橋梁設(shè)計(jì)論文發(fā)表組合焊縫裂紋的形成與預(yù)防

　　摘要：本文針對(duì)文惠橋橋面系Q345C鋼橫梁(工字形)組合焊縫，背面根層焊道采用埋弧自動(dòng)焊后出現(xiàn)焊縫裂紋，分析了其產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，提出了防止焊縫裂紋的措施和方案，在實(shí)際中取得了滿意的效果。

　　關(guān)鍵詞：工字形梁,焊縫裂紋,工藝控制

　　1 引言

　　隨著焊接技術(shù)水平的不斷提高，制造工藝、焊接方法不斷改進(jìn)，水電站閘門(mén)的主梁、邊梁，橋梁結(jié)構(gòu)鋼橫梁等采用大截面T型、H型結(jié)構(gòu)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，焊接質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，尤其是以工字形的T型接頭居多，其采用的埋弧自動(dòng)焊由于生產(chǎn)效率高、投入焊工數(shù)量少、焊接速度快、焊接質(zhì)量穩(wěn)定及焊工勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但T型接頭若焊接工藝控制不當(dāng)極易產(chǎn)生焊縫裂紋，文惠橋鋼橫梁的焊接就是最好的例證。

　　2 概況

　　文惠橋位于柳州公路大橋下游770m處東門(mén)城樓旁，北端接文惠路，南端接榮軍北路，老橋于1994年12月30日建成通車(chē)，是廣西第一座中承式鋼管混凝土拱橋。隨著城市的發(fā)展，相對(duì)狹窄的橋面已無(wú)法滿足交通增長(zhǎng)的需求，本工程項(xiàng)目就是在文惠橋老橋基礎(chǔ)上采用一樣的結(jié)構(gòu)型式新增同樣鋼管混凝土拱橋，新橋與老橋并列一座新橋而設(shè)計(jì)的，改造工程按城市次干路I級(jí)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在下游兩橋面橫向間隔70cm。

　　3 基本情況

　　文惠橋采用的Q345C鋼是一種具有較高強(qiáng)度、良好韌性和可焊性的低合金鋼，橋中的橋面系鋼結(jié)構(gòu)由鋼縱梁、鋼橫梁、鋼次橫梁組成，鋼縱、橫梁的截面均為工字形且全焊透結(jié)構(gòu)，其鋼橫梁長(zhǎng)有16940mm和16250 mm兩種，翼緣板由板厚30mm、28mm、26 mm、24 mm不等對(duì)接而成，腹板由板厚30mm、24 mm不等對(duì)接而成，組成橋面系工字形鋼橫梁。焊材：焊絲H08MnA φ4mm、焊劑SJ101;焊接方法采用埋弧自動(dòng)焊(SAW);坡口形狀尺寸如圖1。母材和焊材均有出廠質(zhì)量證明書(shū)，并經(jīng)相應(yīng)驗(yàn)收、復(fù)驗(yàn)結(jié)果均合格，

　　施焊順序：先焊正面坡口焊縫至二層，后經(jīng)背面碳弧氣刨清根處理，用角向磨光機(jī)打磨至金屬光澤焊背面焊層，為防止變形焊縫采用多層多道焊交替進(jìn)行，直至焊接完畢。

　　4 焊接裂紋特點(diǎn)

　　鋼橫梁T型接頭整體焊接完畢后經(jīng)外觀檢查發(fā)現(xiàn)，背面焊縫個(gè)別位置焊縫中心產(chǎn)生縱向裂紋，裂口均有較明顯的氧化顏色，后經(jīng)延長(zhǎng)碳弧氣刨焊縫清理米數(shù)，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部也有裂紋，均橫穿整條焊縫，并位于焊縫中心，清根時(shí)從宏觀可視裂紋表面寬度約0.3-0.5mm，裂紋的表面形態(tài)走向呈連續(xù)不規(guī)則鋸齒形，碳弧氣刨清除后采用相同的工藝及降低焊接電流(A)、電弧電壓(U)和焊接速度(V)等工藝參數(shù)再焊接仍然在焊縫中心位置出現(xiàn)裂紋，并橫穿整條焊縫。根據(jù)以上這些特征表明裂紋是在較高溫度下形成的，屬稱熱裂紋(結(jié)晶裂紋)，

　　5 Q345C鋼板焊接性及裂紋產(chǎn)生原因

　　5.1 Q345C鋼板焊接性

　　Q345C鋼板采用熱軋而成，由表1中可知含C量較低(不大于0.16%),而含Mn量較高達(dá)到1.39%，焊接時(shí)具有較好的抗熱裂性能，焊接過(guò)程中熱裂傾向較小;Q345C碳當(dāng)量(CE)不大于0.40%，鋼材在焊接過(guò)程中基本無(wú)淬硬冷裂傾向，冷裂敏感性較小，焊接性良好，除非鋼板厚度很大和環(huán)境溫度很低等情況外，一般無(wú)需預(yù)熱和嚴(yán)格控制焊接熱輸入要求[1];

　　5.2裂紋性質(zhì)

　　Q345C鋼板是具有優(yōu)良焊接性的結(jié)構(gòu)用鋼，而埋弧焊所用的焊材均是國(guó)內(nèi)較為成熟的材料，正常焊接情況下焊縫中不會(huì)出會(huì)熱裂紋，因此，由冶金因素的作用影響而產(chǎn)生熱裂紋極小。同時(shí)從裂紋所產(chǎn)生的時(shí)機(jī)、位置和宏觀特征，以及對(duì)母材焊接性分析，可認(rèn)為是一種典型熱裂紋中的結(jié)晶裂紋，主要與焊縫的中區(qū)域偏析有關(guān)。在T型接頭中焊接時(shí)由于受偏析的影響，鋼板不同部位碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差很大，會(huì)出現(xiàn)熱裂傾向，在這種情況下，必須要從工藝上設(shè)法減少母材在焊縫金屬中的熔合比，增大焊縫成形系數(shù)，才有利于防止焊縫金屬的熱裂紋，當(dāng)然也可以通過(guò)焊接材料調(diào)整焊縫金屬的成分，降低焊縫中C含量和提高焊縫中Mn含量[1]達(dá)到防止熱裂的效果。

　　5.3結(jié)晶裂紋產(chǎn)生原因

　　1)組合焊縫背面清根后再進(jìn)行根部焊道填充時(shí)，由于正縫已部分焊完及鋼板本身所具有的剛度，在焊縫加熱、冷卻及凝固過(guò)程中由于焊縫在脆性溫度區(qū)內(nèi)所承受的拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有的塑性[2]，而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

　　2)焊縫成形系數(shù)(ψ)對(duì)結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生影響較大，從接頭的形式和對(duì)稱的K形坡口40°角度分析見(jiàn)圖1，采用焊絲φ4mm埋弧焊時(shí)焊縫根部焊道極易呈窄而深的截面，既使通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)后(降低焊接電流(A)和焊接速度(V)，提高電弧電壓(U))，其焊縫成形系數(shù)仍然ψ=B/H<1，并且電流密度越大越明顯，而熔池形狀又改變，焊縫的柱狀晶呈直線狀，由熔池邊緣垂直得向焊縫中心成長(zhǎng)，最后在焊縫中心線上形成明顯的偏析層，增加了結(jié)晶裂紋的傾向[3]。

　　3)采用埋弧焊時(shí),增大了根部焊道的熔合比，導(dǎo)致母材中的雜質(zhì)S、P和C向焊縫中增多，也而加劇了結(jié)晶裂紋的傾向[2]。同時(shí)不良的接頭坡口形式，以及背縫根層采用焊絲φ4mm埋弧焊時(shí)又造成不合理焊縫成形系數(shù)，以上各方面原因的疊加是產(chǎn)生本次橋面系鋼橫梁結(jié)晶裂紋的直接原因。

　　5.4結(jié)晶裂紋形成的機(jī)理

　　從金屬學(xué)理論知道，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，在實(shí)際結(jié)晶時(shí)，這些雜質(zhì)會(huì)被不斷生長(zhǎng)的柱狀晶體推向晶界，聚集在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶體。在焊縫凝固的過(guò)程中，低熔點(diǎn)共晶體會(huì)形成一層液體夾層，即“液態(tài)薄膜”，由于液態(tài)金屬本身不具有抗拉能力，削弱了晶粒與晶粒之間的結(jié)合力，而拉應(yīng)力的作用下，使柱狀晶體間的縫隙增大，此時(shí)僅靠低熔點(diǎn)共晶體已無(wú)法填充擴(kuò)大了的縫隙，“液態(tài)薄膜”就成了薄弱地帶，在拉伸應(yīng)力的作用下就產(chǎn)生了結(jié)晶裂紋。

　　總之焊縫中結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生在于焊縫中存在“液態(tài)薄膜”和焊縫在凝固過(guò)程中受到拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果，拉應(yīng)力是外因，“液態(tài)薄膜”(低熔共晶體)是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因[4]。

　　6 工藝控制

　　綜合以上分析，文惠橋鋼橫梁(工字形)T型接頭采用埋弧自動(dòng)焊產(chǎn)生熱裂紋主要是由于焊接工藝不當(dāng)，成形系數(shù)ψ=B/H<1，形成窄而深焊縫才產(chǎn)生熱裂紋的。而在焊接過(guò)程中由于受清潔度、母材、焊材的影響又無(wú)法控制或限制焊縫中偏析元素C、P、S的含量，同時(shí)橫梁自身的剛性無(wú)法用調(diào)整焊接順序來(lái)降低拘束應(yīng)力。要使焊縫不產(chǎn)生焊縫裂紋，只能從改變焊接工藝措施，改變焊縫形狀系數(shù)才能有效的控制焊道中熱裂紋的產(chǎn)生。

　　1)T型接頭根部焊道采用φ4mm焊絲進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊的工藝，改用φ3mm焊絲進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊根部焊道的填充，使焊縫成形系數(shù)ψ=B/H>1。其焊接電流450-500A，電弧電壓28-30V，焊接速度36-38m/h;相對(duì)于φ4mm焊絲焊接時(shí)熔深淺，寬度不變來(lái)增大焊縫成形系數(shù)。

　　2)適當(dāng)增大鋼橫梁T型接頭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、并采用不對(duì)稱的坡口形式尺寸如圖2，來(lái)減小熔合比和增大焊縫成形系數(shù)，焊接時(shí)先焊坡口深度大的一側(cè)兩層,再進(jìn)行背面(坡口深度淺一側(cè))碳弧氣刨清根后，根據(jù)實(shí)際焊接情況進(jìn)行交替焊接，防止產(chǎn)生較大變形量。

　　通過(guò)以上焊接工藝的改進(jìn)后，取得滿意的質(zhì)量效果，并經(jīng)超聲波100%檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)線狀和超標(biāo)缺陷，符合GB/T 11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》BⅡ級(jí)以上質(zhì)量要求。

　　5 結(jié)論

　　1)T型接頭K形坡口采用埋弧自動(dòng)焊時(shí)，根層焊道采用φ3mm焊絲填充，能獲得較高的焊接質(zhì)量，對(duì)防止結(jié)晶裂紋具有重要的作用。

　　2)在結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力較大的中厚板，尤其是工字梁、丁字梁、箱形梁等大截面結(jié)構(gòu)件的T型接頭采用K形坡口埋弧焊時(shí)，適當(dāng)增加坡口角度，也能獲得滿意效果。

　　3)Q345系列鋼板預(yù)熱焊對(duì)防止熱裂紋(結(jié)晶裂紋)作用不明顯，焊接未采取預(yù)熱焊的工藝是正確的。

　　參考文獻(xiàn)

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