建筑鋼結(jié)構(gòu)厚板高強(qiáng)鋼焊接工藝研究與應(yīng)用

張發(fā)榮 何志濤 姜殿忠 程登

1. 工程概況

秦皇島金夢(mèng)海灣2號(hào)、3號(hào)地塊住宅項(xiàng)目（一期）位于河北省秦皇島市海港區(qū)。本工程由兩組L型組合體塊組成，建筑層數(shù)為地下2層、地上32層，建筑高度地上99.85m。本工程主體結(jié)構(gòu)類型為：H型、箱型及箱型與U型組合鋼柱等（見(jiàn)圖1），使用鋼材主要為Q390GJ D—Z25，鋼板厚度為70～95mm。

圖1 構(gòu)件截面形式

2. 工程焊接難點(diǎn)

本工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，涉及的焊接接頭形式主要有對(duì)接、角接和角接與對(duì)接組合接頭。由于鋼板厚度較大，故選材上采用低合金高強(qiáng)鋼，其屈服強(qiáng)度為390MPa。

針對(duì)構(gòu)件類型，焊接時(shí)存在如下幾方面的難點(diǎn)：①防止正火鋼熱影響區(qū)脆化。②厚板焊接變形控制。③防止母材層狀撕裂。

3. 厚板高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)

（1）高強(qiáng)鋼焊接性分析 該鋼種屬于高強(qiáng)度正火鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能。其化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1、表2所示。

（2）焊接工藝技術(shù) 第一，焊材的合理選擇。根據(jù)國(guó)家規(guī)范GB50661—2011中對(duì)焊接材料的推薦使用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合焊接工藝性能、焊接材料等強(qiáng)匹配原則，以及不同焊接工藝環(huán)境下焊材使用后對(duì)母材影響程度來(lái)進(jìn)行選用（見(jiàn)表3）。

第二，坡口的制定。由于厚板焊接工程量大、難度高，若采用窄而深的小坡口進(jìn)行焊接，則不僅焊縫成形系數(shù)偏小，影響一次結(jié)晶，容易產(chǎn)生區(qū)域偏析，而且在拘束應(yīng)力大的前提下進(jìn)而導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生；若采用大坡口進(jìn)行焊接，則不僅焊接量大大增加，而且焊縫的焊接殘余應(yīng)力也會(huì)隨之增加，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力的控制極其不利，同時(shí)也影響工程工期。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 力學(xué)性能

表3 焊接材料選用

考慮到厚板焊接接頭填充量、焊接質(zhì)量及焊接殘余應(yīng)力等方面的影響，同時(shí)，為便于CO2焊槍在焊接過(guò)程中能適當(dāng)?shù)財(cái)[動(dòng)，采用坡口角度適中，且便于正常情況下焊接的窄間隙焊接（NGW）坡口（見(jiàn)圖2）。

第三，焊接組合新工藝。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的厚板窄間隙焊接，需解決窄而深的坡口內(nèi)側(cè)壁焊接熔合質(zhì)量、焊接飛濺聚集、工藝參數(shù)穩(wěn)定性及焊接操作的可靠性等問(wèn)題，避免坡口內(nèi)焊縫金屬的一次結(jié)晶產(chǎn)生區(qū)域偏析，進(jìn)而產(chǎn)生熱裂紋。

鑒于上述原因，提出如下焊接工藝方法：

打底焊：采用改造型噴嘴的實(shí)芯CO2氣體保護(hù)焊（見(jiàn)圖3）。該方法首先可以保證窄間隙坡口環(huán)境下的順利焊接，此外，利用GMAW的高效及熔深相對(duì)較大的優(yōu)點(diǎn)，可提高焊接質(zhì)量和效率。

填充焊：采用雙弧雙絲自動(dòng)氣體保護(hù)焊接：一方面可以利用其熔嘴的優(yōu)勢(shì)取代了埋弧焊機(jī)頭熔嘴無(wú)法進(jìn)行窄而深的焊接，另一方面其焊接效率較手工焊有大幅度提高，同時(shí)保證焊縫質(zhì)量。

蓋面焊：采用雙絲埋弧焊接。主要是提高焊接效率，保證焊縫的表面質(zhì)量。

第四，焊接工藝措施。多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)：多層多道焊及合理的焊接參數(shù)可減小焊接熱輸入，從而有效控制焊接變形和焊接應(yīng)力。在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入焊接接頭每一道焊道錯(cuò)位連接，即：接頭不在一個(gè)平面內(nèi)，通常錯(cuò)位50mm以上。這種技術(shù)其顯著優(yōu)點(diǎn)就是上一層焊道對(duì)下一層進(jìn)行了有效的熱處理，特別適合于高強(qiáng)鋼厚板的焊接。在應(yīng)用時(shí)，可以消除焊接冶金過(guò)程中柱狀晶并使晶粒細(xì)化。同時(shí)，對(duì)焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變控制也相當(dāng)有利，能夠提高焊接接頭的綜合性能。

道間溫度控制：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50661—2011要求，在焊接過(guò)程中，最低道間溫度控制在不低于預(yù)熱溫度。道間溫度應(yīng)在焊縫金屬或相鄰的母材金屬處測(cè)得，測(cè)量時(shí)間選擇在電弧經(jīng)過(guò)之前的焊接區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)測(cè)得。由于焊縫較長(zhǎng)，未能焊到的地方應(yīng)采取保溫措施。防止溫度降低過(guò)快，如果焊接區(qū)域溫度過(guò)低，應(yīng)重新加熱。

后熱與消氫處理：為了加速焊接接頭中氫的擴(kuò)散逸出，防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，焊后及時(shí)后熱及消氫處理是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。特別是對(duì)于氫致裂紋敏感性較強(qiáng)的厚板焊接接頭，采用這一工藝不僅可以降低預(yù)熱溫度，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還可以采用較低的焊接熱輸入，使焊接接頭獲得良好的綜合力學(xué)性能。

焊縫錘擊消應(yīng)力措施：焊縫錘擊焊接過(guò)程中，在熱狀態(tài)下使用帶有小圓弧面的錘子錘擊焊縫金屬，使焊縫得到延展，從而減小焊件的殘余收縮應(yīng)力。錘擊應(yīng)均勻、適度，避免因錘擊過(guò)分而產(chǎn)生裂紋。當(dāng)焊縫溫度＜300℃時(shí)，錘擊力不宜過(guò)大；在100℃以下時(shí)，禁止錘擊。

4. 結(jié)語(yǔ)

以上各項(xiàng)工藝技術(shù)措施和方法經(jīng)過(guò)本工程的實(shí)踐應(yīng)用，在厚板箱形構(gòu)件焊接中明顯提高了焊縫的質(zhì)量，取得了良好的效果。本工程中厚板焊接工藝的成功應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)同類工程厚板焊接技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖2 厚板窄間隙坡口形式

圖3 新型氣體保護(hù)焊槍噴嘴

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M]. 第2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.