碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施

孙大伟 朱汉超 王纪宾

海洋石油工程（青岛）有限公司 山东青岛 266520

据不完全数据显示钢结构发生事故，有47%的原因都是焊接裂纹所导致。想要有效的预防焊接裂纹的产生，必须要对焊接过程中所采取的焊接工艺和焊接前的准备有充分的保障。

1 裂纹形成特征

通过对多个焊接构件的观察分析得出，出现裂纹的主要部位，位于焊接第一道垂直于焊缝鱼鳞波纹的焊缝结晶汇合处，这一汇合处出现裂纹的主要部位是焊缝的顶端和焊缝的尾端。这一裂纹在焊接的过程中非常容易出现，这是因为由液体转变为固体的过程中，固体表面受到氧化和受热所形成的热裂纹[1]。

2 焊接裂纹产生的原因

2.1 工件材质影响

不同的工件材质在焊接的过程中，所表现出来的物理和化学特质是不同的。不同的焊接材料本身的构造也不同，通常来讲廉价的焊接材料本身含有的碳元素较多、杂质较多，在焊接的过程中非常容易受到温度突然增加而导致内部杂质的燃烧，燃烧后的固体残余物会滞留在焊缝处，最终会影响到焊接结果。随着工业的不断发展，现阶段的钢结构不断朝着体量大，硬度高的方向发展，为了满足钢结构的这一特性，在焊接的过程中大量的使用合金材料。合金材料的硬度非常高，这一点是毋庸置疑的，但焊接材料内部的合金元素越多也就代表着这一材料本身的脆性越强，在焊接完成之后，受到外部的挤压或撞击等物理因素都容易导致钢结构本身出现裂纹的现象。此外焊接母材料本身如果存在较多的褶皱，重皮或分层现象，则会加剧裂纹产生的可能性，并且一旦发生裂纹之后，另外本身会随着这部分母材料的缺陷延伸方向而不断延伸。

2.2 工件结构的影响

上文中所说，现阶段所使用的焊接材料通常是以合金材料为主，这部分材料的硬度非常强，在焊接的过程中，由于焊接材料内部受热，引起挤压和粘合，材料外部受力，必然会将这部分力转变为内应力，影响到材料内部最终导致出现裂纹。现实生活中焊接结构不科学所导致的压力容器出现裂纹，最终引起压力容器爆炸的现象屡见不鲜。这一事故产生的主要原因是错边和角变形所导致，集中表现为焊接部位所受外部影响力过大，转变为内应力相应增加，内应力无处释放，在运转的过程中受到外部因素影响而导致事故的发生[2]。

2.3 焊接规范性影响

焊接过程的规范性也会影响钢结构是否会产生裂纹，这是因为在焊接的过程中大多是使用通电电流，电流所经过的地方升温非常快，焊接之后，为了保障焊接工业通常会使用急剧冷却的方式对焊接部位进行冷处理，然而在处理的过程中，如果所使用的处理方式不恰当，很容易导致焊接处的内应力无处释放，最终导致裂纹的产生。焊接工艺是现阶段钢结构所使用的最为广泛的一种工艺，这是因为焊接工艺的操作相对简单，并且受场地影响较小，施工方便，但是焊接工艺本身所固有的缺陷也必然将会带入到焊接完成之后的压力容器之中。例如在焊接过程中受到焊接工艺影响所出现的裂纹，未融合、未焊透或者气孔等现象往往会带入到钢结构之中，迫使钢结构降低使用性能。

2.4 焊接接头处拉伸残余应力影响

如上文中所述，焊接过程中，焊接处所受外部影响力过大，焊接材料会将这部分外部影响力转变为内部应力，如果在焊接完成之后未使用焊接热处理等方式，对这部分残余用力进行消除，这部分残余应力必然会对内部构建产生影响。如果焊接之后，滞留在设备上的残余应力过高，并且在使用过程中所受到外部较大的冲击力，压力容器本身所使用的合金材料脆性强，在这部分外力的多重打击之下，非常容易出现裂纹等现象[3]。

3 预防措施

3.1 做好焊接前的准备

焊接前务必要对焊接材料做好充分的清理准备，将焊接材料表面所携带的灰尘，铁锈等因素予以全部剔除。焊接前还应该使用正确的预热温度和预热范围，因为适当的用热温度，可以让焊接材料提前适应焊接强度，并且在焊接完成之后适当的预热也可以有效的增加焊接处的冷却速度。不同焊接材料的预热温度也应有所不同，具体的预热温度应由焊接工艺和焊接材料双重因素来判断。通常来讲，预热范围应该是边坡口两侧的三倍左右。当外部环境较低时预热的温度应适当提升。并且在预热的过程中不能出现停顿，应对焊接处整段材料进行预热，切记出现分段预热处理。

3.2 选择合适的焊接材料

不同的焊接材料，在焊接结束之后所取得的焊接效果是不一样的，现阶段使用最广泛的焊接材料是E5016焊条，这些焊条对于外部金元素的适应能力相对较强，并且对于能够很好的处理焊接过程中所产生的大量碳元素[4]。

3.3 制定合理的焊接工艺

焊接工艺对于焊接结果的影响是非常大的，尤其体现在对于焊缝的处理方面。例如选择合适的刨道坡口可有效的提升焊接质量。此外还应合理的选择焊接顺序，通过使用合理的焊接顺序，可有效控制整个焊接过程的收缩与膨胀，可将焊接过程中所产生的残余应力进行有效消除。焊接电流，对焊接工艺也会产生一定影响，焊接的过程中应进行整段焊接，尽量避免分段焊接。当然迫不得已的时候需要中断焊接过程，则需要对已经焊接的部分实施热处理，通过保温的方式来防止焊接部位出现裂缝。

3.4 改进现有的操作方式

直线形运条方式会使熔池窄而深，终端收弧突然，形成凹陷弧坑，这是产生裂缝的因素。因此，应改直线形运条为锯齿形或月牙形运条，提高熔池的宽度，加强焊缝强度。收弧要慢并回运一段，以填平终端弧坑。

4 结语

综上所述，碳钢焊接裂纹的产生，对于整个钢结构本身会造成非常恶劣的影响，可以说是钢结构本身所面临的最为危险的一种威胁方式。裂纹的产生不仅会导致钢结构报废甚至会出现钢结构爆炸等现象，会直接影响到人们的生命和财产安全。