有關(guān)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝評(píng)定和裂紋的探討

本文通過(guò)實(shí)例簡(jiǎn)述了進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)，應(yīng)聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，為應(yīng)用而進(jìn)行評(píng)定，才能起到指導(dǎo)生產(chǎn)的作用；以及鋼結(jié)構(gòu)制作中，面對(duì)產(chǎn)生裂紋時(shí)，要進(jìn)行全面仔細(xì)的分析，找出引起裂紋的主要原因，并予以防止的方法。

焊接工藝評(píng)定；聯(lián)系實(shí)際；評(píng)定；裂紋；原因；方法

前 言

建筑鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)是從上世紀(jì)八十年代末，迅猛發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興行業(yè)。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，現(xiàn)已具備一定的規(guī)模。建筑鋼結(jié)構(gòu)已從輕鋼發(fā)展到重鋼；從單層廠房發(fā)展到多層廠房；從H型結(jié)構(gòu)到十字型、箱型結(jié)構(gòu)；從多層建筑到高層、超高層建筑。其應(yīng)用之廣，可謂名目繁多。從一般的民用住宅到工業(yè)廠房、機(jī)場(chǎng)航站樓、體育場(chǎng)館、電視塔、摩天大樓……應(yīng)有盡有。隨著技術(shù)含量的日益提高，對(duì)產(chǎn)品的制作質(zhì)量要求也愈來(lái)愈高。本文就鋼結(jié)構(gòu)制作中，對(duì)焊接工藝評(píng)定和裂紋的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際案例分析，提出具體操作要求和防止方法，以便促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

一、關(guān)于焊接工藝評(píng)定

建筑鋼結(jié)構(gòu)制作中，規(guī)定要做工藝評(píng)定，是由 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》GB50205-2001提出的。但實(shí)際是從 《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002實(shí)施后，才真正有的。因?yàn)橐郧暗?《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》JGJ81-91雖有工藝試驗(yàn)的規(guī)定，但缺少詳細(xì)的實(shí)施細(xì)則，使實(shí)際操作無(wú)據(jù)可依。加上很多鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)處于初期創(chuàng)業(yè)階段，缺乏技術(shù)力量，行業(yè)也還沒(méi)有統(tǒng)一的組織和領(lǐng)導(dǎo)。因此，一般企業(yè)均不做焊接工藝評(píng)定。有的較大的企業(yè)雖然做了，但大都參照機(jī)械行業(yè)《鍋爐與壓力容器技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求來(lái)做的，具有行業(yè)的局限性。

焊接工藝評(píng)定其實(shí)是鋼結(jié)構(gòu)制作的一項(xiàng)焊接技術(shù)準(zhǔn)備工作，是企業(yè)制定工藝規(guī)程等技術(shù)文件的依據(jù)，是用來(lái)證明鋼結(jié)構(gòu)工程制作時(shí)所采用的焊接工藝能滿足鋼結(jié)構(gòu)的使用性能的見(jiàn)證文件，也是提供給監(jiān)督管理部門進(jìn)行開(kāi)工審批、制作過(guò)程監(jiān)理、竣工驗(yàn)收的必備文件。因此，現(xiàn)在凡是比較大一點(diǎn)的工程，業(yè)主單位、監(jiān)理單位等都有這方面的要求，所以進(jìn)行焊接工藝評(píng)定工作已逐漸成為鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝企業(yè)必不可少的一項(xiàng)技術(shù)工作。

由于焊接工藝評(píng)定是編制鋼結(jié)構(gòu)制作工藝的依據(jù)。因此焊接工藝評(píng)定的工藝參數(shù)一定要與實(shí)際結(jié)合，不能為評(píng)定而評(píng)定，應(yīng)為了應(yīng)用而評(píng)定，否則就沒(méi)有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

例：某企業(yè)在用半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)，選用Φ1.2實(shí)芯焊絲，進(jìn)行中厚板平角焊時(shí)，采用的焊接電流為140～170A，經(jīng)過(guò)評(píng)定合格。但是該企業(yè)在實(shí)際焊接時(shí)，并不采用該電流，因?yàn)樾侍?、焊速太慢，?shí)際使用電流為250～300A。所以這個(gè)評(píng)定實(shí)際上沒(méi)有起作用，只是為評(píng)定而評(píng)定。

對(duì)于半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，采用Φ1.2焊絲時(shí)，實(shí)際上有兩種焊接電流可選用：①小電流100～180A時(shí)，以短路過(guò)渡形式焊接，一般適用薄板焊接或鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的立焊、橫焊、全熔透的打底焊接等。②大電流250～350A，以射滴過(guò)渡形式焊接，適用中厚板的平焊、角焊位置焊接。用這兩種焊接電流焊接，均可以做出合格的工藝評(píng)定，但使用的場(chǎng)合不同。所以我們?cè)谶M(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)，一定要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，為了應(yīng)用而評(píng)定。根據(jù) 《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002的規(guī)定，小電流評(píng)定合格，其適用的電流量不能超出評(píng)定值的10%。因此要用大電流焊接，必須得重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，反之亦然。 （如表1）

圖1

圖2

表1 半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝評(píng)定部分參數(shù)

又例：某企業(yè)在用小車式埋弧自動(dòng)焊時(shí)，用Φ3.2焊絲進(jìn)行t=24mmX型坡口，雙面平焊對(duì)接時(shí)，采用焊接電流400～500A，雙面各三道，評(píng)定合格 （如圖1）。

但如果采用Φ4.0焊絲進(jìn)行雙面各二道焊，電流為550～650A，同樣可以評(píng)定合格 （如圖2）。

雖然埋弧自動(dòng)焊中，改變埋弧焊絲直徑，并不需要重做焊接工藝評(píng)定，但電流變化超出評(píng)定值的10%時(shí)，就得重新評(píng)定。所以Φ3.2焊絲評(píng)定合格，要使用Φ4.0焊絲，并加大電流超10%焊接時(shí)，實(shí)際應(yīng)重新進(jìn)行評(píng)定。那么不如一開(kāi)始就采用Φ4.0焊絲評(píng)定，因?yàn)棣?.0焊絲粗，截面積是Φ3.2的1.56倍，焊接生產(chǎn)效率高。前者要正反各三道，后者正反各二道就夠了，企業(yè)是要講效益的，同樣能保證工藝評(píng)定合格的情況下，宜選用較粗的焊絲焊接。當(dāng)然選擇焊絲直徑的大小，主要依據(jù)焊接鋼板的厚度而定。而Φ3.2焊絲一般適用≤8mm鋼板的對(duì)接焊接。我們?cè)谶M(jìn)行焊接工藝評(píng)定選用焊絲直徑時(shí)，既要考慮焊接質(zhì)量，又要顧及生產(chǎn)效率和成本，這樣才能做出真正滿足生產(chǎn)需要的工藝評(píng)定來(lái) （如表2）。

二、關(guān)于裂紋

鋼結(jié)構(gòu)的制作和焊接中，經(jīng)常會(huì)因原材料 （鋼材、焊材、氣體等）工藝、技術(shù)等原因而產(chǎn)生各種缺陷。而缺陷中又以裂紋為最嚴(yán)重，因?yàn)樗窃斐射摻Y(jié)構(gòu)破壞的最危險(xiǎn)因素。因此，一般企業(yè)對(duì)此都比較重視，特別是質(zhì)檢部門一旦發(fā)現(xiàn)裂紋，就會(huì)很快反映到技術(shù)部門，要求予以解決。對(duì)這種情況技術(shù)部門不要急于下結(jié)論，要進(jìn)行全面認(rèn)真、仔細(xì)的分析，找出產(chǎn)生的主要原因，予以徹底解決。

表2 t=24mm雙面埋弧自動(dòng)焊規(guī)范比較

焊接裂紋一般按產(chǎn)生的時(shí)間，有冷熱裂紋之分。熱裂紋是在焊接過(guò)程中，溫度較高時(shí)產(chǎn)生的，其主要原因：①可能是原材料方面的，含碳量高或含硫、磷有害元素多時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致熱裂紋。②也可能是工藝參數(shù)等方面控制不當(dāng)，如焊縫形狀系數(shù) （焊縫寬度B/焊縫深度H之比）偏小時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。一般焊縫形狀系數(shù)以1.1～1.2為好（如圖 3）。

圖3

由于熱裂紋是在焊接溫度較高時(shí)產(chǎn)生，有時(shí)裂紋會(huì)發(fā)生氧化，而帶有色彩，較易于辨認(rèn)。而冷裂紋則產(chǎn)生于焊縫冷卻過(guò)程溫度較低時(shí)或焊縫冷卻后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 （幾小時(shí)或幾天）才產(chǎn)生的稱延遲裂紋。而冷裂紋產(chǎn)生的主要原因一般為：①焊接接頭中產(chǎn)生硬而脆的金相組織；②焊接接頭中焊縫擴(kuò)散氫的含量高；③焊接接頭的拘束應(yīng)力大引起。這三個(gè)原因互相聯(lián)系，可以同時(shí)起作用，也可以在不同條件下分別起主要作用。

我們?cè)诿鎸?duì)裂紋出現(xiàn)時(shí)，可以通過(guò)以上分析來(lái)尋找原因。

例：寧波某鋼結(jié)構(gòu)大橋在安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)預(yù)先在工廠制作好的幾段鋼梁的U形加強(qiáng)肋與平板的115°鈍角焊縫有橫向裂紋，U形肋和平板的材質(zhì)為Q345C、Q345qc，板厚分別為6、8、16mm，采用國(guó)產(chǎn)Φ1.6藥芯焊絲，進(jìn)行自動(dòng)自保護(hù)焊，焊后進(jìn)行磁粉探傷合格，過(guò)了一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)有較多的橫向裂紋 （如圖4）。

圖4

經(jīng)查看和分析，可以確定不是熱裂紋，而是冷裂紋——延遲裂紋。而母材Q345C、Q345qc，其碳當(dāng)量Ceq=0.45，為優(yōu)質(zhì)～高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，可焊性好。焊接時(shí)不會(huì)出現(xiàn)硬而脆的馬氏體組織。其接頭形式為115°鈍角角接，U形肋板厚為6、8mm，焊接時(shí)拘束應(yīng)力不大，唯有會(huì)引起延遲裂紋的焊縫擴(kuò)散氫含量可能偏高而致。

而擴(kuò)散氫的來(lái)源：一是母材，這些鋼板是熱軋板，經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，其彎曲、沖擊都合格，因此可能性不大。二是焊道外表及處理情況，這些鋼板為本色，無(wú)黃銹，U肋兩側(cè)坡口為機(jī)加工，平整光潔。但焊接時(shí)未經(jīng)烘烤，時(shí)間又值今年初，雪災(zāi)時(shí)期，可能會(huì)有一定的影響，不過(guò)不至于每條焊縫都有。焊接過(guò)程中，前面的焊接會(huì)對(duì)后面的焊道起到烘烤作用，因此板面的處理不夠好，不可能成為氫致裂紋的主要原因。三是焊材問(wèn)題，焊材采用的是藥芯焊絲Φ1.6自動(dòng)自保護(hù)焊接。焊接時(shí)不用CO2氣體保護(hù)，所以和CO2氣體的純度無(wú)關(guān)。該焊絲為塑料盤裝，焊前也無(wú)法烘干。經(jīng)廠方和焊絲廠聯(lián)系，焊絲廠試驗(yàn)后承認(rèn)在制作這批焊絲時(shí)，因熱電偶失效，致焊絲中的藥芯焊劑未徹底烘干，含水量較多，從而導(dǎo)致擴(kuò)散氫含量高。后廠方對(duì)該焊絲外委進(jìn)行事后擴(kuò)散氫含量的復(fù)測(cè)，也證明情況確實(shí)如此。擴(kuò)散氫含量達(dá)18ml/100g，是允許值的兩倍多，這樣原因找到了，解決的辦法就有了。更換焊絲使用前進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)收，合格后方可使用，這樣就可避免出現(xiàn)類似缺陷。對(duì)已產(chǎn)生裂紋的焊縫，必須用碳弧氣刨?gòu)氐讓⒘鸭y清除干凈，探傷合格后，再返修焊接。

又例：某廠在用半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊焊接箱形柱四縱縫打底時(shí)，發(fā)現(xiàn)有斷續(xù)的縱向裂紋（如圖 5）。

圖5

要求查找原因。焊工認(rèn)為焊絲有問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看和詢問(wèn)，認(rèn)為裂紋是熱裂紋，不是冷裂紋。它產(chǎn)生于冷卻過(guò)程焊接溫度較高時(shí)。經(jīng)查母材鋼板、焊絲均經(jīng)過(guò)復(fù)驗(yàn)合格，可以排除嫌疑。CO2氣體雖為管道氣，又無(wú)檢測(cè)手段，但焊接其它構(gòu)件時(shí)，均未產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，因此CO2氣體純度影響也基本可以排除，分析后認(rèn)為主要是控制焊接工藝參數(shù)有問(wèn)題。因?yàn)榭v縫為一柱板開(kāi)35°左右單面坡口，帶墊板間隙較小，工藝規(guī)定為3～4mm，實(shí)際裝配后有時(shí)更小，打底時(shí)焊工為貪快，求焊的米數(shù) （以米數(shù)計(jì)酬）多，焊速過(guò)快。當(dāng)焊后坡口兩側(cè)金屬快速冷卻時(shí)，在焊縫中間形成液態(tài)金屬薄層，而有時(shí)焊縫收縮時(shí)的拉應(yīng)力，當(dāng)足以將該薄層拉裂開(kāi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生縱向裂紋。為防止該類裂紋產(chǎn)生，只要適當(dāng)降低焊接速度，增加焊縫金屬熔敷量，使焊縫形狀系數(shù) （焊縫寬度B/焊縫深度H之比）為1.1～1.2即可避免。焊工照此要求焊接，再無(wú)裂紋產(chǎn)生，自然無(wú)話可說(shuō)。至于開(kāi)始詢問(wèn)對(duì)裂紋的看法時(shí)，焊工往往考慮客觀原因多，因此不宜急于表態(tài)，認(rèn)同或不認(rèn)同。確準(zhǔn)原因后再表態(tài)不遲。此外一般的弧坑裂紋產(chǎn)生的原因也同于此理。

裂紋的返修，主要用碳弧氣刨，將其徹底清除干凈，然后再焊補(bǔ)。

再例：對(duì)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)使用普遍的Q345及以上的低合金結(jié)構(gòu)鋼，GB50205-2001規(guī)程和JGJ81-2002規(guī)程都明確規(guī)定，在進(jìn)行火焰矯正后，一定要緩冷，不能用澆水急冷。其中原因是，如果澆水急冷，會(huì)使加熱區(qū)有明顯脆化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生裂紋 （當(dāng)然此裂紋和焊接裂紋是兩回事）。這個(gè)論點(diǎn)在實(shí)際中已得到了印證，是正確的。

某廠在制作中，對(duì)Q345B鋼板進(jìn)行加熱彎折，彎折后澆水冷卻，結(jié)果在彎折受壓面處的兩端產(chǎn)生了裂紋 （如圖6）。

被來(lái)該公司參觀考察的客戶所發(fā)現(xiàn)。因此，我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，為防止產(chǎn)生裂紋，對(duì)規(guī)程的這個(gè)規(guī)定還是要嚴(yán)格遵守的，當(dāng)然有單位經(jīng)試驗(yàn)后認(rèn)為，當(dāng)火焰加熱到矯正溫度700～900℃后，在鋼呈紅色的溫度下是不允許加水急冷的，但到鋼冷卻至發(fā)黑時(shí)， （723℃以下）就可以澆水冷卻了，對(duì)此宜繼續(xù)深入試驗(yàn)研究。在此引用 《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》JGJ81-91，曾對(duì)此條文所作的說(shuō)明，作為結(jié)束語(yǔ)：熱矯正后冷卻方式也很重要，如在空氣中緩慢冷卻，這時(shí)被加熱區(qū)鋼材的韌性幾乎不下降，而用澆水驟冷，則被加熱區(qū)就有明顯的脆化現(xiàn)象，因此規(guī)定不宜澆水驟冷。

圖6

參考資料

[1]建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè).中國(guó)鋼協(xié)編.

[2]鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程.GB50205-2001.

[3]建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程.JGJ81-2002.

[4]建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程.JGJ81-91.

TU391

B

1671-3362（2010）07-0048-04

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