建筑鋼結(jié)構(gòu)新鋼種焊接評價(jià)指標(biāo)分析與應(yīng)用

王利　唐忠昆

【摘 要】隨著我國建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是在材料的選用上，越來越多地趨向于使用高強(qiáng)度、大厚度鋼材，從而對建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)提出了新的要求；然而，由于建筑行業(yè)水平發(fā)展的不平衡，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中懂得焊接應(yīng)用技術(shù)的人員不多，精通的更少，因此，技術(shù)上的未雨綢繆、防患于未然，必然會(huì)成為建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的基本思想。本文筆者對新鋼種焊接技術(shù)評定指標(biāo)作出了分析，提出了焊接性試驗(yàn)研究成果的主要應(yīng)用，可供同行參考。

【關(guān)鍵詞】新鋼種；焊接評價(jià)；現(xiàn)狀；應(yīng)用

1.焊接性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

按照國際慣例，新鋼種焊接性能試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)由生產(chǎn)廠家和研究單位負(fù)責(zé)完成；但在我國，新鋼種的焊接性能試驗(yàn)研究工作是由施工單位承擔(dān)，因此，新鋼種的焊接性能試驗(yàn)將是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)；另外，由于鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的需要，在重要性建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中采用了新一代鋼種，這些鋼種同傳統(tǒng)鋼種有很大的區(qū)別，掌握和研究新鋼種的焊接性是一件十分重要和困難的工作。因此，采用新工藝、新的運(yùn)條手法進(jìn)行施焊勢在必行，否則將給工程帶來損失。

2.新鋼種焊接技術(shù)評定指標(biāo)的研究

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接缺陷以裂紋的危害最大，防止裂紋的產(chǎn)生就成為鋼材焊接性試驗(yàn)研究首先考慮的問題。隨著大厚度高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)的采用，焊接評價(jià)指標(biāo)及焊接性試驗(yàn)研究的作用越顯得重要。

2.1大厚度高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接技術(shù)評定研究總體思路

（1）評定Q390級以上高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性。

（2）不同焊接方法的焊縫金屬中氫含量的測定與分析。

（3）大厚度高強(qiáng)結(jié)構(gòu)組裝焊接技術(shù)。

2.2焊接技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系的確定及作用

2.2.1主要考慮以下指標(biāo)

碳當(dāng)量CE（IIW）、冷裂紋敏感指數(shù)Pc、預(yù)熱溫度、焊接接頭性能分析（拉伸、沖擊、硬度）、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測定分析、鋼結(jié)構(gòu)接頭形式應(yīng)力分析、熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、焊縫金屬抗熱裂紋的能力等。

2.2.2評價(jià)指標(biāo)的具體作用及局限性

（1）碳當(dāng)量CE（IIW）：用于評價(jià)鋼材的淬硬性傾向，以及在焊接中如何采取防止冷裂紋，但由于未考慮焊接接頭拘束度的大小、焊接材料實(shí)際擴(kuò)散氫含量等因素的影響，該指標(biāo)僅能在一定程度上反映實(shí)際構(gòu)件的冷裂紋產(chǎn)生的傾向。

（2）冷裂紋敏感指數(shù)Pc：單純以淬硬性估計(jì)冷裂傾向是比較片面的，冷裂紋敏感指數(shù)（Pc）綜合考慮了產(chǎn)生冷裂紋三要素（淬硬傾向、擴(kuò)散氫含量和結(jié)構(gòu)拘束度）的影響，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，按GB1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：要求熱軋制狀態(tài)：Pcm≯0.2，但當(dāng)采用高于Q390級鋼材，經(jīng)過按化學(xué)成分冷裂紋敏感系數(shù)PCM計(jì)算，此類鋼材PCM值一般在0.26左右，高于標(biāo)準(zhǔn)值；該類鋼材具有一定淬硬傾向，焊接時(shí)需要采取相應(yīng)的措施來防止冷裂紋的發(fā)生；根據(jù)預(yù)熱溫度計(jì)算公式：t0=1440Pc-392（℃）來確定防止冷裂紋所需的最低預(yù)熱溫度，良好的預(yù)熱措施，一方面可以減慢焊后焊接接頭的冷卻速度，減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，同時(shí)有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋；另一方面，預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力和降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。后熱處理可以加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對防止低合金鋼焊接時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著，同時(shí)還有消除焊接應(yīng)力、改善焊縫組織和綜合性能的作用。

[注：Pc與PCM的關(guān)系：Pc=PCM+[H]/60+δ/600； Pc：冷裂紋敏感系數(shù)；PCM：化學(xué)成分的冷裂紋敏感系數(shù)；[H]：采用甘油法測得焊縫中的擴(kuò)散氫含量（ml/100g）；δ：工件厚度（mm）。]

（3）不同的焊接方法及焊接材料對焊接接頭的性能有著較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在焊接接頭的組織特征和力學(xué)性能對在很大程度上決定著焊接結(jié)構(gòu)使用的可靠性，其中接頭的拉伸性能顯得尤為突出，通過拉伸試驗(yàn)，應(yīng)明確接頭的抗拉強(qiáng)度、接頭斷裂位置，從而判定是否滿足低強(qiáng)匹配的原則，即為：接頭的拉伸強(qiáng)度是否小于母材的抗拉強(qiáng)度；接頭的斷裂位置是否位于焊接熱影響區(qū)；同時(shí)，通過沖擊及硬度測試，可判定接頭的韌性和接頭區(qū)域金相組織類型，為合理采用焊接方法及焊接材料提供可靠的依據(jù)。

（4）擴(kuò)散氫是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一，根據(jù)不同焊絲種類、不同環(huán)境濕度、不同焊接電流條件下的擴(kuò)散氫含量，測定和掌握擴(kuò)散氫隨時(shí)間的逸出特性。

（5）熱裂紋是一種較常發(fā)生又危害嚴(yán)重的一種焊接缺陷，在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中時(shí)有發(fā)生。這種缺陷既和母材有關(guān)，又和焊接材料有關(guān)。所以測定焊縫金屬抗熱裂紋的能力是焊接試驗(yàn)研究的一項(xiàng)內(nèi)容。

（6）在目前鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，普遍采用栓-焊節(jié)點(diǎn)，通過特殊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力測定分析，結(jié)合現(xiàn)階段采用的盲孔測試方法，掌握焊縫金屬、母材厚度Z方向及焊接殘余應(yīng)力變形引起的接頭應(yīng)力變換的接頭使用性能的影響。

3.焊接性試驗(yàn)研究成果的主要應(yīng)用

通過在實(shí)際工程中的大量試驗(yàn)、分析，如北京新保利大廈鋼結(jié)構(gòu)焊接工程、“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程等一批標(biāo)志性建筑對焊接性試驗(yàn)研究的進(jìn)行，可以總結(jié)出：

（1）新鋼種焊接性試驗(yàn)研究將是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（2）實(shí)施焊接工藝評定作用。

1）完善高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性試驗(yàn)工作，為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在建筑行業(yè)的使用提出了技術(shù)理論依據(jù)。

2）明確不同焊接材料對焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向。

3）通過對主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測試，得到大型栓焊鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)分布情況的參考數(shù)據(jù)。

4）通過對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性研究以及焊材的研究，制定出適合的工藝評定，合理制定結(jié)構(gòu)組裝焊接工藝，為工程順利施工提供了保障。

（3）工程應(yīng)用。

1）結(jié)構(gòu)型式：Q390C大厚度圓管柱。

2）實(shí)施過程：組裝焊接。

3）工藝評定研究內(nèi)容。

①Q(mào)390C厚板焊接性評價(jià)。

根據(jù)母材化學(xué)試驗(yàn)分析確定，采用國際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量CE（IIW）公式：

Q390C-Z15 鋼碳當(dāng)量：CE（IIW=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5=0.44，由于此值介于0.4-0.6 之間，故鋼材有一定的淬硬傾向，焊接時(shí)應(yīng)該適當(dāng)預(yù)熱來防止冷裂紋；同時(shí)，根據(jù)根據(jù)GB/T1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，要求熱機(jī)械軋制鋼P(yáng)cm 不大于0.20，經(jīng)過采用甘油法試驗(yàn)，測得當(dāng)采用CO2實(shí)心焊絲焊接時(shí)，擴(kuò)散氫含量為1ml/100g。計(jì)算確定為Pcm=0.38，故本鋼材具有一定淬硬傾向，焊接時(shí)需要采取相應(yīng)的措施來防止冷裂紋的發(fā)生。

②Q390C厚板預(yù)熱溫度：進(jìn)行斜Y型接頭試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下料試板要求的尺寸，并進(jìn)行機(jī)加車間刨削加工，組對時(shí)間隙必須為2±0.2，采用CO2 氣體保護(hù)焊，手工焊和埋弧焊三種焊接方法分別對其采用不同預(yù)熱溫度進(jìn)行焊接；結(jié)合計(jì)算，得到Q390C（δ=60mm）最終預(yù)熱溫度≥150°C。

③Q390 厚鋼板的焊后處理方法。

由于鋼結(jié)構(gòu)工程多為大型工件結(jié)構(gòu)形式，焊接坡口型式較為復(fù)雜，焊接殘余應(yīng)力較大，當(dāng)采用加熱爐內(nèi)后熱處理不易進(jìn)行；為此，根據(jù)應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況，焊接工序完成后，多采用局部電加熱處理，后熱溫度為250℃，保溫2 小時(shí)，放置24小時(shí)后再進(jìn)行無損檢測，確保焊縫無裂紋。

④Q390厚鋼板的工藝評定

焊接此類厚壁高強(qiáng)度低合金鋼時(shí)，必須保證預(yù)熱溫度，實(shí)際焊接時(shí)，Q390C 厚度60mm的厚板材質(zhì)預(yù)熱溫度為150℃，焊完對構(gòu)件進(jìn)行后熱，后熱溫度為250℃，保溫2 小時(shí)，可減少冷裂紋。確保對試板取樣做拉伸、冷彎和沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都合格。

⑤Q390厚鋼板構(gòu)件組裝焊接工藝

焊接此類厚壁高強(qiáng)度低合金鋼時(shí)，除需保證預(yù)熱溫度，以及焊后后熱，還應(yīng)從設(shè)計(jì)坡口著手，對接焊縫坡口設(shè)計(jì)成X 型，里大外小，里口便于焊接，外口一層，埋弧焊蓋面。角焊縫設(shè)計(jì)坡口形式為K 型，避免了用單V 或單K 所帶來的應(yīng)力集中，且V 型坡口的焊接量最少是K 型的二倍，從而減少了焊接應(yīng)力。

4.總結(jié)

通過對低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝評定指標(biāo)的分析，針對此類鋼種，除應(yīng)滿足上述各類指標(biāo)要求外，還應(yīng)進(jìn)一步完善以下內(nèi)容：

（1）通過采用焊接熱模擬試驗(yàn)的方法，繪制出新鋼種的熱影響區(qū)組織連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，從而預(yù)測不同的焊接工藝條件下母材、焊縫及熱影響區(qū)的金相組織及性能，用以更準(zhǔn)確評定鋼材的冷裂紋傾向。

（2）通過采用數(shù)值模擬及盲孔試驗(yàn)的方法，測定栓焊接頭殘余應(yīng)力對材料強(qiáng)度的影響，從而得到大型鋼結(jié)構(gòu)栓焊接頭的應(yīng)力狀態(tài)分布的參考數(shù)據(jù)。

總之，通過完善新鋼種的焊接性評價(jià)工作，完善和補(bǔ)充評價(jià)工作的研究內(nèi)容，為Q390級以上高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在建筑行業(yè)的使用提供理論依據(jù)。