第３２卷第５期
Ｖ０１．３２
Ｎｏ．５
建筑施Ｔ
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钢结构焊接裂纹的防治
ＰｒｅｖｅｎｔｉｖｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｆｏｒ
Ｗｅｌｄｉｎｇ
Ｃｒａｃｋｓｉｎ
ＳｔｅｅＩＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
口石成
茹国和
２０００５０）
（上海市建工设计研究院有限公司
【摘要】焊接裂纹是常见的钢结构焊接缺陷之一，焊接裂纹的存在可能导致严重的工程事故。在讨论了铜结构焊接过程产
生的焊接裂纹的种类以及形成原因后，提出了预防焊接裂纹出现的措施。
【关键词】钢结构焊接冷裂纹热裂纹层问撕裂【中图分类号】ＴＵ７５５．７，文献标识码Ｂ
１
【文章编号】１００４—１００１【２０１０）０５—０４３１—０４
２．１
焊缝裂纹的分类
目前，随着国民经济的快速发展，钢结构工程在建设中
原因分析
焊接接头冷却到较低温度区间时产生的焊接裂纹叫冷
裂纹。
冷裂纹可能在焊后立即出现，也可能几小时至几天甚至更长的时间才出现，并且随时问延长而增多，所以称为延迟裂纹，也称氢致裂纹。延迟裂纹有时会造成预料不到的重大事故，具有较大的危险性。
冷裂纹的特征是：
①焊后冷却过程中，当温度在２０００Ｃ－３０００Ｃ区间或更低温度时逐渐产生。
②发生在有缺口效应的焊接热影响区（如有咬边或成形不良的焊趾、焊道处），少数发生在焊缝中，如物理化学不均匀的氢聚集区域。
③宏观可见裂纹断口处有金属光泽，微观可见裂纹具有结晶和穿晶走向的混合形态。
形成冷裂纹的三大因素是：钢材的淬硬组织、焊接接头
所占比重越来越大。焊接是钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。但在焊接施工中一些焊接缺陷问题却普遍存在，例如：焊接裂纹、孔穴、夹渣、未熔合、形状缺陷等，其中焊接裂纹是其中危害最大而且是最普遍的一种，可能成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，严重影响钢结构工程的质量和施工进度，如焊接裂纹未被发现和处理，还会危及钢结构工程的安全。
焊接裂纹按照产生机理可分为冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂四大类。
２冷裂纹
【作者简介】石成（１９７６一），男，大学本科，工程师。联系地址：
上海市武夷路１５０号（２０００５０）。
【收稿日期】２０１０—０３—２２
・宣芒・ＳＥ・Ｓ￡・Ｓ￡・Ｓ芒・Ｓ芒－Ｓ芒・Ｓ芒・Ｓ芒・Ｓ芒・Ｓ￡・Ｓ芒・Ｓ芒．！【曼ｄ￡・Ｓ芒・ＳＥｄＥ－Ｓ！・Ｓ芒－Ｓ芒・昱￡ＩＳ￡・Ｓ￡・Ｓ芒－昱芒心芒・皇￡・Ｓ芒呐芒・ＳＢｄ芒・墨芒・Ｓ芒．ｓＥ・Ｓ￡・Ｓ￡・＾已．！ｌ已ｄ钿连曼ｄｈ连￡
后刮涂ＢＰＳ一２０１基层处理剂。
在突出顶板面结构的墙体的交接处做成Ｒ≥５０ｍｍ的１：３水泥砂浆圆弧形倒角。
清理基层一涂刷ＢＰＳ一２０１基基层处理荆－－－＋Ｖｅｄａｔｅｃｔ
ＰＹＥＰＶ１８０
目前本工程上部的雕塑公园已基本完工，通过在落深顶板施工中采取的可靠防水技术措施，以及从顶板防水前的蓄水试验和目前顶板结构来看，顶板没有出现渗漏水现象，顶板防水不受上部绿化影响。
随着社会经济和城市建设的发展，越来越要求开发城市的地下空间，以满足城市不断扩充的需要。在城市的公共绿地下出现了各种类型的全地下建筑物，公共绿地下超大地下建筑物落深顶板防水、防根刺技术成为人们日益关注的问题。我们通过在本工程中采用逆作大体积顶板混凝土自防水技术、逆作落深项板后补孔洞防水技术和落深顶板防水、防根刺选材与施工技术形成了一套公共绿地下超大地下建筑物落深顶板防水、防根刺施工技术与操作标准。为今后类似公共绿地下地下建筑物落深项板防水、防根刺施工提供借鉴ｏ
・４３１・
ｓ３防水卷材试铺一铺贴Ｖｅｄａｔｅｃｔ
ＰＹＥＰＶ１８０
ｓ３防水卷材一热熔搭接缝一验收Ｖｅｄａｔｅｃｔ
ＰＹＥＰＶ１８０ｓ３
防水卷材一ＶＥＤＡＦＬＯＲ．Ｕ中间层根阻防水卷材试铺一铺
贴ＶＥＤＡＦＬＯＲＵ中间层根阻防水卷材一热熔搭接缝一验
收ＶＥＤＡＦＬＯＲ．Ｕ中间层根阻防水卷材－－．．ＶＥＤＡＦＬＯＲＷＳ—Ｉ卷材试铺一铺贴ＶＥＤＡＦＬＯＲｗｓ—Ｉ面层根阻防水卷
材一热熔搭接缝一验收ＶＥＤＡＦＬＯＲＷＳ－Ｉ面层根阻防水
卷材一铺设８０厚Ｃ２０混凝土保护层一粘贴进风井外墙ＥＰＳ聚苯板一顶板防水卷材蓄水试验。
４结语
ｇ瑚１０年５月出壤羹
万方数据
第５期
石成、茹同和：钢结构焊接裂纹的防治
５／２０１０
的含氢量和焊接接头的拘束应力。２．１．１焊接接头形成淬硬组织
因为钢种化学成分和偏析的原因，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高（达１３５０ｃｃ～１４００ｏｃ），使奥氏体晶粒发生严重长大，而当冷却速度较快时，粗大的奥氏体将转变为马氏体脆硬组织，这个马氏体脆硬组织具有脆硬的特性即强度高而塑性差、抗裂性能低。而且，脆硬区会形成更多的空位和位错的晶格缺陷，在应力作用下会发生移动和聚集，遂形成裂缝源。
由于形成淬硬组织的成分取决于钢板和温度范围，这些脆硬组织一般都处在熔合区过热范围内（对易淬火钢则在淬火区内），所以这个区域抗裂性最差，当受到焊接应力时即产生开裂，冷裂纹较多地产生在热影响区内，表现为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹等。２．１．２含氢量的影响
氢是引起高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并且有延迟特征。在焊接过程中，由于电弧的高温作用，焊接金属中熔解７１＇１曼多氢，冷却时，氢会进行扩散逸出，除向焊缝表面逸出外还向母材热影响区扩散。钢板金属内部是有微观缺陷的，扩散氢会向这些缺陷处聚集，使这个部位的扩散氢浓度很快升高，当氢的浓度达到一定时，一方面产生较大的应力，另一方面阻碍位错移动而使该处变脆，当应力进一步加大时，促使缺陷扩展而形成裂纹，这种过程可周而复始断续进行，视氢的含量逸出和内部的能量而定，焊接延迟裂纹就是由许多单个微裂纹集合而形成的宏观裂纹。
２．１．３拘束应力的影响
裂缝是一种力学行为，而由焊接产生的拘束应力是产生裂纹的必备条件如：
①不均匀加热及冷却过程中产生的热应力；
②金属相变时产生的组织应力，焊接热循环造成的金相组织变化带来的应力：
③结构自身拘束条件所造成的应力，包括结构的刚度大小，自重，负载以及焊缝位置和焊接顺序。２．２预防措施
针对冷裂纹产生的三大因素，防止冷裂纹产生的措施如
下：
（１）材料因素
选用低氢或超低氢型焊条、焊剂，并严格按照规定烘焙对某些脆硬倾向大的合金钢焊接，利用奥氏体塑性好，可选用作为低氢的焊接工艺ｃ０２气体保护焊以获得低（２）工艺因素
・４３２・
万方数据
焊前严格清理焊接坡ＩＺ：ｌ，不得有油污、水、铁锈等杂质。正确的焊接工艺应当是防止冷裂纹的重要手段，特别是适当的选择预热、后热和焊后热处理工艺都能有效地防止或降低冷裂纹倾向。焊前预热可有效地防止冷裂纹，可根据钢板的碳当量以及焊接结构的具体条件选择适当的预热温度，层问温度。
后热，焊后热处理都能使扩散氢逸出，在一定程度上能消除、降低焊后残余应力的影响，对一些脆硬倾向较大的钢还能韧化热影响区和焊接组织，在工程上对某些刚度较大的焊接结构专门进行“消氢处理”“消除应力热处理”，作为一种有效的手段广泛应用，其目的就是去氢，降低拘束应力。
确定焊接线能量，线能量过大引起近缝区晶粒粗大，线能量过小会使热影响区脆硬，也不利于氢的逸出，所以对不同的钢种、结构刚度应选用其适当的焊接线能量并严格控制。
多层焊和盖面焊道退火焊布置法，后焊道对前焊道有去氢和改善热影响区组织的作用，盖面焊道退火焊布置也起到改善热影响区组织的作用。同时注意严格控制层间温度。
视焊件条件选用合理的焊接顺序和焊接方向。
３热裂纹
３．１
原因分析
焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的
高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹，一般将热裂纹分为结晶裂纹，液化裂纹，多边化裂纹三种，它们都具备热裂纹的基本特征：
①形成于焊接过程中，温度在固相线上下；②大多数出现在焊缝中，少数在热影响区；③开裂断口处有氧化色彩；
④显微镜下可见裂纹走向均为结晶开裂。
结晶裂纹较多地发生在碳钢，低、中合金钢，奥氏体钢，铝及镍基合金中，所以现将结晶裂纹作为热裂纹的典型进行分析。
结晶裂纹形成的原因：
可以认为焊缝是凝固了的焊接熔池，熔池金属冷却凝固过程也是晶核生长和长大的过程。当熔池金属开始结晶时，总是从近熔合线处母材的晶粒表面开始形成晶核，并以柱状
形态由熔池周边向焊缝中，心长大。先结晶的金属较纯而后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，随着焊接金属不断地凝固结晶，低熔点共晶被不断长大的柱状晶排挤到他们相交的中间部位。低熔点共晶因其熔点较低仍然以液态形式存在，我们称之“液态薄膜”。这样，液态薄膜便成了焊缝中最薄弱区，当受到拉伸应变时即产生开裂。
当焊接金属开始冷却凝固时会产生体积收缩，因受到焊结晶裂纹的产生原因是：焊缝中存在液态薄膜和焊缝凝固过
女，健筑旋工≥第３２器釜
和管理使用，以严格控制氢的来源，尽量降低氢进入焊缝的程度。
抗裂性强的特点选用奥氏体焊接材料。
氢含量的焊缝。
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石成、茹【司和：钢结构焊接裂纹的防治
第５期
程中受到拉伸应力共同作用的结果。焊接时，焊缝冷却过程中形成的拉伸应力是必然存在的，而低熔点共晶形成的“液态薄膜”，则是产生结晶裂纹的主要根源。３．２预防措施
从分析热裂纹的形成原因知道，由低熔点共晶形成的薄膜是产生结晶裂纹的主要根源，因此必须严格控制其产生低熔点共晶物的有害杂质。
（１ｊ材料因素
控制焊缝中硫、磷等有害金属的含量。硫、磷不仅能形成低熔点共品物，还会促使偏析，增大了结晶裂纹的敏感性。硫和侈ｊｌ乡成的硫化铁熔点只有９８８０ｃ。对钢板焊接材料的硫、磷含量必须严格控制，一般应小于０．０３％－０．０４％，当焊接高合金钢时，要求硫、磷含量必须控制在Ｏ．０３％以下。
碳在钢中是影响结晶裂纹的重要因素，过多的碳能加剧硫、磷在晶界的富集从而增加结晶裂纹倾向。国际上以碳当量作为评定钢材焊接性的一种考核指标，可见碳在钢中影响。对焊接材料的含碳量有严格要求，一般都低于钢板，用于低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量一般不超过Ｏ．１２名，有的还要求是超低碳（０．０３％～０．０６％）焊丝。
在控制杂质含量的同时，向焊缝中添加某些细化晶粒元素，如Ｍｏ，Ｖ，Ｔ１，Ｎｂ，Ｚｒ，Ａ］等以改善焊缝凝固结晶，细化晶粒，也是提高焊缝抗裂性的重要手段。
一些重要结构的焊接，应采用碱性焊条或焊剂可有效控制有害杂质进入焊缝，以防止和降低结晶倾向。
（２）＿７１艺措施
崩工艺方法防止结晶裂纹的产生主要以改善焊接时的应力状态。试验证明：熔深较浅的对接焊缝（成形系数大），比熔深大而熔宽小（成形系数小）的焊缝抗裂性好。因为成形系数小的焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是低熔点共晶杂质富集区，所以易于起裂，特别是厚板对接焊时，应采用小电流多层焊法。
在大型结构焊接时注意焊接次序，在条件许可时尽量采用对称焊以分散应力，总的原则是尽量地使大多数焊缝在较小刚度的条件下完成焊接，使焊缝受力较小。
特别是焊接刚性大的焊接构件时，应采取预热、保持层间温度、焊后缓冷措施。以减小焊接应力。
选择适当的焊接电压、焊接电流，控制线能量输入，减少焊缝过热，以缩短焊缝金属在高温区的停留时间。
安装必要的引弧板和引出板，将弧坑裂纹移至焊件外；在焊接因故中断或在焊缝终止时应注意填满弧坑，防止弧坑偏析产生热裂纹。
尽量避免多次返修，防止晶格缺陷聚集产生多边化热裂纹。
４再热裂纹
４．１原因分析
万方数据
有些重要构件需要消除残余应力，而高温回火是目前最常用的消应力方法。在构件回火或高温长期工作中产生的裂纹称为再热裂纹。
再热裂纹产生的原因主要有两个：
（１）过饱和固熔的碳化物再次加热时析出，造成晶内强化。
（２）焊接残余应力在局部有应力集中。４．２预防措施
再热裂纹的控制，主要考虑改善过热粗晶区的塑性和减少残余应力，特别是要减少应力集中。
ｆ１）选材时应注意能引起沉淀析出的碳化物形成元素，
尤其是钒的含量。必须采用高钒钢材时，焊接及热处理时要特别加以注意。
（２）热处理时避开再热敏感区，可减少再热裂纹产生的可能性，必要时热处理前做热处理工艺试验。
（３）尽量减少残余应力和应力集中，减少余高、消除咬边、未焊透等缺陷，必要时将余高和焊趾打磨圆滑；合理预热和焊后热处理，延长后热时间，降低残余应力。
（４）适当的线能量，防止热影响区过热，晶粒粗大。（５）在满足设计要求的前提下，选用低一个强度等级的焊条，让其释放一部分由热处理过程消除的应力（让应力在焊缝中松弛），对减少再热裂纹有好处。
５层状撕裂
５．１原因分析
厚板焊接结构中，板件在板厚方向拉应力作用下，沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹，叫层状撕裂。层状撕裂经常发生在Ｔ字型、Ｋ字型厚板的角焊接头中，其走向与钢板表面相平行，是一种非常危险的焊接缺陷。
层状撕裂只可能发生在基材内，而且当它出现在接近焊缝的焊脚位置时，往往正好位于热影响区边缘，并且不会延伸至钢板表面。层状撕裂表面往往是纤维状的，并且具有阶梯形的纵向断面，纵向的尺寸往往数倍于横向尺寸，加上它发生在热影响区外，这些特征可以容易地将它与发生在热影响区内的由于氢引起的断裂区分开。
一般厚钢板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大。５．２预防措施
为预防钢板的层问撕裂可以采取以下措施：（１）材料因素
提高钢板质量，减少钢材中层状夹杂物，严格控制钢材的含硫量。进行板材的超声波和坡口渗透探伤，检查分层夹杂物情况，如有层状夹杂物存在，可设法避开或事先修、磨处理。
选择屈服强度低的焊条。只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。美国焊接学会的《结构焊接规范＞
第５期石成、茹围和：钢结构焊接裂纹的防治
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和美国钢结构协会的《建筑结构设计、制作、安装规程》：均指出：焊条、焊丝和焊剂应于基材“匹配”。一般，这种“匹配“是以抗拉极限强度为基准的。即使当焊接金属标号与结构钢材非常“匹配”时，焊接金属的屈服强度也比基材要高得多。
对有特殊要求的部位采用能保证板厚方向（Ｚ向）延性性能的钢材。有Ｚ向延性性能要求的钢材，价格要贵的多，因此，结构件可整体或部分选用Ｚ向钢。无论管接头或板接头，正处于角焊缝强烈作用的部分可采用一段优质Ｚ向钢。
使用涂层和垫层。在钢板的焊缝处涂焊一层低强度、高延性的焊接金属做为过渡层，让节点焊缝变形主要在涂层金属中产生，或采用软金属丝做垫层，使得金属焊缝可以发生收缩变形，而减轻母材热影响区的应变，可改善抗层状撕裂的性能。
（２）工艺因素
选择合理的节点连接形式。改进节点连接形式以减小局部区域内由于焊缝收缩而引起的应力集中或避免使钢板在板垂直方向受拉。例如：将贯通板端部延伸一定长度，有防止启裂的效果，改变焊缝布置以改变焊缝收缩应力方向，将垂直贯通板改为水平贯通板，变更焊缝位置，使接头总的受力方向与轧层平行，可大大改善抗层状撕裂性能；改变坡口位置以改变应变方向。
采用合理的焊缝形式及小焊脚焊缝。焊缝的形式对基材变形有很大影响。坡口焊缝的坡口越大，焊缝表面积也越大，将增加收缩应力。单坡坡口焊缝会在整个连接厚度方向上产生不对称收缩应变而双坡焊缝会减少和平衡部分收缩变形，但当板材厚度不大于１９ｍｍ时，用双坡口代替单坡口并不能显著降低焊缝收缩变形。随意用全熔透坡口焊代替角焊缝或在不需要熔透焊的连接中也要求采用全熔透焊，并不妥当，它会增加局部应力，容易导致层状撕裂。减小焊脚尺寸，以减少焊缝金属体积，可减小焊缝的收缩应变。
分段拼装。在可行的情况下，应将一个大节点分成几个部分分别焊好后再拼装，并对各部分中焊缝的焊接次序进行仔细安排。此外，应尽可能减少定位焊点的尺寸及数量。这些都将有利于节点焊缝区的收缩变形。
锤击法和预热。锤击法可用于减少焊缝连接中的应力。有事实证明，预热对减少层状撕裂有一定效果，但目前的预热对焊接中的其他问题更重要。
谨慎布置加劲肋。加劲肋会对焊缝变形产生约束，应按计算的要求设计加劲肋及其焊缝。
６焊缝裂纹的修补措施
在生产过程中，总是有一些焊缝经无损探伤检测发现有裂纹存在而需要返修的。实际上准确地清除焊接纹，返修好焊缝比重新焊好一段焊缝在技术、经验上要求高得多。
正确的焊接裂纹返修方法是：首先确定焊缝裂纹的准确位置和形状，彻底清除裂纹，采取相应的补焊方法。
万方数据
６．１确定裂纹的位置形状
通过超声波或磁粉探伤检查出焊接裂纹的部位、裂纹深度和长度，做出标记，并在清除过程中比对确认。其中要注意的是在厚板焊条电弧焊缝中出现的缺陷往往是多层次的。组织相关技术人员分析裂纹出现的原因，根据原因综合治理６．２裂纹的清除
（１）视焊件的材质、板厚、形状及裂纹位置部位大小，可采用碳弧气创、批铲、砂轮磨削等手段清除裂纹，工程上较多使用的是碳弧气刨加砂轮磨削方法。
（２）为防止修整过程中裂缝扩大或延伸，刨去长度应在焊接裂纹长度两端各加５０ｍｍ，较长的裂纹应先从两端开始清除，必要时可在裂纹两端钻止裂孔。创削深度应将缺陷彻底清除，露出金属母材，可用表面探伤法确认裂纹缺陷是否彻底清除。
（３）清除焊缝后，补焊槽上口应平齐，底部必须呈圆弧形，周边应有坡度保证补焊时电弧有足够的空间。
（４）碳弧气刨过后，应用砂轮打磨以免夹碳、粘渣、渗碳现象。６．３补焊
（１）焊件的返修，焊工不得擅自处理，应及时通知焊接工程师，应制定返修补焊工艺，并由有经验的焊工操作。
同一条焊缝一般允许连续返修补焊３次，重要的焊缝和低合金结构钢在同一处的返修不得超过２次，补焊返修后的焊缝应重新探伤；
（２）如原焊缝焊接工艺要求预热或～定的层间温度，则补焊时亦有同样要求，并取其温度的上限值。
（３）厚板焊缝缺陷的补焊，应采用多层多道焊法，每层每道焊缝的起弧、收弧应尽量错开不能重叠。盖面焊应采用退火焊道布置。
（４）如补焊焊缝长度超过１ｍ，则应以３００ｍｍ～４００ｍｍ
为～段进行分段退焊法补焊。
（５）补焊焊缝表面应尽量与原焊缝一致，做到圆滑过渡，以减少应力集中。
（６）防止和减少焊接变形是补焊工艺重要部分之一，应根据焊件的具体条件采用相应的焊接工艺与对焊件加强相结合的措施控制焊接变形。
（７）补焊时，宜采用小电流、不摆动、多层多道焊，禁止用大电流补焊。
（８）对剐性大的结构进行补焊时，除第一层和最后一层焊道外，均可在焊后热态下锤击直焊道；每层焊道的起弧和收弧应尽量错开。
（９）对已经负荷的钢结构出现裂纹，应根据实际情况进行补强或加固。
但轻钢结构不宜在负荷情况下焊接补强或加固，尤其对受拉构件更要禁止。
参考文献（略）
嚣健筑躺第３２觏
钢结构焊接裂纹的防治
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
石成， 茹国和， Shi Cheng， Ru Guohe上海市建工设计研究院有限公司,200050建筑施工
BUILDING CONSTRUCTION2010，32(5)0次
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本文介绍了在钢结构工程中圆柱头焊钉的焊接施工技术，包括焊接材料及设备、焊接试验、焊接工艺、质量检验，以及焊接缺陷分析等。
9.会议论文 苑志波.刘庆明 钢结构栓钉焊接技术 2005
本文对北京LG大厦工程中栓钉焊接工艺进行了阐述。栓钉焊是在栓钉与母材之间通过电流，局部加热熔化栓钉端部和局部母材，并同时施加压力挤出液态金属，使栓钉整个截面与母材形成牢固结合的焊接方法。陶瓷保护罩是集中电弧热量，隔离外部空气，保护电弧和熔化金属免受氮、氧的侵入，并防止熔融金属的飞溅。
10.会议论文 杨德洪.康平 中华世纪坛钢结构焊接 2000
本文论述中华世纪坛直径47m的斜切圆柱体旋转设备的焊接工程实例,为大型旋转设备的焊接施工,提供实践经验。
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下载时间：2010年11月15日