某国际机场新航站楼项目总用钢量4.7万t, 采用拱桁架支撑9根主梁, 横向以次梁檩条连成整体。三角拱桁架弦杆为H/T型截面且呈双向弯曲形态, 形成斜拱, 支撑屋面如图1所示, 最大跨度为180m, 高56m。结构主要采用英国标准S355钢材, 屈服强度为355MPa, 焊接采用CO₂气体保护焊, 药芯焊丝采用美国标准的药芯焊丝GMX-71Ni, 抗拉强度为490MPa, 焊接位置较高。

由于结构整体的跨度和高度原因, 采用的H/T型截面三角拱桁架弦杆截面尺寸较大 (见图2) , 焊缝尺寸较大, 焊接位置较高, 有一定的焊接难度。

焊接裂纹出现在三角拱桁架H型钢厚腹板工艺孔位置, 以近下翼缘工艺孔位置居多。工艺孔焊接裂纹由磁粉探伤发现, 裂纹情况如图3所示, 在厚腹板H型钢的对接焊接中出现比例较高。工艺孔裂纹和腹板焊缝的距离在5～20mm, 裂纹与焊缝呈45°, 起始位置为工艺孔圆弧中部, 裂纹的长度平均在3～7mm。

工艺孔位置实际上位于热影响区, 根据焊接工艺评定, 本类100mm的板从焊缝边缘外20mm范围内为热影响区范围。

在对焊缝实施超声波探伤过程中并未发现焊接裂纹, 在之后进行磁粉探伤时, 发现工艺孔裂纹, 所以可认定裂纹是近表面裂纹。基于项目的组织和流程安排, 无损探伤的实施时间为焊接结束16h之后, 可以认为裂纹是延迟冷裂纹。

冷裂纹一般在焊后冷却过程中产生, 有的焊后立即出现, 有的则要经过一段时间才出现, 这种不是焊后立即出现的裂纹称为延迟冷裂纹。冷裂纹是焊缝在冷却工程中温度降到马氏体转变温度范围内 (300℃以下) 产生的。研究证明, 钢材的淬硬倾向、焊接接头含氢量及接头的拘束度是产生冷裂纹的3个主要因素。

为研究延迟裂纹产生原因, 设置1∶1试件进行研究, 判断焊接裂纹是由焊接工艺还是拘束条件导致的。

模拟试件两端没有约束, 试件截面尺寸为I500×500×100×100, 如图4所示, 试件在焊接完成16h后进行超声波无损探伤及磁粉探伤, 探伤结果为合格。

对试件进行化学成分分析, 结果如表1所示。

根据表1所示钢材成分, 由式 (1) 计算材料可焊性。

$\begin{array}{l}C{}_{\text{c}\text{q}}=\left(\text{C}+\frac{\text{Μ}\text{n}}{6}+\frac{\text{C}\text{r}+\text{Μ}\text{o}+\text{V}}{5}+\frac{\text{Ν}\text{i}+\text{C}\text{u}}{15}\right)\times \\ 100\%=0.293\%(1)\end{array}$

从化学成分和可焊性计算来看, 使用的材料完全符合要求。另外, 采用GMX-71Ni药芯焊丝的CO₂气体保护焊是一种低氢的焊接方法。GMX-71Ni药芯焊丝遵照美国标准AWSA5.20《助熔芯电弧焊用碳钢电极规范》中表8要求, 扩散氢含量<8mL/100g。

对试件进行取样测试拉拔性能, 结果如表2所示。冲击韧性结果如表3所示

各部位宏观金相如图5所示。

由图5可知, 较为粗糙的铁素体和珠光体为母材区域, 针状铁素体和铁素体及珠光体为热影响区, 具有较好的韧性以及抗裂纹性能。焊缝区域为非连续的粗糙铁素体和珠光体。从焊接试件各部位显微组织中并未发现脆性马氏体出现, 证明试件具有良好的韧性和抗裂纹性, 热处理方式恰当。

通过焊接模拟试验, 可见试件在焊接及检验后呈现的焊接效果良好。焊接工艺并不是导致工艺孔出现裂纹的原因。模拟过程中, 除了解除焊缝两端约束, 与现场情况基本相似, 可见厚腹板焊接时约束过大是导致裂纹产生的最关键因素。焊接部位拘束度过大, 引起工艺孔位置应力集中。在高应力的工艺孔位置引起氢在工艺孔位置浓集, 导致延迟冷裂纹出现。焊接类型为药芯焊丝气体保护焊 (FCAW) , 属于低氢含量工艺, 焊接裂纹并不严重, 经过返修能够合格。

GB50661—2011《钢结构焊接规范》和美国AWSD1.1—2010《钢结构焊接规范》都不推荐使用H型钢厚腹板的对接焊缝, 而是建议采用如图6所示构造来避免焊缝相交, 在工艺孔与角焊缝间预留200～300mm不焊接。

为了减少焊接裂纹出现, 建议采取如下预防措施。

1) 预热、后热, 释放残余应力。在现场焊接过程中, 需保证恰当的热处理。预热充分, 以避免过快降温导致钢材脆化;并进行后热以及至少2h保温, 以便用退火处理消除残余应力, 细化晶粒及均匀组织成分, 同时保证氢充分析出。

2) 改变构造形式减少约束, 应预先将各梁的端头留出一段约200mm未进行焊接的角焊缝 (翼板与腹板组合的角焊缝) , 如图7所示。

将2段工字梁装配后, 首先焊接时受力较大的翼缘板对接焊缝, 然后焊接腹板对接焊缝, 最后再焊接翼板与腹板组合的角焊缝。由于角焊缝最后焊, 可使腹板有一定的收缩余地, 减小焊接应力。

焊接H型钢厚腹板工艺孔是潜在产生延迟裂纹的引发点, 容易产生延迟裂纹。通过充分预热, 并进行后热以及至少2h保温, 改变构造形式减少约束等方法, 可以预防延迟裂纹产生。