徐锦华

（陕西开放大学，陕西 西安 710119）

随着我国社会经济的不断蓬勃发展，社会各行业的横向纵向的深度联动影响，建筑行业也逐渐一步一步得到了质的发展。各建筑施工企业为提高企业的核心竞争力，达到综合收益价值的最大利益化，往往会进一步提升相关技术和把控工程质量。经过我们对行业市场的调查与分析，我们发现建筑钢结构的焊接虽然会因优化材料、技术更新等因素而质量提高，但是有些裂纹问题仍然存在。本文将对建筑钢结构焊接的这三类裂纹特征与产生机理进行概括总结，提出实现建筑钢结构焊接裂纹的有效防治具体措施，以期为我国的建筑钢结构焊接领域的发展提供一点建议。

1 建筑钢结构的焊接重难点

建筑钢结构指主要由钢制材料组成的建筑施工结构，主要由钢梁、钢柱、钢桁架等附件构架组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓进行连接。就现阶段钢结构的发展来看，建筑钢结构的焊接重难点有：

（1）钢结构构件连接节点构造复杂，焊接接头形式多、板厚大、焊缝密集，导致焊接接头刚性约束大，焊缝自由收缩困难，焊接接头产生裂纹、层状撕裂的可能性随之提高[1]。

（2）在材质方面，施工企业多采用低合金高强钢作为原材料，低合金高强钢的碳含量较高，焊接性较差，钢材淬硬倾向大，焊缝容易出现延迟裂纹。

（3）现场安装受不同工种交叉作业和高空操作等因素影响，安装难度较大。

2 裂纹的判定条件及产生机理

在建筑钢结构在实施具体的焊接过程中，一般根据实际产生机制的不同将出现的裂纹分为：建筑钢结构体系中的热裂纹、冷裂纹和厚板工程中的层状撕裂。

2.1 热裂纹的判定和产生机理

低合金高强钢中除含碳量较高，通常还含有一些S、P杂质，S、P杂质的含量值在正常含量区域内的话一般不对焊接质量产生直接影响，但是如果S、P杂质含量超过正常标准就会在焊接缝处冷凝凝结成低熔点结晶物，这些结晶物在后期的施工过程中聚集受压缩用力被挤至焊接缝处且呈现有规律的纵向分布的液体薄膜状态。受空气遇冷凝固收缩的作用影响，焊缝处作业后处于高温状态，此时结晶聚集产生的液体薄膜被应力撕裂，产生裂纹，同时出现可视的氧化色彩。

2.2 冷裂纹

2.2.1 冷裂纹的判定特征

冷裂纹与热裂纹相反，冷裂纹出现的温度一般处于焊缝在焊接施工冷却过程中钢材温度降到马氏体转变温度范围内（300℃～200℃以下），出现的时期一般在焊接过程的后期，也有时会在焊接过程中出现。与热裂纹即时出现相对，对于这种焊接后不立即出现的裂纹叫做延迟裂纹即冷裂纹。一般出现在低、中合金钢焊接区域，因其具有的时间顺移特点而具有一定的隐匿性和延续性，需要较长时间的观察和检测才能发现。

2.2.2 冷裂纹的产生机理

一般来说，冷裂纹形成的影响因子一般有以下几点：焊接过程中产生、扩散并浓集的氢气；焊接接头形成的易开裂的钢组织结构形式；发力作用在焊接接头上的拉应力。前人已有研究证明，产生冷裂纹的原因主要是在于焊接接头的含氢量浓度。通常氢的来源有多种途径，如焊条中的有机物、结晶产生的液体薄膜及焊接坡口附近的水分、油污等。在焊接的实际施工过程中，大量的氢会进行饱和溶解，在焊接后期的冷却凝固过程中，氢的溶解度随时间的推移逐渐下降，导致氢分子没有及时被排出焊接接头处，被桎梏在钢材质从而进一步使氢的在焊接缝隙中处于饱和状态，氢气逐渐浓集对钢结构冷裂纹的产生埋下潜伏因子。

同时焊接接头的拘束度也会导致焊接冷裂纹的产生，通常情况下，钢结构进行焊接作业时，要防止进行焊接作业时产生的不均匀加热现象和焊接作业结束后钢材冷却过程中产生的热应力，钢材金属变化产生的一些结构上的组织应力等这些拘束应力产生。另外，当选用的母材的含碳量高于合格标准、冷却速度过快、焊接应控制区域硬化，也会导致裂纹的产生[2-5]。

2.3 层状撕裂

2.3.1 层状撕裂的判定特征

层状撕裂是建筑钢结构钢材产生的一种内部的低温开裂现象，是在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状即“台阶”式层状的一种裂纹。一般来说，层状撕裂敏感温度区间居于400℃以下，沿热影响区附近出现穿晶或沿晶并进行作用。一般产生在T字型、K字型厚板的角焊焊接头处。

根据层状撕裂产生的位置大体可以分为三类：

（1）在焊接热影响区受焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。

（2）受焊缝遇冷空气进行收缩效应而造成较强的拉伸应力影响，从而在焊接热影响区非金属夹杂物分布处沿焊接缝扩展产生层状撕裂。

（3）在远离热影响区母材的区域沿焊接缝夹杂开裂，一般多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。

2.3.2 层状撕裂的产生机理

层状撕裂的主要原因是建筑钢结构钢材内部本身存在沿轧制方向的一定数量的非金属夹杂物（如硫化物、硅酸盐等），在焊接作业进行轧制的过程中被碾轧成带状后发生脆化作用，从而使金属材料在板厚方向的金属塑性变形能力降低，出现阶梯状裂纹，产生层状撕裂现象。

另外还受焊接时产生的垂直于金属材料厚度方向的拉应力影响。当钢材的厚壁焊接结构承受了不同方向和作用的Z向拘束应力、焊后的残余应力，就会形成合力作用，对受力部分产生不均匀的向导反应，从而产生层状撕裂。

3 建筑钢结构焊接裂纹的解决途径

3.1 热裂纹的防治措施

第一，要限制钢结构焊缝的化学成分，尽可能将S、P的含量控制在符合标准的数值范围内，从而降低焊缝的含碳量，改善钢材含碳量和含锰量的配比。第二，采用向焊缝金属加变质剂，调整焊缝金属化学成分，要改变焊缝组织状态，在焊缝中争取形成金属叠加的双向组织，细化焊缝品粒，使低熔点共晶不能集中分布,从而减少热裂纹的倾向。第三，要扩大焊缝宽度与深度的比例，通过焊接的钢材碳含量配比超过0.04%时，将会出现碳化物，所需的钢结构材料量越多，钢的耐蚀性越低，脆性将大幅度增加。选择合理的焊接顺序和焊接方向。第四，要采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的杂质含摄，改善结晶时的偏析程度。

3.2 冷裂纹的防治措施

冷裂纹又称作延迟裂纹，这种裂纹通常产生在焊接作业进行时或焊接作业结束后一段时间。我们知道，碳钢低合金钢焊接产生延迟裂纹的三要素是扩散氢、淬硬组织和拘束度。因此要防止冷裂纹的产生，主要有以下几点措施：

（1）由于冷却速度的不均匀变化，晶格畸变会产生脆硬马氏体组织。施工企业应根据相关的规定要求进行焊前预热及焊后热处理，降低冷却速度，保持焊接时工件上的热量，延缓冷裂纹的出现时间。

（2）选用低氢或超低氢或其他焊接材料，使用碱性焊条或焊剂，焊条和焊剂在使用前焊接技术施工人员应严格按照相关的标准和规定要求进行烘干。在使用时，要认真清理坡口和焊丝，打磨清理表面杂物，擦干去除油污、水分和锈斑等水迹脏污，另外在使用时、使用后注意保管，以增加抗裂性能。

（3）采取可降低焊接应力的各种工艺措施，选择正确的焊接方向和焊接顺序，及时对焊接接头的预热、散热温度进行确定（常用两种标准方法：EN1011和AWS D1.1），减少氢含量扩散和聚集，保证焊接热输入和焊接后的自由收缩度，降低金属型变的内应力。

3.3 层状撕裂的防治措施

层状撕裂是一种内部的低温开裂，属于冷裂纹的一种特殊形式。进行焊接作业施工后再钢结构表面不易发现，因此在钢结构焊接中层状撕裂危险性较大，要防止层状撕裂需从以下几点考虑：

（1）在根据设计图纸进行设计实地选材时，施工人员除要在保证材料质量的基础上，充分考虑满足一定的抗冷裂条件外，还要尽量选择抗层状撕裂性能好的Z向钢材。

（2）切实提高钢板质量，减少钢材中层状夹杂物的含量配比。

（3）优化建筑钢结构的结构设计，提高焊接工艺水平，以减少板厚方向的焊接拉伸应力，防止层状撕裂。

（4）在对厚板进行焊接作业前，进行板材的超声波和坡口渗透检查，核验分层夹杂物的情况，若出现超过合格标准的层状夹杂物，要事先进行相关修补打磨处理。

需要注意的是，由于在建筑钢结构的施工作业中，层状撕裂的影响很大，它直接关系到建筑钢结构的整体施工质量，甚至对钢结构建筑工程的经济效益产生直接关联效应。因此需要在施工之前，要求相关施工人员对钢材层状撕裂的敏感性作出直接、准确、可靠的实效性判断。

3.4 严格焊接的质量验收工作

在实施建筑钢结构的焊接作业期间，施工监理部门在坚持国家和行业的相关质检要求和规定的要求下，要利用科学合理的质检措施以及严格的质量控制手段，发挥监理部门的职能，对建筑钢结构的焊接施工质量进行多角度、全范围的质量审核。在焊接结束后，施工企业的监理专业人员应当加强对钢结构焊件的质量检查工作，这样能够在第一时间内避免焊后开裂的情况，减少冷裂纹等的出现。当出现裂纹时，要及时分析其中存在的问题，修改焊接方案，实施补焊等挽救措施。在焊接的时候也应当加强质量控制，施工企业单位要进一步确保施工人员严格地按照焊接相关的工艺流程进行操作，确保焊接的规范性。

3.5 加大培训施工人员安全意识和专业素质的力度

施工技术人员作为建筑钢结构的焊接工程中的施工主体，其个人的世界观、技术能力和综合素质都会对给建筑项目工程的质量造成一定的影响。要加大培训施工人员安全意识和专业素质的力度，施工单位和相关部门必须针对焊接作业施工前期发现及预测的一系列可能出现的问题，及时聚集施工人员开展一系列的专业操作教育和专业培训工作。在实际施工期间，施工人员需要持续地接受系统全面的专业教育和素质培训，尽可能做到经过专业示范操作演示及相关审核测试过关后再进入施工现场开展作业。焊接人员应当充分掌握各种类型裂纹产生的具体原因，强化自身的专业素质和安全技术认知，在焊接的过程中，能够采取恰当的防治措施，要在选择合适的焊接电流的基础上，对各项工艺进行校正、控制好焊接参数，根据所选择的焊接材料选择恰当的施工工艺，从而减少裂纹的出现。还要通过对建筑钢结构的裂纹问题的实际解决案例进行分类讲解，直接地向他们展示合理、正确的施工操作流程及各类仪器附件设备的使用方法[6]。

4 结语

裂纹通常有热裂纹、冷裂纹和厚板工程中的层状撕裂之分。施工现场中各种裂纹的产生机制和影响因素都不相同，因此，在具体的工程施工过程中，施工人员应综合分析建筑钢结构焊接特点及产生焊接裂纹的各方面因素，采取适当措施对焊接裂纹进行有效防治，以保证建筑钢结构工程质量、降低生产和养护成本、提高生产效率，真正实现建筑项目综合效益的最大化。同时促进建筑钢结构焊接施工质量的提升，为城市的发展提供坚实有力支持。