Q345 H型鋼焊接開(kāi)裂原因分析

蘇會(huì)德

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司工程部，山東萊蕪271104）

經(jīng)驗(yàn)交流

Q345 H型鋼焊接開(kāi)裂原因分析

蘇會(huì)德

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司工程部，山東萊蕪271104）

材質(zhì)為Q345的熱軋型鋼在焊接過(guò)程中出現(xiàn)了開(kāi)裂，導(dǎo)致了構(gòu)件的報(bào)廢。從焊縫組織成分、焊縫內(nèi)應(yīng)力、定位焊縫焊腳尺寸3個(gè)方面進(jìn)行了分析，確認(rèn)施焊過(guò)程中定位焊縫位置選擇不正確、焊腳尺寸過(guò)小造成焊縫內(nèi)部嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，從而導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。

H型鋼；焊接；開(kāi)裂；焊縫位置

1 前言

在某工程施工過(guò)程中，材質(zhì)為Q345的熱軋H型鋼（規(guī)格400×400×13×21）鋼柱在焊接過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的焊接開(kāi)裂，致使多件構(gòu)件報(bào)廢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，首先排除了焊材、母材因素對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響，然后從引起焊縫開(kāi)裂的焊縫金屬的組織成分、焊接完成后焊縫內(nèi)應(yīng)力、定位焊縫焊腳尺寸3個(gè)方面進(jìn)行分析。分析得出，在H型鋼焊接過(guò)程中，由于定位焊縫位置選擇不正確、焊腳尺寸過(guò)小，造成焊接完成后焊縫內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，從而導(dǎo)致了焊縫開(kāi)裂。

2 H型鋼焊接開(kāi)裂原因分析

2.1 H型鋼焊接開(kāi)裂情況

在H型鋼的焊接制作現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，在H型鋼其翼緣板與連接板焊接時(shí)，出現(xiàn)焊接開(kāi)裂現(xiàn)象。裂紋出現(xiàn)在連接板端部封口焊部位，并從焊縫表面開(kāi)始貫穿焊縫，一直延伸到翼緣板中部，致使構(gòu)件報(bào)廢。現(xiàn)場(chǎng)已焊接完成的H型鋼鋼柱共16架，其中4架出現(xiàn)了上述開(kāi)裂現(xiàn)象。檢查正在點(diǎn)焊組裝的H型鋼鋼柱，發(fā)現(xiàn)連接板已經(jīng)點(diǎn)焊固定完畢，在其組裝過(guò)程中，焊接人員把定位焊縫選定在連接板端部封口焊部位，即把端部封口焊縫作為定位焊縫，且點(diǎn)焊固定的定位焊縫焊腳尺寸明顯不足。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接的H型鋼，有廠家提供的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的合格證。焊接H型鋼的焊條采用E5015焊條，現(xiàn)場(chǎng)配備烘焙箱、恒溫箱；焊條的烘焙記錄顯示，烘焙溫度350～400℃，烘焙時(shí)間1 h。施工現(xiàn)場(chǎng)人員配備焊條保溫筒，現(xiàn)場(chǎng)焊材的配備和使用符合規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)母材、焊材及焊材加熱保溫情況分析，基本可以排除母材、焊材導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。

2.2 焊腳尺寸大小與組織成分

焊縫的鋼類型劃分。H型鋼的材質(zhì)為Q345，屬于低合金鋼，碳含量＜0.2%；焊條E5015屬于碳鋼通用焊條，碳含量為≤0.12%，因此焊接形成的焊縫組織成分屬于亞共析鋼［1］。

焊縫冷卻過(guò)程中的組織成分變化可以結(jié)合亞共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行簡(jiǎn)單分析［1］：當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，鐵素體析出線以前，焊縫金屬是以穩(wěn)定的奧氏體相存在；隨著溫度降低，焊縫冷卻線先是穿過(guò)鐵素體析出線，焊縫中過(guò)冷奧氏體共析出少量鐵素體；隨著溫度繼續(xù)降低，焊縫冷卻線穿過(guò)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，焊縫組織開(kāi)始生成珠光體；溫度繼續(xù)降低，焊縫冷卻線穿出過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線，焊縫組織重又回到奧氏體穩(wěn)定狀態(tài)；溫度再繼續(xù)降低，焊縫冷卻線穿過(guò)Ms線，焊縫中的過(guò)冷奧氏體開(kāi)始析出馬氏體；當(dāng)溫度降低至Mf以下時(shí)，相變結(jié)束，不再有馬氏體析出，焊縫組織保持穩(wěn)定狀態(tài)。

從以上分析可以看出，當(dāng)焊縫快速冷卻到達(dá)室溫狀態(tài)時(shí)，焊縫組織中產(chǎn)生一定量的馬氏體，冷卻時(shí)間越短，產(chǎn)生的馬氏體組織越多；當(dāng)焊縫冷卻時(shí)間短到不穿過(guò)過(guò)冷奧氏體開(kāi)始線時(shí)，焊縫中的組織就只有大量馬氏體和部分過(guò)飽合的奧氏體組織；相反，如果冷卻時(shí)間長(zhǎng)到可以穿過(guò)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束線時(shí)，過(guò)冷奧氏體將轉(zhuǎn)化為珠光體，焊縫可以得到良好的組織成分。

金屬的焊接過(guò)程是焊接化學(xué)冶金過(guò)程，在焊縫熔池中，發(fā)生著一系列的冶金化學(xué)反應(yīng)。熔池體積小，而周圍又被冷金屬包圍，所以它的冷卻速度較快。由以上對(duì)亞共析鋼焊縫冷卻過(guò)程中冷卻速度對(duì)組織成分影響的分析可知，在H型鋼焊接過(guò)程中，由于定位焊縫焊腳尺寸過(guò)小，輸入的焊接線能量過(guò)低，造成焊縫冷卻速度過(guò)快，焊縫中過(guò)冷奧氏體由于處于不穩(wěn)定狀態(tài)，冷卻時(shí)產(chǎn)生淬硬傾向而分解生成馬氏體。馬氏體組織是一種脆硬的組織，發(fā)生斷裂時(shí)消耗的能量較低，裂紋易于形成和擴(kuò)展，由此造成了焊縫的開(kāi)裂。

2.3 焊縫內(nèi)部應(yīng)力

在連接板的焊接過(guò)程中，連接板與翼緣板的縱向角焊縫冷卻過(guò)程中縱向縮收，產(chǎn)生很大的收縮力，由于定位焊縫所處的端部封口位置是構(gòu)件幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變的位置，連接板焊接過(guò)程中產(chǎn)生拉力，將會(huì)在此位置形成很大的應(yīng)力集中。

定位焊縫的最大承載拉力與所受拉力比較。

1）定位焊縫的最大可承載的拉力計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，開(kāi)裂部位的定位焊縫的焊腳尺寸不足3mm，由于受翼緣板厚度的限制，焊縫長(zhǎng)度最多不超過(guò)板的厚度21mm，以焊縫焊腳尺寸3mm、焊縫長(zhǎng)度21mm計(jì)算焊縫的有效承載面積為44.1mm2。以Q345鋼的抗拉強(qiáng)度490 MPa計(jì)算，定位焊縫最大可承載拉力為2.16×104N。

2）翼緣板與連接板角焊縫收縮產(chǎn)生的拉力計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，翼緣板與連接板的縱焊縫為焊腳為12mm的角焊縫，其有效受力面積是其焊縫斷面的截面積。由于焊縫為兩面角焊縫，計(jì)算可得144mm2，焊縫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力為7.06×104N。

由上述計(jì)算可看出，定位焊縫能夠承載的最大拉力為2.16×104N，小于它實(shí)際要承受的縱向角焊縫對(duì)它施加的7.06×104N拉力，因此，焊接過(guò)程中極易造成此處定位焊縫的開(kāi)裂。

3 解決措施

1）改變定位焊縫的位置。鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范BG 50661-2011規(guī)定，定位焊縫不能焊接在端部封口的厚度方向上。在H型鋼組裝過(guò)程中，連接板進(jìn)行定位時(shí)，恰恰選在端部厚度方向的封口焊位置。因此，在H型鋼的定位組裝過(guò)程中，要改變定位焊縫的位置，把定位焊縫選在翼緣板與連接板的縱向角焊縫方向上，避免把端部封口焊縫作為定位焊縫。

2）改變焊縫的施焊順序。組裝定位完成后進(jìn)行焊接時(shí)，先焊接連接板與翼緣板的縱向角焊縫，再焊接端部的封口焊縫。先焊接縱向角焊縫時(shí)，由于端部封口位置焊縫還沒(méi)有焊接，縱向角焊縫焊接時(shí)處于自由狀態(tài)，縱焊縫受力狀態(tài)良好；最后焊接端部封口焊縫時(shí)，由于縱向角焊縫焊接過(guò)程中的縱向收縮已經(jīng)完成，封口焊縫不再承受因縱焊縫收縮對(duì)它施加的拉力，受力狀態(tài)得到極大改善。

3）焊接過(guò)程要嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施焊。一是定位焊縫焊接時(shí)，要嚴(yán)格遵守國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定，定位焊縫的長(zhǎng)度應(yīng)≥40mm，且焊腳尺寸最小不得＜3mm（有的規(guī)范規(guī)定為最大不超過(guò)主焊縫焊高的2/3）。二是端部封口焊縫焊接時(shí)，一定要滿足設(shè)計(jì)要求的焊腳尺寸。大的焊腳尺寸增大了焊接時(shí)的線能量輸入，降低了焊縫冷卻速度，有利于改善焊縫組織成分，提高焊縫的強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析可知，由于焊接過(guò)程中，連接板的定位焊縫焊腳尺寸不足，造成定位焊縫焊接時(shí)，輸入線能量小，焊縫冷卻速度快，形成淬硬的馬氏體組織；定位焊縫設(shè)置在封口焊位置，造成連接板焊接過(guò)程中，定位焊縫的承載能力不足以承載縱向角焊縫產(chǎn)生的收縮力，定位焊縫中淬硬的馬氏體組織在應(yīng)力集中作用下，產(chǎn)生開(kāi)裂。由于裂紋的延展性，在熱軋H型鋼本身固有內(nèi)應(yīng)力的作用下，使裂紋向翼緣板中部延伸，最終造成構(gòu)件的報(bào)廢。

因此，在此H型鋼與連接板焊接過(guò)程中，必須改變定位焊縫位置。構(gòu)件進(jìn)行組裝時(shí)，定位焊縫選擇在連接板與翼緣板縱向的主焊縫部位。在主焊縫焊接完成后，再進(jìn)行端部的封口焊接。同時(shí)定位焊縫的焊接一定要嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行，要保證焊縫的長(zhǎng)度和高度，確保定位焊縫的強(qiáng)度能夠承載主焊縫焊接時(shí)產(chǎn)生的收縮力。

［1］王建安.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［2］周振豐.焊接冶金學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

CauseAnalysison Welding Cracksof Q345Hot-Rolled H-beamSteel

SU Huide
（The Engineering Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

Cracks duringthe welding of Q345 Hot-rolled H-beam steel resulted inthe failure of components.Themicrostructure and chemical composition ofthe weld,themagnitude ofthe internal stress ofthe weld andthe fillet weld size ofthetack weld are analyzed inthis paper.Throughthe analysis,consideredthatthe wrong location oftack weld andthetoo small fillet weld size ofthe weld during welding arethe essential cause of cracks.

H-beam steel;welding;cracks;welding location

TG457.11

B

1004-4620（2014）02-0068-02

2014-02-26

蘇會(huì)德，男，1969年生，1993年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，碩士。現(xiàn)為萊鋼工程部高級(jí)工程師，從事焊接技術(shù)工作。