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

　　關鍵詞：工字形梁,焊縫裂紋,工藝控制

　　1 引言

　　隨著焊接技術水平的不斷提高，制造工藝、焊接方法不斷改進，水電站閘門的主梁、邊梁，橋梁結構鋼橫梁等采用大截面T型、H型結構成為一種發展趨勢，焊接質量的好壞直接影響整個鋼結構的安全運行，尤其是以工字形的T型接頭居多，其采用的埋弧自動焊由于生產效率高、投入焊工數量少、焊接速度快、焊接質量穩定及焊工勞動強度低等特點被廣泛應用，但T型接頭若焊接工藝控制不當極易產生焊縫裂紋，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，是廣西第一座中承式鋼管混凝土拱橋。隨著城市的發展，相對狹窄的橋面已無法滿足交通增長的需求，本工程項目就是在文惠橋老橋基礎上采用一樣的結構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計的，改造工程按城市次干路I級的原則進行設計，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度、良好韌性和可焊性的低合金鋼，橋中的橋面系鋼結構由鋼縱梁、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構，其鋼橫梁長有16940mm和16250 mm兩種，翼緣板由板厚30mm、28mm、26 mm、24 mm不等對接而成，腹板由板厚30mm、24 mm不等對接而成，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焊(SAW);坡口形狀尺寸如圖1。母材和焊材均有出廠質量證明書，并經相應驗收、復驗結果均合格，

　　施焊順序：先焊正面坡口焊縫至二層，后經背面碳弧氣刨清根處理，用角向磨光機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行，直至焊接完畢。

　　4 焊接裂紋特點

　　鋼橫梁T型接頭整體焊接完畢后經外觀檢查發現，背面焊縫個別位置焊縫中心產生縱向裂紋，裂口均有較明顯的氧化顏色，后經延長碳弧氣刨焊縫清理米數，發現焊縫內部也有裂紋，均橫穿整條焊縫，并位于焊縫中心，清根時從宏觀可視裂紋表面寬度約0.3-0.5mm，裂紋的表面形態走向呈連續不規則鋸齒形，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)等工藝參數再焊接仍然在焊縫中心位置出現裂紋，并橫穿整條焊縫。根據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(結晶裂紋)，

　　5 Q345C鋼板焊接性及裂紋產生原因

　　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量較高達到1.39%，焊接時具有較好的抗熱裂性能，焊接過程中熱裂傾向較小;Q345C碳當量(CE)不大于0.40%，鋼材在焊接過程中基本無淬硬冷裂傾向，冷裂敏感性較小，焊接性良好，除非鋼板厚度很大和環境溫度很低等情況外，一般無需預熱和嚴格控制焊接熱輸入要求[1];

　　5.2裂紋性質

　　Q345C鋼板是具有優良焊接性的結構用鋼，而埋弧焊所用的焊材均是國內較為成熟的材料，正常焊接情況下焊縫中不會出會熱裂紋，因此，由冶金因素的作用影響而產生熱裂紋極小。同時從裂紋所產生的時機、位置和宏觀特征，以及對母材焊接性分析，可認為是一種典型熱裂紋中的結晶裂紋，主要與焊縫的中區域偏析有關。在T型接頭中焊接時由于受偏析的影響，鋼板不同部位碳的質量分數相差很大，會出現熱裂傾向，在這種情況下，必須要從工藝上設法減少母材在焊縫金屬中的熔合比，增大焊縫成形系數，才有利于防止焊縫金屬的熱裂紋，當然也可以通過焊接材料調整焊縫金屬的成分，降低焊縫中C含量和提高焊縫中Mn含量[1]達到防止熱裂的效果。

　　5.3結晶裂紋產生原因

　　1)組合焊縫背面清根后再進行根部焊道填充時，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、冷卻及凝固過程中由于焊縫在脆性溫度區內所承受的拉伸應變大于焊縫金屬所具有的塑性[2]，而產生結晶裂紋。

　　2)焊縫成形系數(ψ)對結晶裂紋的產生影響較大，從接頭的形式和對稱的K形坡口40°角度分析見圖1，采用焊絲φ4mm埋弧焊時焊縫根部焊道極易呈窄而深的截面，既使通過調整焊接工藝參數后(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，最后在焊縫中心線上形成明顯的偏析層，增加了結晶裂紋的傾向[3]。

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

　　5.4結晶裂紋形成的機理

　　從金屬學理論知道，先結晶的金屬較純，后結晶的金屬雜質較多，在實際結晶時，這些雜質會被不斷生長的柱狀晶體推向晶界，聚集在晶界上形成低熔點共晶體。在焊縫凝固的過程中，低熔點共晶體會形成一層液體夾層，即“液態薄膜”，由于液態金屬本身不具有抗拉能力，削弱了晶粒與晶粒之間的結合力，而拉應力的作用下，使柱狀晶體間的縫隙增大，此時僅靠低熔點共晶體已無法填充擴大了的縫隙，“液態薄膜”就成了薄弱地帶，在拉伸應力的作用下就產生了結晶裂紋。

　　總之焊縫中結晶裂紋的產生在于焊縫中存在“液態薄膜”和焊縫在凝固過程中受到拉應力共同作用的結果，拉應力是外因，“液態薄膜”(低熔共晶體)是產生結晶裂紋的內因[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焊產生熱裂紋主要是由于焊接工藝不當，成形系數ψ=B/H<1，形成窄而深焊縫才產生熱裂紋的。而在焊接過程中由于受清潔度、母材、焊材的影響又無法控制或限制焊縫中偏析元素C、P、S的含量，同時橫梁自身的剛性無法用調整焊接順序來降低拘束應力。要使焊縫不產生焊縫裂紋，只能從改變焊接工藝措施，改變焊縫形狀系數才能有效的控制焊道中熱裂紋的產生。

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

　　2)適當增大鋼橫梁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、并采用不對稱的坡口形式尺寸如圖2，來減小熔合比和增大焊縫成形系數，焊接時先焊坡口深度大的一側兩層,再進行背面(坡口深度淺一側)碳弧氣刨清根后，根據實際焊接情況進行交替焊接，防止產生較大變形量。

　　通過以上焊接工藝的改進后，取得滿意的質量效果，并經超聲波100%檢測均未發現線狀和超標缺陷，符合GB/T 11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》BⅡ級以上質量要求。

　　5 結論

　　1)T型接頭K形坡口采用埋弧自動焊時，根層焊道采用φ3mm焊絲填充，能獲得較高的焊接質量，對防止結晶裂紋具有重要的作用。

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

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

　　參考文獻

　　[1]李亞江. 焊縫冶金學—材料焊接性〔M〕.北京： 機械工業出版社.2006.10

　　[2]焊接冶金與金屬焊接性[M].西安交大內部使用書箱

　　[3]程祝年. 焊接工程師手冊〔M〕.北京：機械工業出版社 .2010.2

　　[4]馬文蛛. 金屬熔焊原理〔M〕.哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社 .2007.8