摘要： 指出了焊接接頭的含氫量、材質的淬硬傾向和約束應力的影響是焊接裂紋特別是冷裂紋產生的主要原因，提出通過採用預熱和後熱、保持焊條的乾燥和清潔、合理的焊縫設計和焊接工藝方法耒預防裂紋的產生。
關鍵詞：焊接裂紋； 氫含量； 淬硬； 約束應力； 焊接工藝
1 引言
鋼結構具有強度高、重量輕、塑性和韌性好，且工業化程度高，可以成批大
件生產、施工速度快等特點。在工程中特別是電廠得到廣泛應用和迅速發展。 近年來，低合金高強鋼中厚板在工程中使用趨於普遍，但較厚的鋼板與較薄板比較，由於鋼板厚度加大時存在冶金缺陷的成分可能加大，同時厚板輥軋次數減少，顆粒一般較薄板粗糙，所以中厚板在焊接中就會帶來一系列問題，較為嚴重而又十分普遍的就是裂紋。
2 焊接裂紋的產生
裂紋是焊接連線中最危險的缺陷。按產生的時間不同，可分為熱裂紋和冷裂紋，前者是在焊接時產生的，後者是焊縫冷卻過程中或冷卻後產生的。在電廠鋼結構中，使用過程中產生冷裂紋往往是很嚴重的質量問題。
冷裂紋的產生和發展一般都比較隱蔽、時間較長，平時不會引起操作人員的注意，但一旦發生其後果卻是災難性的。
在焊接生產過程中，由於採用的焊接材料不同，結構型別、剛度以及施工、安裝的具體條件不同，可能出現各種形態的冷裂紋，比較常見的有焊趾裂紋、焊道裂紋、根部裂紋等。冷裂紋大多數具有一定的延時性即是一種延遲裂紋，一般是在有載荷的使用過程中產生的，裂紋發生之前有一段潛伏期，然後是裂紋的擴充套件，最後發生脆性斷裂，因此危害性很大。
大量的實踐和理論研究表明，冷裂紋產生的原因主要有以下幾種：焊接接頭含氫量、材質的淬硬傾向現象以及約束應力的影響等。
2.1 氫對焊縫的影響
焊接時，焊接材料中的水分、電弧周圍空氣中的水蒸氣、焊絲和母材表面上的鐵鏽油汙等雜質，在施焊時經電弧熱分解而給焊縫中帶入氫，而氫是引起焊接延遲裂紋的主要因素之一。焊接時，在高溫條件下，大量的氫溶解在溶池中，在隨後的冷卻過程中，由於溶解度的急劇降低，氫將極力逸出，但因焊接時冷速過快，使氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，焊縫中的氫處於過飽和狀態，因而氫要極力擴散，焊縫中的含氫量是隨時間而變化的。隨著放置時間的增加，部分氫從焊縫中逸出，部分氫則擴散到鋼微缺陷處，成為殘餘氫，而這些殘餘氫繼續對焊縫起作用，成為冷裂紋的罪魁禍首。
氫是鋼中擴散最快的元素，其擴散的速度與溫度的高低成正比，溫度公升高，
氫擴散得越快。焊後焊件在較高溫度停留時間長些或設法使焊件冷卻得慢些就可以使氫充分擴散到焊件外面，使焊縫中的氫含量減少。焊前進行預熱，或者焊後熱處理使焊件在焊後緩慢冷卻，都可以使氫充分逸出減少冷裂紋。
2.2 材質的淬硬傾向對冷裂紋的影響
鋼的淬硬傾向主要決定於其化學成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。其中化學成分有很大的影響。鋼的淬硬傾向越大，越易產生裂紋。
鋼結構中採用的鋼材主要有兩種：碳素結構和低合金結構鋼。鋼結構在在碳素結構鋼這一鋼種中主要應用q235，低合金結構鋼主要應用q345，（橋梁要用質量較高的橋梁專用低合金鋼）。
低合金鋼含有錳、釩等合金元素而具有較高的強度。q345的屈服強度比q235提高將近一半，抗拉強度也提高不少。但抗拉強度提高時相對降低了塑性和韌性，對焊接結構來說增加了轉脆傾向。
焊接條件下，近縫區的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發生嚴重長大，當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉變為馬氏體。由金屬強度理論可知，馬氏體是一種脆硬組織，發生斷裂時只消耗較低的能量。因此，焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋易於形成並擴充套件。
另外，淬硬會形成更多的晶格缺陷——空位和位錯，在應力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯會發生移動和聚集，當濃度達到一定的臨界值後，就會形成裂紋源，在應力和氫的作用下，裂紋源不斷擴充套件，形成巨集觀裂紋。 一般以焊後熔合區在800～500℃冷卻時間小於出現鐵素體臨界冷卻時間作為出現裂紋的判據。焊接生產中常採用預熱、後熱和調節線能量等方法來延長800～500℃區間的冷卻時間，從而降低淬硬傾向。
2.3 約束應力的影響
焊接接頭在約束狀態下產生的焊接應力對延時裂紋起著很大的作用。焊接過程是乙個不均勻加熱和冷卻的過程，會產生縱向和橫向焊接殘餘應力。施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，焊縫及附近溫度最高，達1600℃左右，其近鄰區域溫度則急劇下降。
不均勻的溫度要求產生不均勻的膨脹，高溫處的鋼材膨脹最大，由於受到兩側溫度較低、膨脹較小的鋼材的限制，產生了熱狀態塑性壓縮。焊縫冷卻時，被塑性壓縮的焊縫區趨向於縮得比原始長度稍短，這種縮短變形受到兩側鋼材的限制，使焊縫區產生縱向拉應力。在低碳鋼和低合金鋼中這種拉應力經常達到鋼材的屈服強度。
另外，焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向於形成反方向的彎曲變形，但實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，於是在焊縫中部產生橫向拉應力，而在兩端產生橫向壓應力。
焊縫在施焊過程中，先後冷卻的時間不同，先焊的焊縫已經凝固，且具有一定的強度，會阻止後焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其發生橫向的塑性壓縮變形。疊加焊縫上的後焊焊縫冷卻收縮時受到已凝固的焊縫限制而產生橫向拉應力，同時在先焊焊縫內產生橫向壓應力。橫向收縮引起的橫向應力與施焊方向、先後次序有關。
在中厚鋼板的焊接連線中，焊縫需要多層施焊，因此，除有縱向和橫向殘餘應力外，還存在著沿鋼板厚度方向的殘餘應力。這三種應力形成比較嚴重的同號三軸應力，大大降低了材料的塑性，增高了強度和硬度，在低溫環境下，更使裂紋容易發生和發展，加速構件的脆性破壞。
鋼結構在焊接時，特別是板厚大，約束應力大，使焊縫不能自由收縮，導致雙向、三向焊接應力產生。這種焊接殘餘應力一般能達到鋼材的屈服極限值，是產生延遲裂紋及板材層狀撕裂重要的影響因素之一。結構的不合理，剛度過大，約束力過大，焊接應力無法釋放，均會造成裂紋的產生。
因此，採用合理的結構
接頭設計，採用剛性較小的節點形式，並合理按排施焊次序等，可以降低約束應力。
3 焊接裂紋的預防
3.1 預熱和後熱
低合金高強鋼中厚板焊接冷裂紋的產生，焊縫中的氫是罪魁禍首。焊前預熱、後熱可以使焊件在焊後降低冷卻速度，延長冷卻時間，氫可以較充分地釋放，從而減少焊縫中的氫含量，減少冷裂與材料硬化現象。
一般情況，在母材與焊縫等強的條件下，強度級別越高、板厚越大，預熱的溫度越高。氣溫低時，預熱的溫度可相應提高。操作地點環境溫度低於常溫時（高
25℃。構件約束狀態高、擴散氫含量高、焊接線於0℃），預熱溫度可提高15
~能量低而增加裂紋危險的場合，預熱需要較高溫度。
焊後及時後熱，不但可以使氫充分逸出，還可以在一定程度上降低殘餘應力、降低材料的淬硬性。選用合適的後熱溫度可彌補預熱溫度的不足，降低預熱溫度。
250℃。
後熱溫度不能過高，需低於材料的脆性溫度，一般為200
~3.2 保持焊條乾燥和清潔
消除焊件待焊處表面的水、氧化皮、鏽、油汙等，保持坡口的乾燥；焊接材料需儲存在乾燥、通風良好的地方，焊條等在使用前需烘乾，烘乾的焊條在空氣中放置時間不超過4h，重複烘乾次數不宜超過2次。不使用受潮的焊條。焊接施工時，焊接作業區的相對濕度不得大於90%。
3.3 合理的焊縫設計及次序
採用合理的施焊次序，可以減少焊接殘餘應力和焊接變形，降低約束應力，避免出現裂紋。
當幾個構件連線時，應避免焊縫集中，盡量避免焊縫三向相交；焊縫盡可能對稱布置；焊縫尺寸要適當，不宜太大。便於焊接操作，避免仰焊等。
3.4 低溫焊接時應確保的措施
在當環境溫度低於0℃時，應根據實際情況加熱構件方可施焊，以保證焊工操作技能不受環境低溫的影響。低溫條件下焊接時，由於焊縫金屬冷卻速度較快，因而裂紋傾向增大。特別是q345，由於其合金元素含量比低碳鋼多，淬硬傾向較低碳鋼大，低溫施焊時出現裂紋的傾向更大，因此，低溫焊接時應採取以下措施：
（1）焊前預熱；
（2）採用鹼性低氫焊條，並按規定烘乾；
（3）儘量減少焊縫中未焊透、咬邊、夾渣、弧坑裂紋等缺陷，這些缺陷將形成應力集中，是造成低應力脆性破壞的因素之一；
（4）在多數情況下，裂紋往往出現在頭道焊縫和焊根上。所以，對頭道焊縫應加大電流，減慢焊速，保證根部焊透。對點固焊縫也應加大焊腳和焊縫長度，以免發生裂紋；
（5）焊件的矯正和安裝應盡量避免在過低溫度下進行；
（6）在焊接過程中，應充分保證焊縫的自由收縮，減少焊接應力，以免產生裂紋。
3.5 安裝時的注意點
安裝時，嚴禁強力組裝，避免強力組裝引起的外加應力與焊接殘餘應力共同作用，對構件產生威脅。
4 結語
低合金高強鋼中厚板在使用過程中產生裂紋是一件很嚴重的質量問題，由於其潛伏期長，不易被發現，所以一旦發生，後果不堪設想。因此，焊前必須制定合理的焊接工藝，控制焊縫中的氫含量，降低約束應力，將冷裂紋的產生消滅在萌芽狀態。
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