Q345 H型钢焊接开裂原因分析

苏会德

（莱芜钢铁集团有限公司工程部，山东莱芜271104）

经验交流

Q345 H型钢焊接开裂原因分析

苏会德

（莱芜钢铁集团有限公司工程部，山东莱芜271104）

材质为Q345的热轧型钢在焊接过程中出现了开裂，导致了构件的报废。从焊缝组织成分、焊缝内应力、定位焊缝焊脚尺寸3个方面进行了分析，确认施焊过程中定位焊缝位置选择不正确、焊脚尺寸过小造成焊缝内部严重质量缺陷，从而导致焊缝开裂。

H型钢；焊接；开裂；焊缝位置

1 前言

在某工程施工过程中，材质为Q345的热轧H型钢（规格400×400×13×21）钢柱在焊接过程中出现了严重的焊接开裂，致使多件构件报废。根据现场实际情况分析，首先排除了焊材、母材因素对产生裂纹的影响，然后从引起焊缝开裂的焊缝金属的组织成分、焊接完成后焊缝内应力、定位焊缝焊脚尺寸3个方面进行分析。分析得出，在H型钢焊接过程中，由于定位焊缝位置选择不正确、焊脚尺寸过小，造成焊接完成后焊缝内部产生严重的质量缺陷，从而导致了焊缝开裂。

2 H型钢焊接开裂原因分析

2.1 H型钢焊接开裂情况

在H型钢的焊接制作现场检查发现，在H型钢其翼缘板与连接板焊接时，出现焊接开裂现象。裂纹出现在连接板端部封口焊部位，并从焊缝表面开始贯穿焊缝，一直延伸到翼缘板中部，致使构件报废。现场已焊接完成的H型钢钢柱共16架，其中4架出现了上述开裂现象。检查正在点焊组装的H型钢钢柱，发现连接板已经点焊固定完毕，在其组装过程中，焊接人员把定位焊缝选定在连接板端部封口焊部位，即把端部封口焊缝作为定位焊缝，且点焊固定的定位焊缝焊脚尺寸明显不足。

现场检查发现，现场焊接的H型钢，有厂家提供的性能检测实验的合格证。焊接H型钢的焊条采用E5015焊条，现场配备烘焙箱、恒温箱；焊条的烘焙记录显示，烘焙温度350～400℃，烘焙时间1 h。施工现场人员配备焊条保温筒，现场焊材的配备和使用符合规范要求。通过对现场母材、焊材及焊材加热保温情况分析，基本可以排除母材、焊材导致焊缝开裂。

2.2 焊脚尺寸大小与组织成分

焊缝的钢类型划分。H型钢的材质为Q345，属于低合金钢，碳含量＜0.2%；焊条E5015属于碳钢通用焊条，碳含量为≤0.12%，因此焊接形成的焊缝组织成分属于亚共析钢［1］。

焊缝冷却过程中的组织成分变化可以结合亚共析钢过冷奥氏体等温转变曲线进行简单分析［1］：当焊缝冷却时，铁素体析出线以前，焊缝金属是以稳定的奥氏体相存在；随着温度降低，焊缝冷却线先是穿过铁素体析出线，焊缝中过冷奥氏体共析出少量铁素体；随着温度继续降低，焊缝冷却线穿过过冷奥氏体转变开始线，焊缝组织开始生成珠光体；温度继续降低，焊缝冷却线穿出过冷奥氏体转变开始线，焊缝组织重又回到奥氏体稳定状态；温度再继续降低，焊缝冷却线穿过Ms线，焊缝中的过冷奥氏体开始析出马氏体；当温度降低至Mf以下时，相变结束，不再有马氏体析出，焊缝组织保持稳定状态。

从以上分析可以看出，当焊缝快速冷却到达室温状态时，焊缝组织中产生一定量的马氏体，冷却时间越短，产生的马氏体组织越多；当焊缝冷却时间短到不穿过过冷奥氏体开始线时，焊缝中的组织就只有大量马氏体和部分过饱合的奥氏体组织；相反，如果冷却时间长到可以穿过过冷奥氏体转变结束线时，过冷奥氏体将转化为珠光体，焊缝可以得到良好的组织成分。

金属的焊接过程是焊接化学冶金过程，在焊缝熔池中，发生着一系列的冶金化学反应。熔池体积小，而周围又被冷金属包围，所以它的冷却速度较快。由以上对亚共析钢焊缝冷却过程中冷却速度对组织成分影响的分析可知，在H型钢焊接过程中，由于定位焊缝焊脚尺寸过小，输入的焊接线能量过低，造成焊缝冷却速度过快，焊缝中过冷奥氏体由于处于不稳定状态，冷却时产生淬硬倾向而分解生成马氏体。马氏体组织是一种脆硬的组织，发生断裂时消耗的能量较低，裂纹易于形成和扩展，由此造成了焊缝的开裂。

2.3 焊缝内部应力

在连接板的焊接过程中，连接板与翼缘板的纵向角焊缝冷却过程中纵向缩收，产生很大的收缩力，由于定位焊缝所处的端部封口位置是构件几何形状、外形尺寸发生突变的位置，连接板焊接过程中产生拉力，将会在此位置形成很大的应力集中。

定位焊缝的最大承载拉力与所受拉力比较。

1）定位焊缝的最大可承载的拉力计算。现场实际测量，开裂部位的定位焊缝的焊脚尺寸不足3mm，由于受翼缘板厚度的限制，焊缝长度最多不超过板的厚度21mm，以焊缝焊脚尺寸3mm、焊缝长度21mm计算焊缝的有效承载面积为44.1mm2。以Q345钢的抗拉强度490 MPa计算，定位焊缝最大可承载拉力为2.16×104N。

2）翼缘板与连接板角焊缝收缩产生的拉力计算。根据设计要求，翼缘板与连接板的纵焊缝为焊脚为12mm的角焊缝，其有效受力面积是其焊缝断面的截面积。由于焊缝为两面角焊缝，计算可得144mm2，焊缝收缩产生的拉应力为7.06×104N。

由上述计算可看出，定位焊缝能够承载的最大拉力为2.16×104N，小于它实际要承受的纵向角焊缝对它施加的7.06×104N拉力，因此，焊接过程中极易造成此处定位焊缝的开裂。

3 解决措施

1）改变定位焊缝的位置。钢结构焊接规范BG 50661-2011规定，定位焊缝不能焊接在端部封口的厚度方向上。在H型钢组装过程中，连接板进行定位时，恰恰选在端部厚度方向的封口焊位置。因此，在H型钢的定位组装过程中，要改变定位焊缝的位置，把定位焊缝选在翼缘板与连接板的纵向角焊缝方向上，避免把端部封口焊缝作为定位焊缝。

2）改变焊缝的施焊顺序。组装定位完成后进行焊接时，先焊接连接板与翼缘板的纵向角焊缝，再焊接端部的封口焊缝。先焊接纵向角焊缝时，由于端部封口位置焊缝还没有焊接，纵向角焊缝焊接时处于自由状态，纵焊缝受力状态良好；最后焊接端部封口焊缝时，由于纵向角焊缝焊接过程中的纵向收缩已经完成，封口焊缝不再承受因纵焊缝收缩对它施加的拉力，受力状态得到极大改善。

3）焊接过程要严格按规范和设计要求进行施焊。一是定位焊缝焊接时，要严格遵守国家相关规范规定，定位焊缝的长度应≥40mm，且焊脚尺寸最小不得＜3mm（有的规范规定为最大不超过主焊缝焊高的2/3）。二是端部封口焊缝焊接时，一定要满足设计要求的焊脚尺寸。大的焊脚尺寸增大了焊接时的线能量输入，降低了焊缝冷却速度，有利于改善焊缝组织成分，提高焊缝的强度。

4 结语

根据以上分析可知，由于焊接过程中，连接板的定位焊缝焊脚尺寸不足，造成定位焊缝焊接时，输入线能量小，焊缝冷却速度快，形成淬硬的马氏体组织；定位焊缝设置在封口焊位置，造成连接板焊接过程中，定位焊缝的承载能力不足以承载纵向角焊缝产生的收缩力，定位焊缝中淬硬的马氏体组织在应力集中作用下，产生开裂。由于裂纹的延展性，在热轧H型钢本身固有内应力的作用下，使裂纹向翼缘板中部延伸，最终造成构件的报废。

因此，在此H型钢与连接板焊接过程中，必须改变定位焊缝位置。构件进行组装时，定位焊缝选择在连接板与翼缘板纵向的主焊缝部位。在主焊缝焊接完成后，再进行端部的封口焊接。同时定位焊缝的焊接一定要严格按规范要求进行，要保证焊缝的长度和高度，确保定位焊缝的强度能够承载主焊缝焊接时产生的收缩力。

［1］王建安.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，1980.

［2］周振丰.焊接冶金学［M］.北京：机械工业出版社，2006.

CauseAnalysison Welding Cracksof Q345Hot-Rolled H-beamSteel

SU Huide
（The Engineering Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

Cracks duringthe welding of Q345 Hot-rolled H-beam steel resulted inthe failure of components.Themicrostructure and chemical composition ofthe weld,themagnitude ofthe internal stress ofthe weld andthe fillet weld size ofthetack weld are analyzed inthis paper.Throughthe analysis,consideredthatthe wrong location oftack weld andthetoo small fillet weld size ofthe weld during welding arethe essential cause of cracks.

H-beam steel;welding;cracks;welding location

TG457.11

B

1004-4620（2014）02-0068-02

2014-02-26

苏会德，男，1969年生，1993年毕业于山东工业大学焊接工艺及设备专业，硕士。现为莱钢工程部高级工程师，从事焊接技术工作。