张金海 （广船国际钢结构事业部）
提要：对材质为１６Ｍｎｐ的钢管焊接过程中根部焊缝出现的焊裂纹进行理论分析，并通过试验加以验 证，初步确定了根部焊缝纹的成因，并提出相应的防止措施。 关键词：桥梁焊接 焊缝裂纹 １．工程概况和技术要求广州丫髻沙大桥位于广州市海珠区南西侧，丫含沙岛的西北端，跨越珠江。钢结构 部份主要包括主拱、联合梁、主拱间的米字横撑、钢立柱、立柱横撑和主拱上的检修通道栏杆等结构。主拱 的计算跨度３４４ｍ，计算失高７６４５ｍ，两主肋间的中心距离为３５．９５ｍ，每边拱由６条中７５０ 钢管（２条小７５０ Ｘ ２０，４条ｔｈ ７５０ Ｘ １８）及其连接结构（平税板、直腹杆、斜腹杆）等 组成。其它结构包括联合梁（工字型钢梁，长度３８ｍ，高度１．９４－２．１４ｍ）和米字横撑（由直横 撑和斜横撑组成）。钢结构的制作符合《钢管混凝土结构设计与施工规范》（ ＣＥＣＳ２９：９０）及《 钢结构工程施工及验收规范》（ＧＢ５０２０５－９７）的规定，组装公差符合《铁路钢桥制作规则》 （ＴＢＪＺ１２－８６）的规定；主拱的制作符合"丫舍沙大桥钢管拱拱的加工、检查、验收暂定技术规定 "的要求。 主拱舷管采用 １６Ｍｎｐ，应符合《桥梁用结构钢》（ＹＢ（Ｔ》的要求。边拱舶管采用 Ｑ２３５钢应符合《碳结构钢》（ＧＢ７００－８８）的要求、埋弧焊的焊接材料标准为； （ＧＢ１３００-７７（《焊接用钢丝》）和ＧＢＩ ２４７０－９０（帐合金钢埋弧用爆剂》）；手工电弧 焊接材料标准为：ＧＢ５１！８－８５（创氏合金钢焊条》）和ＧＢ５ｌｌ７－８５（《碳钢焊条》）； ＣＯ。气体保护焊药芯焊丝的材料标准为： ＧＢ１００４５－８８（《碳钢药芯焊丝》。 ２．制作工艺 ２．1 主拱的舷管直管制作常规三星辊卷圆加工方法是按管子小径进行展开计算，考虑焊接变形等因素计 算下料尺寸，按该尺寸进行街节下料，在三星辊上进行卷圆、校圆，并进行纵缝和环缝的装配及焊接工作， 其流程如图１所示。
２．３焊接技术要术主拱舶管环缝焊接采用ＣＯ。气体保护焊（ＳＦ一刀，小１．２）十埋弧自动焊 （ＨＩＯＭｎ2ф４＋ＧＨＦ１０１），施焊时先焊 ＣＯ。保护焊（ＳＦ-７１，Ф １．２）打底、填充焊 （带陶瓷衬垫）再施焊埋弧自动焊（Ｈ１０Ｍｎ。，中４＋ＣＨＦ１０１）填充、盖面焊，施焊时严格按焊 接工艺指导书进行。 ３．裂纹产生情况自１９９９年１月４日以来，主、边拱舷管对接纵、环缝根部焊缝有焊接裂纹出现，共探 伤 １７２个简节，发现焊接缺陷的有 ８９个简节，其中大部分为裂纹。焊接裂纹出现在根部焊缝的中间位 置，肉眼可观察到，在焊缝长度方向呈不规则分布，长度约８～３００ｍｍ，裂纹深度约ｈａ７ｍｍ，有时 贯穿根部焊缝。同时，存在一些肉眼不可见的微裂纹，焊缝焊接完毕后，通过超声波探伤可检测出来。 ４裂纹产生原因分析 分析可能产生焊接裂纹的原因有： （1）主拱舷管母材厚度大，半径小，简节长度长，造成直焊缝的拘束度太大，当焊缝填充金属强度不足时， 在冷却收缩过程中受内应力作用； （２）直焊缝装配间隙较大，焊缝冷却收缩量大； （３）环境温度低，母树散热快，焊缝冷却速度快，易出现焊接裂纹： （４）药芯焊丝属于高钛系，扩散氢含量高； （５）焊接规范超过通用工艺的要求 （６）母树式焊接材料化学成份不符合标准要求； （７） ＣＯＺ气体保护焊用陶瓷衬垫质量不稳定； （８）点焊缝强度不足，产生裂纹： （9）焊接料未烘干。 ５原因验证针对上述原因，钢结构事业部与焊接实验室、丫髻沙大桥监理一起进行了一系列的焊接试难，以 验证上述原因：见表卜 （Ｉ）母材化学成份复验，符合标准要求
（4）焊接材料机械性试验，符合标准要求；
（５）焊接材料严格按要求进行烘培，效果不明显；
（６）更换 ＣＯ。气体保护焊焊接用陶瓷衬垫，焊接裂纹未能消除，见表4
（10）施焊前将焊缝预热至１００'Ｃ，效果不明显；
（11）增加点焊的长度和厚度，效果不明显；
（12）进行焊接残余应力测试，焊缝中存在较大焊接应力，但未对整体结构造成影响；
（13）试验两个焊接工艺评定，试验结果合格：
①采用陶瓷衬垫，ＣＯ。气体保护焊实芯焊丝打底，埋弧焊焊接，见图２，表７
②ＣＯ。气体保护焊药焊芯丝和理焊双面坡口焊接，见图３，表８
综合以上实验分析，排除其它因素后，焊接裂纹产生的原因是焊接线能量比较大时，焊缝在脆性温度区
内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性。金属结晶学理认为，焊缝在结晶过程中晶界是个簿弱地带
，因为先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集于晶界，这些杂质所开成的共晶都具有较低的熔
点，当焊缝含 流量偏高时，能形成ＦｅＳ，并与铁发生作用而形成溶点只有９９８Ｃ低烙点共晶。
在焊缝金属凝固结晶的后期，低溶点共晶被排挤在柱状晶交通的中心部位，形成一种谓"液态薄膜"，此
时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的"液薄膜"就成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下就有可能在这
个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。Ｓ和Ｐ在钢中能形成多种低烙共晶，使结晶过程中极易形成液态薄膜，因
而显著增大裂纹倾向。焊接线能量较小，熔深较浅，对接焊缝抗裂性较高；焊接线能量较大，馆深较大，对
接 焊缝抗裂性较差，因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝的结晶面上，而这个面是晶粒 之间联系较
差、杂质聚集的地方，易于引起裂纹。 因此，结晶裂纹都是沿着焊缝中的树枝状晶的交界处发生和发展的，
最常见是沿焊缝中 心纵向开裂。 ６工艺修改 为防止结晶裂纹，可从治金和工艺两个方面来采取措施。
６．正治全措施 控制焊缝金属中Ｓ、Ｐ、Ｃ等有害杂质的含量； 提高Ｍｎ含量，Ｍｎ具有脱Ｓ作用，能置
换ＦｅＳ为ＭｎＳ，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状ＦｅＳ改变为球状分布，从而提高焊缝的抗
裂性，消除焊接裂纹； 向焊缝中加入细化晶粒的元素。 ６２工艺因素
（１）控制焊接规范在工艺规定范围内；
（２）采用溶深较浅的对接焊缝坡曰；
（3）尽量使焊能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝的受力较小。 为保证工程的制造质量，在生产中采用如
下措施防止裂纹的产生：
①严格控制焊接过程中焊接规范在工艺要求的范围内：
②减小熔合比，采用新焊接工艺（双面焊坡Ｄ）代替原焊接工艺施焊； 主拱航管纵缝焊接采用 ＣＯＺ焊
（ＳＦ一71，巾 １．２）十埋弧自动焊（Ｈ１０Ｍn2，Ф4＋ＣＨＦ１０１），施焊时先焊内侧，内施焊焊
接方法为ＣＯ。气体保护焊接（ＳＦ一71，ФＩ．２），内侧焊好后外侧清报再施焊外侧焊，外侧施焊按焊
方法为埋弧自动焊（Ｈ１０Ｍｎ。，Ｑ４＋ＣＨＦ１０１），施焊时严格按焊工艺指导书的要求进行。
③控制装配间隙；
④环境温度过低时，适当进行预热；
⑤适当增加点焊长度；
6增加根部焊缝缝厚度，根部焊缝连续单道焊接。
７结论及展望
通过一系列的实验，验证了焊接裂纹产生的原因是焊接线能量比较大时，焊缝在脆性温度区内所承受的
拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性。采用上述工艺措施后，减小应力对焊缝结晶的影响，有效地解决了焊
接过程中时常出现的裂纹问题，在以后丫髻沙大桥钢绘
构工程其它类似钢管的焊接过程中，未出现同样的问题，确保了丫髻沙大桥钢结构ｌ程质炎，保证了工程按
期顺利完成，同时避免了因为焊接裂纹的返修而产生的材料和工时的浪费，为未来其它工程的制作打下良好
的基础。