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焊工高级技师职业文章
（国家职业资格一级）

文章类型：论文
文章题目：浅析钢结构焊接中常见问题预防及处理

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浅析钢结构焊接中常见问题预防及处理

＊＊＊＊＊＊有限公司 ＊＊＊

摘要：在加工钢结构工件过程中，由于存在外形尺寸较大、形状多样、焊缝多、焊接位置不对称等因素，常出现多种焊接问题，影响产品的质量。
本文就焊接变形和裂纹原因，相应控制措施，解决办法进行探讨。
关键词：钢结构 焊接 应力 变形 裂纹 原因分析 控制措施 检验
引言：金属熔化焊焊缝的缺陷按其在焊缝中的位置可分为表面及成型缺陷（外部缺陷）、内部缺陷和组织缺陷三大类。常见的焊接外部缺陷主要有：焊缝外观形状和尺寸不符合要求、表面裂纹、表面气孔、咬边、焊瘤、弧坑、凹陷、满溢、烧穿、过烧等。常见的内部缺陷主要有：焊接裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、夹钨、夹珠等。浅析焊接中部分常见问题变形及裂纹产生的原因、预防措施及处理方法。
一、焊接中变形的原因及预防措施
(一)产生焊接应力和焊接变形的原因主要有：
(1)加工件的刚性小或不均匀、局部加热和冷却不均匀，焊后收缩，变型不一致。(2)加工件本身焊缝布置不均，导致收缩不均匀，焊缝多的部位收缩大、变形也大。(3)加工人员操作不当，未对称分层、分段、间断施焊，焊接电流、速度、方向不一致，造成加工件变形的不一致。(4)焊接时咬肉过大，引起焊接应力集中和过量变形。5)焊接放置不合适，应力集中释放时引起变形。（6）焊缝金属的组织变化产生应力变形。
(二) 防止和预防焊接变形的措施
(1)设计时尽量使工件各部分刚度和焊缝均匀布置，对称设置焊缝，减少交叉和密集焊缝。
(2)采取适当的工艺措施。1）反变形法，即在焊前进行装配时，为抵消或补偿焊接变形，先将工件向与焊接变形的相反方向进行人为的变形。如8-12㎜厚钢板V形坡口单面对焊时，将工件预先反向斜置，焊接后，由于焊缝本身的收缩，使焊件恢复到预定形状和位置。2）制定合理的装配和焊接顺序，以减少变形。如先焊主焊缝，后焊次要焊缝；先焊对称部位的焊缝，后焊非对称焊缝；先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊对接焊缝，后焊角焊缝。3)热调整法，即减少焊接热影响区的宽度、降低不均匀加热的程度，就有利于减少焊接变形。如小电流快速不摆动焊代替大电流慢速摆动焊；小直径焊条代替大直径焊条；多层焊代替单层焊；采用线能量高的焊接方法，如用二氧化碳保护焊代替焊条电弧焊等。4）强制冷却法，可将焊缝四周的焊件浸在水中，也可以用铜块增加焊件的热量损失。但对淬火倾向大的钢材不适应，易引起裂纹。对于焊接性能较差的材料，如中碳钢、铸铁等通常采用预热来减少焊接变形和焊接应力。5)对称施焊法，即同时对称施焊，少则2人，大的结构可以多人同时施焊，使所焊的焊缝相互制约，使结构不产生整体变形。如在安装现场组合钢架大梁时，采用效果较好的双人对称焊，能有效的防止大梁的角变形。6）刚性固定法，一般刚性大的构件，焊后变形都小。如焊接之前能加大焊件的刚性，构件焊后变形就可以减小。如使用用夹具机构，或临时将焊件点固在刚性平台上，或采用压铁等。7）锤击焊缝法，用圆头小锤（1-1.5磅，半径3-5㎜），敲击焊缝金属，能促使焊缝金属塑性变形，使焊缝适当延长，以补偿焊缝的缩短，避免和减少了焊接应力及焊接变形。敲击时应注意，除底层和表面外，其余各层焊后立刻均匀敲击。还有如对尺寸大，焊缝多的工件，采用分段、分层施焊，并控制电流、速度、方向一致；手工焊接较长焊缝时， 应采用分段进行间断焊接法，由工件的中间向两头退焊，焊接时人员应对称分散布置，避免由于热量集中引起变形；大型工件如形状不对称，应将小部件组焊矫正完变形后，再进行装配焊接，以减少整体变形；工件焊接时应经常翻动，使变形互相抵消；对于焊后易产生角变形的零部件，应在焊前进行预变形处理。等等。
(三) 焊接变形处理方法
尽管焊接结构在焊接过程中采取了一些防止变形的措施，但在焊后仍会出现焊接变形。如果焊件产生了超出技术要求所允许的变形时，就必须给予矫正。在生产中常用的矫正方法有手工校正法、机械矫正法、火焰矫正法、综合法。本质都是设法造成新的变形去抵消焊件已经产生焊接变形。
1）手工校正法。利用手锤等工具，锤击变形合适位置，使焊件变形减小。此法适用于一些薄板，变形小，细长的焊件。如薄板产生的波浪变形、角变形、挠曲变形。
2）机械矫正法。焊接后利用机械力矫正焊接变形。此方法常用压力机、矫直机、辊床、千斤顶等设备。即将焊件变形后尺寸缩短的部分加以延伸，并使之与尺寸较长的部分相适应，该方法多用于厚度不大的塑性材料焊件。低碳钢可以焊后直接机械力矫正，部分合金结构钢应进行消除应力的合适热处理后，才能进行机械力矫正，否则，易开裂。
3）火焰矫正法。是利用气焊火焰对焊接件进行加热的一种矫正变形的方法。该方法是使焊件在冷却收缩时产生的新变形，以矫正原因焊接所产生的变形，从而达到焊件恢复允许变化范围内形状、尺寸的目的。如焊后已经上供的Τ字梁，可用火焰对腹板外缘处进行呈三角形区加热，加热至600～800℃，然后冷却使腹板收缩引起反向变形，将焊件矫正。若一次加热还有上拱，则进行第二次加热，第二次加热应选在第一次加热区之间。
火焰矫正是一项技术性很强的操作，要根据焊件结构特点，掌握矫正变形规律，确定加热方式、加热位置、加热范围，并要用目测控制加热区的温度，才能获得较好的矫正效果。火焰焊接矫正主要针对钢材的塑性变形，分为全加热火焰焊接矫正和局部加热火焰焊接矫正，加热区形状分点状加热；线状加热；三角形加热三种。

（a）三角形加热工字梁挠曲变形 （b）三角形加热T字梁挠曲变形

图c 图d
图c、图d、分别为线状加热、部位和形式示意图

图（e） 图（f）

图（e）多点加热分布示意图 图（f）厚壁圆筒矫圆为示意图

（1）、点状火焰焊接矫正加热：加热一点或多点，点的直径至少15mm，厚板加热点的直径要大些。变形量大的，点状火焰焊接矫正加热点与点之间的距离应小些，一般在50-l00mm之间。
（2）、线状火焰焊接矫正加热：加热火焰沿直线方向移动或移动同时作横向摆动。一般适应矫正角变形或弯曲变形。线状加热线的横向收缩一般大于纵向收缩。横向收缩随着加热线的宽度增加而增加，加热线宽度一般为钢板厚度的0.5-2倍。
（3）、三角形火焰焊接矫正加热：加热三角形的底边在被矫正的焊件边缘，顶端朝向凹的部位。三角形加热的面积较大，因而收缩量也较大。
对低碳钢和部分普通低合金钢用火焰焊接矫正时，现场施工根据加热时钢材表面的颜色变化目测，判断加热温度，钢材表面颜色与相应的温度见下表：

钢材表面颜色及其相应的温度
颜 色
温 度(℃)
颜 色
温 度(℃)
深褐红色
550~580
亮樱红色
830~900
褐红色
580~650
橘黄色
900~1050
暗樱红色
650~730
暗黄色
1050~1150
深樱红色
730~770
亮黄色
1150~1250
樱红色
770~800
白黄色
1250~1300
淡樱红色
800~830

火焰焊接矫正只要按规范要求进行，一般不会影响钢材性能。火焰焊接矫正应该注意：火焰焊接矫正的加热温度一般为600~800℃，高了会引起钢材的力学性能的改变，金属变脆，影响冲击韧性，16Mn在高温矫正时不可用水冷却，包括厚度和淬硬倾向较大的钢材。火焰矫正引起的应力与焊接内应力都是内应力。不恰当的矫正产生的内应力与焊接内应力和负载应力叠加，会使柱、梁、撑的纵应力超过允许应力，从而导致承载安全系数的降低。因此，在钢结构制造中一定要慎重，尽量采用合理的工艺措施减少变形，矫正时尽量可能采用机械焊接矫正法，尽量避免或减少采用火焰焊接矫正法。
二 钢结构焊接裂纹的原因及预防措施
(一)热裂纹
热裂纹是指高温下所产生的裂纹，又称高温裂纹或结晶裂纹，通常产生在焊缝内部，有时也可能出现在热影响区，表现形式有：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹和热影响区裂纹。其产生原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象，低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态间层形式存在,从而形成偏析，凝固以后强度也较低，当焊接应力足够大时，就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹。此外， 如果母材的晶界上也存在有低熔点共晶和杂质，当焊接拉应力足够大时，也会被拉开。总之，热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果。热裂纹的一个显著特点是断口呈蓝黑色。针对其产生原因，可采取如下预防措施：
(1)、限制母材及焊接材料(包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体)中易偏析元素和有害杂质的含量，特别应控制硫、磷的含量和降低含碳量，母材和焊接材料若含硫量及含碳量高，而含锰量不足时,易产生热裂纹。一般要求母材、焊条、焊丝的含硫量不应超过0.04%，低碳钢和低合金钢用焊条和焊丝，含碳量一般不应超过0.12%。焊条电弧焊时，正确选用焊条的型号，使用合格、优质的电焊条是防止热裂纹产生的重要措施。
(2)、调整焊缝金属的合金成分，如焊接铬镍不锈钢时，适当提高焊缝金属的含铬量，可显著提高焊缝金属的抗热裂纹性能。在焊缝金属加入可使晶粒细化的元索，如钼、钒、钛、铌、锆、铝等，有利于消除集中分布的液态薄膜, 改善焊缝组织，细化焊缝品粒，以提高其塑性，防止热裂纹的产生。
(3)、采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的杂质含量，改善结晶时的偏析程度。
(4)、适当提高焊缝的形状系数，采用多层多道焊接方法，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。
(5)、采用整体预热和锤击法，收弧时填满弧坑等工艺措施，及合理的焊接顺序和方向，减小和消除焊接应力。焊前预热可以减少焊件各部分的温差，使收缩更均匀。每一道焊缝后，用小手锤对红热状态下的焊缝均匀迅速的锤击以减小应力。通常在可能的情况下将焊件整体或局部加热、保温后再缓冷，可消除应力80%左右。
(二) 冷裂纹
冷裂纹一般是指焊缝在冷却过程中温度降到马氏体转变温度范围内(300— 200℃以下)产生的，可以在焊接后立即出现，也可以在焊接以后的较长时间（有几个小时，几天，几星期，甚至一、二个月）才发生， 故也称为延迟裂纹。其形成的基本条件有3个：焊接接头形成淬硬组织；扩散氢的存在和浓集；存在着较大焊接拉伸应力。其预防措施主要有：
（1）选择合理的焊接规范，改善焊缝及热影响区组织状态，如焊前预热、控制层间温度、焊后缓冷或焊后热处理等以加快氢分子逸出。合理的装配和焊接顺序等可降低焊接应力的各种工艺措施，以减小焊接余应力。
(2)采用碱性低氢焊条。焊条在使用前应严格按照规定的要求进行烘干，认真清理坡口周围的油污、水分和锈斑等脏物，以减少氢的来源。
(3)焊后及时进行热处理和去氢处理，消除残余应力。所谓去氢处理，一般是指焊接后，立即在200-300℃的温度下保温2-6h然后缓冷。主要是使焊缝金属内的氢加速逸出。
(4)提高钢材质量，减少钢材中的层状夹杂物。
三、钢结构焊接质量检验
焊缝质量的好坏直接影响产品的质量，也是焊接构件在生产中运行安全的基础保证。焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积，在缺陷处引起应力集中，故对连接的强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。因此，焊缝质量检验极为重要。
焊缝质量检验方法可分为非破坏性检验和破坏性检验两大类，非破坏性检验包括焊接接头外观检查、密封性试验和无损探伤。破坏性检验包括断面检查、力学性能试验、金相组织检验和化学成分分析及抗腐蚀试验等。

焊缝质量检验方法

焊接检验方法

X射线探伤
高能射线探伤
γ射线探伤
接伸试验
弯曲试验
冲击试验
硬度试验
断裂韧度试验
疲劳试验

化学分析
腐蚀试验
含氢量测定

宏观组织分析
微观组织分析

荧光探伤
着色渗透探伤
超声波探伤

射线探伤

磁粉探伤
涡流探伤

力学性能性验

化学分析及试验

金相检验

焊接性试验

外观检查
水压试验
致密性试验

无损探伤
非破坏性试验
破坏性试验

一般可采取外观检查及无损探伤检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。内部无损探伤检验目前广泛采用超声波检验，该方法使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质。有时还用磁粉检验，该方法以荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采用X射线或γ射线透照或拍片。
现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001〉规定，焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级,三级焊缝只要求对全部焊缝做外观检查，焊缝应符合三级质量标准,设计要求全焊透的一级、二级焊缝，除外观检査外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷检验; 超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。超声波探伤应符合现行国家标准《钢结构超声波探伤及质量分级法》(JG/T203-2007)的规定，焊缝质量不低于Ⅰ级；射线探伤应符合现行国家标准《金属熔化焊焊接接头射线照相》（GB/T3323-2005）。

参考文献：

【1】田锡唐 《焊接结构》 北京 机械工业出版社 1982
【2】黄文哲 《焊接手册》 北京 机械工业出版社 1991
【3】田锡唐 火焰成形研究论文集哈尔滨 哈尔滨工业大学 1980
【4】刘云龙 《焊工技师手册》 北京 机械工业出版社 2000
【5】周丽丽 李秀梅 赵福胜 《电焊工长》 武汉 华中科技大学出版社 2012

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