量較高，通常還含有一些S、P雜質(zhì)，S、P雜質(zhì)的含量值在正常含量區(qū)域內(nèi)的話一般不對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，但是如果S、P雜質(zhì)含量超過正常標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)在焊接縫處冷凝凝結(jié)成低熔點(diǎn)結(jié)晶物，這些結(jié)晶物在后期的施工過程中聚集受壓縮用力被擠至焊接縫處且呈現(xiàn)有規(guī)律的縱向分布的液體薄膜狀態(tài)。受空氣遇冷凝固收縮的作用影響，焊縫處作業(yè)后處于高溫狀態(tài)，此時(shí)結(jié)晶聚集產(chǎn)生的液體薄膜被應(yīng)力撕裂，產(chǎn)生裂紋，同時(shí)出現(xiàn)可視的氧化色彩。

2.2 冷裂紋

2.2.1 冷裂紋的判定特征

冷裂紋與熱裂紋相反，冷裂紋出現(xiàn)的溫度一般處于焊縫在焊接施工冷卻過程中鋼材溫度降到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)（300℃～200℃以下），出現(xiàn)的時(shí)期一般在焊接過程的后期，也有時(shí)會(huì)在焊接過程中出現(xiàn)。與熱裂紋即時(shí)出現(xiàn)相對(duì)，對(duì)于這種焊接后不立即出現(xiàn)的裂紋叫做延遲裂紋即冷裂紋。一般出現(xiàn)在低、中合金鋼焊接區(qū)域，因其具有的時(shí)間順移特點(diǎn)而具有一定的隱匿性和延續(xù)性，需要較長(zhǎng)時(shí)間的觀察和檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。

2.2.2 冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理

一般來說，冷裂紋形成的影響因子一般有以下幾點(diǎn)：焊接過程中產(chǎn)生、擴(kuò)散并濃集的氫氣；焊接接頭形成的易開裂的鋼組織結(jié)構(gòu)形式；發(fā)力作用在焊接接頭上的拉應(yīng)力。前人已有研究證明，產(chǎn)生冷裂紋的原因主要是在于焊接接頭的含氫量濃度。通常氫的來源有多種途徑，如焊條中的有機(jī)物、結(jié)晶產(chǎn)生的液體薄膜及焊接坡口附近的水分、油污等。在焊接的實(shí)際施工過程中，大量的氫會(huì)進(jìn)行飽和溶解，在焊接后期的冷卻凝固過程中，氫的溶解度隨時(shí)間的推移逐漸下降，導(dǎo)致氫分子沒有及時(shí)被排出焊接接頭處，被桎梏在鋼材質(zhì)從而進(jìn)一步使氫的在焊接縫隙中處于飽和狀態(tài)，氫氣逐漸濃集對(duì)鋼結(jié)構(gòu)冷裂紋的產(chǎn)生埋下潛伏因子。

同時(shí)焊接接頭的拘束度也會(huì)導(dǎo)致焊接冷裂紋的產(chǎn)生，通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，要防止進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的不均勻加熱現(xiàn)象和焊接作業(yè)結(jié)束后鋼材冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，鋼材金屬變化產(chǎn)生的一些結(jié)構(gòu)上的組織應(yīng)力等這些拘束應(yīng)力產(chǎn)生。另外，當(dāng)選用的母材的含碳量高于合格標(biāo)準(zhǔn)、冷卻速度過快、焊接應(yīng)控制區(qū)域硬化，也會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[2-5]。

2.3 層狀撕裂

2.3.1 層狀撕裂的判定特征

層狀撕裂是建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼材產(chǎn)生的一種內(nèi)部的低溫開裂現(xiàn)象，是在焊接構(gòu)件中沿鋼板軋層形成的呈階梯狀即“臺(tái)階”式層狀的一種裂紋。一般來說，層狀撕裂敏感溫度區(qū)間居于400℃以下，沿?zé)嵊绊憛^(qū)附近出現(xiàn)穿晶或沿晶并進(jìn)行作用。一般產(chǎn)生在T字型、K字型厚板的角焊焊接頭處。

根據(jù)層狀撕裂產(chǎn)生的位置大體可以分為三類：

（1）在焊接熱影響區(qū)受焊根冷裂紋誘發(fā)而形成的層狀撕裂。

（2）受焊縫遇冷空氣進(jìn)行收縮效應(yīng)而造成較強(qiáng)的拉伸應(yīng)力影響，從而在焊接熱影響區(qū)非金屬夾雜物分布處沿焊接縫擴(kuò)展產(chǎn)生層狀撕裂。

（3）在遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材的區(qū)域沿焊接縫夾雜開裂，一般多出現(xiàn)在有較多MnS的片狀?yuàn)A雜的厚板結(jié)構(gòu)中。

2.3.2 層狀撕裂的產(chǎn)生機(jī)理

層狀撕裂的主要原因是建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼材內(nèi)部本身存在沿軋制方向的一定數(shù)量的非金屬夾雜物（如硫化物、硅酸鹽等），在焊接作業(yè)進(jìn)行軋制的過程中被碾軋成帶狀后發(fā)生脆化作用，從而使金屬材料在板厚方向的金屬塑性變形能力降低，出現(xiàn)階梯狀裂紋，產(chǎn)生層狀撕裂現(xiàn)象。

另外還受焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于金屬材料厚度方向的拉應(yīng)力影響。當(dāng)鋼材的厚壁焊接結(jié)構(gòu)承受了不同方向和作用的Z向拘束應(yīng)力、焊后的殘余應(yīng)力，就會(huì)形成合力作用，對(duì)受力部分產(chǎn)生不均勻的向?qū)Х磻?yīng)，從而產(chǎn)生層狀撕裂。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的解決途徑

3.1 熱裂紋的防治措施

第一，要限制鋼結(jié)構(gòu)焊縫的化學(xué)成分，盡可能將S、P的含量控制在符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值范圍內(nèi)，從而降低焊縫的含碳量，改善鋼材含碳量和含錳量的配比。第二，采用向焊縫金屬加變質(zhì)劑，調(diào)整焊縫金屬化學(xué)成分，要改變焊縫組織狀態(tài)，在焊縫中爭(zhēng)取形成金屬疊加的雙向組織，細(xì)化焊縫品粒，使低熔點(diǎn)共晶不能集中分布,從而減少熱裂紋的傾向。第三，要擴(kuò)大焊縫寬度與深度的比例，通過焊接的鋼材碳含量配比超過0.04%時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)碳化物，所需的鋼結(jié)構(gòu)材料量越多，鋼的耐蝕性越低，脆性將大幅度增加。選擇合理的焊接順序和焊接方向。第四，要采用堿性焊條或焊劑，以降低焊縫中的雜質(zhì)含攝，改善結(jié)晶時(shí)的偏析程度。

3.2 冷裂紋的防治措施

冷裂紋又稱作延遲裂紋，這種裂紋通常產(chǎn)生在焊接作業(yè)進(jìn)行時(shí)或焊接作業(yè)結(jié)束后一段時(shí)間。我們知道，碳鋼低合金鋼焊接產(chǎn)生延遲裂紋的三要素是擴(kuò)散氫、淬硬組織和拘束度。因此要防止冷裂紋的產(chǎn)生，主要有以下幾點(diǎn)措施：

（1）由于冷卻速度的不均勻變化，晶格畸變會(huì)產(chǎn)生脆硬馬氏體組織。施工企業(yè)應(yīng)根據(jù)相關(guān)的規(guī)定要求進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后熱處理，降低冷卻速度，保持焊接時(shí)工件上的熱量，延緩冷裂紋的出現(xiàn)時(shí)間。

（2）選用低氫或超低氫或其他焊接材料，使用堿性焊條或焊劑，焊條和焊劑在使用前焊接技術(shù)施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定要求進(jìn)行烘干。在使用時(shí)，要認(rèn)真清理坡口和焊絲，打磨清理表面雜物，擦干去除油污、水分和銹斑等水跡臟污，另外在使用時(shí)、使用后注意保管，以增加抗裂性能。

（3）采取可降低焊接應(yīng)力的各種工藝措施，選擇正確的焊接方向和焊接順序，及時(shí)對(duì)焊接接頭的預(yù)熱、散熱溫度進(jìn)行確定（常用兩種標(biāo)準(zhǔn)方法：EN1011和AWS D1.1），減少氫含量擴(kuò)散和聚集，保證焊接熱輸入和焊接后的自由收縮度，降低金屬型變的內(nèi)應(yīng)力。

3.3 層狀撕裂的防治措施

層狀撕裂是一種內(nèi)部的低溫開裂，屬于冷裂紋的一種特殊形式。進(jìn)行焊接作業(yè)施工后再鋼結(jié)構(gòu)表面不易發(fā)現(xiàn)，因此在鋼結(jié)構(gòu)焊接中層狀撕裂危險(xiǎn)性較大，要防止層狀撕裂需從以下幾點(diǎn)考慮：

（1）在根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)地選材時(shí)，施工人員除要在保證材料質(zhì)量的基礎(chǔ)上，充分考慮滿足一定的抗冷裂條件外，還要盡量選擇抗層狀撕裂性能好的Z向鋼材。

（2）切實(shí)提高鋼板質(zhì)量，減少鋼材中層狀?yuàn)A雜物的含量配比。

（3）優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高焊接工藝水平，以減少板厚方向的焊接拉伸應(yīng)力，防止層狀撕裂。

（4）在對(duì)厚板進(jìn)行焊接作業(yè)前，進(jìn)行板材的超聲波和坡口滲透檢查，核驗(yàn)分層夾雜物的情況，若出現(xiàn)超過合格標(biāo)準(zhǔn)的層狀?yuàn)A雜物，要事先進(jìn)行相關(guān)修補(bǔ)打磨處理。

需要注意的是，由于在建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)中，層狀撕裂的影響很大，它直接關(guān)系到建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體施工質(zhì)量，甚至對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)效應(yīng)。因此需要在施工之前，要求相關(guān)施工人員對(duì)鋼材層狀撕裂的敏感性作出直接、準(zhǔn)確、可靠的實(shí)效性判斷。

3.4 嚴(yán)格焊接的質(zhì)量驗(yàn)收工作

在實(shí)施建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接作業(yè)期間，施工監(jiān)理部門在堅(jiān)持國家和行業(yè)的相關(guān)質(zhì)檢要求和規(guī)定的要求下，要利用科學(xué)合理的質(zhì)檢措施以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制手段，發(fā)揮監(jiān)理部門的職能，對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工質(zhì)量進(jìn)行多角度、全范圍的質(zhì)量審核。在焊接結(jié)束后，施工企業(yè)的監(jiān)理專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊件的質(zhì)量檢查工作，這樣能夠在第一時(shí)間內(nèi)避免焊后開裂的情況，減少冷裂紋等的出現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，要及時(shí)分析其中存在的問題，修改焊接方案，實(shí)施補(bǔ)焊等挽救措施。在焊接的時(shí)候也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，施工企業(yè)單位要進(jìn)一步確保施工人員嚴(yán)格地按照焊接相關(guān)的工藝流程進(jìn)行操作，確保焊接的規(guī)范性。

3.5 加大培訓(xùn)施工人員安全意識(shí)和專業(yè)素質(zhì)的力度

施工技術(shù)人員作為建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接工程中的施工主體，其個(gè)人的世界觀、技術(shù)能力和綜合素質(zhì)都會(huì)對(duì)給建筑項(xiàng)目工程的質(zhì)量造成一定的影響。要加大培訓(xùn)施工人員安全意識(shí)和專業(yè)素質(zhì)的力度，施工單位和相關(guān)部門必須針對(duì)焊接作業(yè)施工前期發(fā)現(xiàn)及預(yù)測(cè)的一系列可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)聚集施工人員開展一系列的專業(yè)操作教育和專業(yè)培訓(xùn)工作。在實(shí)際施工期間，施工人員需要持續(xù)地接受系統(tǒng)全面的專業(yè)教育和素質(zhì)培訓(xùn)，盡可能做到經(jīng)過專業(yè)示范操作演示及相關(guān)審核測(cè)試過關(guān)后再進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)開展作業(yè)。焊接人員應(yīng)當(dāng)充分掌握各種類型裂紋產(chǎn)生的具體原因，強(qiáng)化自身的專業(yè)素質(zhì)和安全技術(shù)認(rèn)知，在焊接的過程中，能夠采取恰當(dāng)?shù)姆乐未胧?，要在選擇合適的焊接電流的基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)工藝進(jìn)行校正、控制好焊接參數(shù)，根據(jù)所選擇的焊接材料選擇恰當(dāng)?shù)氖┕すに?，從而減少裂紋的出現(xiàn)。還要通過對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的裂紋問題的實(shí)際解決案例進(jìn)行分類講解，直接地向他們展示合理、正確的施工操作流程及各類儀器附件設(shè)備的使用方法[6]。

4 結(jié)語

裂紋通常有熱裂紋、冷裂紋和厚板工程中的層狀撕裂之分。施工現(xiàn)場(chǎng)中各種裂紋的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素都不相同，因此，在具體的工程施工過程中，施工人員應(yīng)綜合分析建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接特點(diǎn)及產(chǎn)生焊接裂紋的各方面因素，采取適當(dāng)措施對(duì)焊接裂紋進(jìn)行有效防治，以保證建筑鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量、降低生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)成本、提高生產(chǎn)效率，真正實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目綜合效益的最大化。同時(shí)促進(jìn)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量的提升，為城市的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)有力支持。