桥梁设计论文发表组合焊缝裂纹的形成与预防

　　摘要：本文针对文惠桥桥面系Q345C钢横梁(工字形)组合焊缝，背面根层焊道采用埋弧自动焊后出现焊缝裂纹，分析了其产生的原因和性质，提出了防止焊缝裂纹的措施和方案，在实际中取得了满意的效果。

　　关键词：工字形梁,焊缝裂纹,工艺控制

　　1 引言

　　随着焊接技术水平的不断提高，制造工艺、焊接方法不断改进，水电站闸门的主梁、边梁，桥梁结构钢横梁等采用大截面T型、H型结构成为一种发展趋势，焊接质量的好坏直接影响整个钢结构的安全运行，尤其是以工字形的T型接头居多，其采用的埋弧自动焊由于生产效率高、投入焊工数量少、焊接速度快、焊接质量稳定及焊工劳动强度低等特点被广泛应用，但T型接头若焊接工艺控制不当极易产生焊缝裂纹，文惠桥钢横梁的焊接就是最好的例证。

　　2 概况

　　文惠桥位于柳州公路大桥下游770m处东门城楼旁，北端接文惠路，南端接荣军北路，老桥于1994年12月30日建成通车，是广西第一座中承式钢管混凝土拱桥。随着城市的发展，相对狭窄的桥面已无法满足交通增长的需求，本工程项目就是在文惠桥老桥基础上采用一样的结构型式新增同样钢管混凝土拱桥，新桥与老桥并列一座新桥而设计的，改造工程按城市次干路I级的原则进行设计，在下游两桥面横向间隔70cm。

　　3 基本情况

　　文惠桥采用的Q345C钢是一种具有较高强度、良好韧性和可焊性的低合金钢，桥中的桥面系钢结构由钢纵梁、钢横梁、钢次横梁组成，钢纵、横梁的截面均为工字形且全焊透结构，其钢横梁长有16940mm和16250 mm两种，翼缘板由板厚30mm、28mm、26 mm、24 mm不等对接而成，腹板由板厚30mm、24 mm不等对接而成，组成桥面系工字形钢横梁。焊材：焊丝H08MnA φ4mm、焊剂SJ101;焊接方法采用埋弧自动焊(SAW);坡口形状尺寸如图1。母材和焊材均有出厂质量证明书，并经相应验收、复验结果均合格，

　　施焊顺序：先焊正面坡口焊缝至二层，后经背面碳弧气刨清根处理，用角向磨光机打磨至金属光泽焊背面焊层，为防止变形焊缝采用多层多道焊交替进行，直至焊接完毕。

　　4 焊接裂纹特点

　　钢横梁T型接头整体焊接完毕后经外观检查发现，背面焊缝个别位置焊缝中心产生纵向裂纹，裂口均有较明显的氧化颜色，后经延长碳弧气刨焊缝清理米数，发现焊缝内部也有裂纹，均横穿整条焊缝，并位于焊缝中心，清根时从宏观可视裂纹表面宽度约0.3-0.5mm，裂纹的表面形态走向呈连续不规则锯齿形，碳弧气刨清除后采用相同的工艺及降低焊接电流(A)、电弧电压(U)和焊接速度(V)等工艺参数再焊接仍然在焊缝中心位置出现裂纹，并横穿整条焊缝。根据以上这些特征表明裂纹是在较高温度下形成的，属称热裂纹(结晶裂纹)，

　　5 Q345C钢板焊接性及裂纹产生原因

　　5.1 Q345C钢板焊接性

　　Q345C钢板采用热轧而成，由表1中可知含C量较低(不大于0.16%),而含Mn量较高达到1.39%，焊接时具有较好的抗热裂性能，焊接过程中热裂倾向较小;Q345C碳当量(CE)不大于0.40%，钢材在焊接过程中基本无淬硬冷裂倾向，冷裂敏感性较小，焊接性良好，除非钢板厚度很大和环境温度很低等情况外，一般无需预热和严格控制焊接热输入要求[1];

　　5.2裂纹性质

　　Q345C钢板是具有优良焊接性的结构用钢，而埋弧焊所用的焊材均是国内较为成熟的材料，正常焊接情况下焊缝中不会出会热裂纹，因此，由冶金因素的作用影响而产生热裂纹极小。同时从裂纹所产生的时机、位置和宏观特征，以及对母材焊接性分析，可认为是一种典型热裂纹中的结晶裂纹，主要与焊缝的中区域偏析有关。在T型接头中焊接时由于受偏析的影响，钢板不同部位碳的质量分数相差很大，会出现热裂倾向，在这种情况下，必须要从工艺上设法减少母材在焊缝金属中的熔合比，增大焊缝成形系数，才有利于防止焊缝金属的热裂纹，当然也可以通过焊接材料调整焊缝金属的成分，降低焊缝中C含量和提高焊缝中Mn含量[1]达到防止热裂的效果。

　　5.3结晶裂纹产生原因

　　1)组合焊缝背面清根后再进行根部焊道填充时，由于正缝已部分焊完及钢板本身所具有的刚度，在焊缝加热、冷却及凝固过程中由于焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性[2]，而产生结晶裂纹。

　　2)焊缝成形系数(ψ)对结晶裂纹的产生影响较大，从接头的形式和对称的K形坡口40°角度分析见图1，采用焊丝φ4mm埋弧焊时焊缝根部焊道极易呈窄而深的截面，既使通过调整焊接工艺参数后(降低焊接电流(A)和焊接速度(V)，提高电弧电压(U))，其焊缝成形系数仍然ψ=B/H<1，并且电流密度越大越明显，而熔池形状又改变，焊缝的柱状晶呈直线状，由熔池边缘垂直得向焊缝中心成长，最后在焊缝中心线上形成明显的偏析层，增加了结晶裂纹的倾向[3]。

　　3)采用埋弧焊时,增大了根部焊道的熔合比，导致母材中的杂质S、P和C向焊缝中增多，也而加剧了结晶裂纹的倾向[2]。同时不良的接头坡口形式，以及背缝根层采用焊丝φ4mm埋弧焊时又造成不合理焊缝成形系数，以上各方面原因的叠加是产生本次桥面系钢横梁结晶裂纹的直接原因。

　　5.4结晶裂纹形成的机理

　　从金属学理论知道，先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多，在实际结晶时，这些杂质会被不断生长的柱状晶体推向晶界，聚集在晶界上形成低熔点共晶体。在焊缝凝固的过程中，低熔点共晶体会形成一层液体夹层，即“液态薄膜”，由于液态金属本身不具有抗拉能力，削弱了晶粒与晶粒之间的结合力，而拉应力的作用下，使柱状晶体间的缝隙增大，此时仅靠低熔点共晶体已无法填充扩大了的缝隙，“液态薄膜”就成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下就产生了结晶裂纹。

　　总之焊缝中结晶裂纹的产生在于焊缝中存在“液态薄膜”和焊缝在凝固过程中受到拉应力共同作用的结果，拉应力是外因，“液态薄膜”(低熔共晶体)是产生结晶裂纹的内因[4]。

　　6 工艺控制

　　综合以上分析，文惠桥钢横梁(工字形)T型接头采用埋弧自动焊产生热裂纹主要是由于焊接工艺不当，成形系数ψ=B/H<1，形成窄而深焊缝才产生热裂纹的。而在焊接过程中由于受清洁度、母材、焊材的影响又无法控制或限制焊缝中偏析元素C、P、S的含量，同时横梁自身的刚性无法用调整焊接顺序来降低拘束应力。要使焊缝不产生焊缝裂纹，只能从改变焊接工艺措施，改变焊缝形状系数才能有效的控制焊道中热裂纹的产生。

　　1)T型接头根部焊道采用φ4mm焊丝进行埋弧自动焊的工艺，改用φ3mm焊丝进行埋弧自动焊根部焊道的填充，使焊缝成形系数ψ=B/H>1。其焊接电流450-500A，电弧电压28-30V，焊接速度36-38m/h;相对于φ4mm焊丝焊接时熔深浅，宽度不变来增大焊缝成形系数。

　　2)适当增大钢横梁T型接头K形坡口角度由原先的正面40°增大至42°，背面由40°增大至50°坡口角度尺寸、并采用不对称的坡口形式尺寸如图2，来减小熔合比和增大焊缝成形系数，焊接时先焊坡口深度大的一侧两层,再进行背面(坡口深度浅一侧)碳弧气刨清根后，根据实际焊接情况进行交替焊接，防止产生较大变形量。

　　通过以上焊接工艺的改进后，取得满意的质量效果，并经超声波100%检测均未发现线状和超标缺陷，符合GB/T 11345《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》BⅡ级以上质量要求。

　　5 结论

　　1)T型接头K形坡口采用埋弧自动焊时，根层焊道采用φ3mm焊丝填充，能获得较高的焊接质量，对防止结晶裂纹具有重要的作用。

　　2)在结构拘束应力较大的中厚板，尤其是工字梁、丁字梁、箱形梁等大截面结构件的T型接头采用K形坡口埋弧焊时，适当增加坡口角度，也能获得满意效果。

　　3)Q345系列钢板预热焊对防止热裂纹(结晶裂纹)作用不明显，焊接未采取预热焊的工艺是正确的。

　　参考文献

　　[1]李亚江. 焊缝冶金学—材料焊接性〔M〕.北京： 机械工业出版社.2006.10

　　[2]焊接冶金与金属焊接性[M].西安交大内部使用书箱

　　[3]程祝年. 焊接工程师手册〔M〕.北京：机械工业出版社 .2010.2

　　[4]马文蛛. 金属熔焊原理〔M〕.哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社 .2007.8

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