鋼結(jié)構(gòu)工程冬季低溫焊接技術(shù)的應(yīng)用分析

何永釗

（十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 廣西柳州 545007）

鋼結(jié)構(gòu)工程冬季低溫焊接技術(shù)的應(yīng)用分析

何永釗

（十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 廣西柳州 545007）

鋼結(jié)構(gòu)工程在目前的建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用逐步廣泛，焊接施工也逐步被需要。但有時(shí)受到工期的約束，冬季施工的情況不可避免，由于氣溫較低，焊接的技術(shù)、質(zhì)量都受到影響，因此，低溫焊接技術(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研討。本文在分析冬季施工影響的技術(shù)上，對(duì)低溫焊接施工技術(shù)做出了應(yīng)用分析。

鋼結(jié)構(gòu)工程；冬季施工；低溫焊接

1 引言

由于氣溫較低，冬季施工時(shí)的焊接一直是施工界的難題，冬季施工的可行性以及如何提高冬季施工的質(zhì)量是亟待解決的問(wèn)題。在目前我國(guó)冬季施工的案例中，國(guó)家體育場(chǎng)是一次成功的典范，是一次對(duì)冬季低溫焊接技術(shù)的成功探索。目前所研究出的低溫焊接技術(shù)已經(jīng)基本滿足了冬季施工的條件，對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)的冬季施工項(xiàng)目有著重大意義。

2 鋼結(jié)構(gòu)工程冬季施工的不利條件

2.1 焊接接頭脆性斷裂

焊接接頭出現(xiàn)脆性斷裂是最常見也是危害性最高的不利情況，其釀成的后果不可估量，在沒(méi)有明顯的塑性變形的情況下，應(yīng)力不高于設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí)發(fā)生的。斷裂面較為平整，且具備金屬光澤。目前影響斷裂的應(yīng)力因素主要有三種，即應(yīng)力狀態(tài)、溫度以及材料。

2.1.1 應(yīng)力狀態(tài)

在單軸式及雙軸式的拉應(yīng)力下，材料呈現(xiàn)塑性；但是在三向應(yīng)力下，材料不會(huì)發(fā)生塑性變形，反而呈現(xiàn)脆性。在實(shí)際中，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不當(dāng)、工藝不佳，在幾何不連續(xù)的狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)局部三軸狀態(tài)的缺口效應(yīng)。因此，發(fā)生脆性斷裂一般都是由于缺口處的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

2.1.2 溫度

雖然發(fā)生脆性斷裂的缺口一致，但在不同的溫度條件下，其破壞的形式也會(huì)發(fā)生變化，由燕興破壞轉(zhuǎn)變成為脆性破壞。當(dāng)溫度繼續(xù)降低，降至某一臨界點(diǎn)，則會(huì)出現(xiàn)塑性至脆性的變化，這個(gè)臨界點(diǎn)的溫度就被稱之為脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此可以得出結(jié)論，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的脆性傾向越嚴(yán)重。

2.1.3 材料狀態(tài)

材料狀態(tài)的影響因素包括化學(xué)成分、材料厚度以及晶粒度。

（1）化學(xué)成分

鋼中含有的碳、鎳、氧、氫、硫、磷等元素會(huì)增加鋼的脆性，因此，在鋼中添加適量的錳等元素會(huì)適當(dāng)?shù)臏p少鋼的脆性。

（2）材料厚度

材料在斷口處易產(chǎn)生三向應(yīng)力，由此使材料的脆性增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究不同材料板厚度的不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性破壞的影響，表明40mm長(zhǎng)的缺口的材料板在應(yīng)力為σs/2的情況下，脆性轉(zhuǎn)變溫度隨材料板的厚度逐步上升；當(dāng)厚度高于30mm時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度增加的速度較為緩慢。

（3）晶粒度

目前所用的材料一般都是低碳鋼和低合金鋼，對(duì)于這種材料類型，其晶粒度越細(xì)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)越低。

2.2 出現(xiàn)淬硬組織

在冬季施工時(shí)的低溫焊接技術(shù)下，在進(jìn)行焊接的接縫冷卻速度要更快，其產(chǎn)生的結(jié)果就是影響二次結(jié)晶的參數(shù)t8/5出現(xiàn)下降，隨后出現(xiàn)淬硬組織，鋼材料的硬度不斷增加，從而導(dǎo)致冷裂紋的敏感度隨之增加。

2.3 出現(xiàn)結(jié)晶裂紋

以結(jié)構(gòu)約束為前提，低溫焊接的接縫處冷卻速度較快，接縫處的一次結(jié)晶的區(qū)域偏析增加。因此，再在較強(qiáng)的應(yīng)力作用下，接縫中心就會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。

2.4 預(yù)熱效果變差

在相同的預(yù)熱時(shí)間的條件下，低溫的環(huán)境其預(yù)熱效果會(huì)較差。

3 低溫焊接技術(shù)特點(diǎn)

（1）低溫焊接技術(shù)首先使通過(guò)提高焊接環(huán)境的溫度，尤其是材料本身的溫度，并采取加強(qiáng)后熱的技術(shù)，確保成功率。

（2）低溫焊接技術(shù)必須采用準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度及層間溫度。由于預(yù)熱溫度會(huì)直接影響強(qiáng)度，尤其是較為厚的鋼材。預(yù)熱溫度不能達(dá)標(biāo)或不及時(shí)控制準(zhǔn)確的層間溫度會(huì)降低焊接縫隙處的強(qiáng)度。

（3）低溫焊接必須采用具備優(yōu)良抗裂性能的焊接材料。低溫焊接易出現(xiàn)冷裂紋及熱裂紋，因此在焊接材料的選擇上，除了具備較高強(qiáng)度的條件下，抗裂性能必須列入考慮范圍。

（4）為了避免接縫處溫度降低過(guò)快，必須采取保溫緩冷及后熱等升溫措施，從而降低裂紋發(fā)生的概率。

（5）低溫焊接技術(shù)主要用于溫度小于-15℃的條件下、建筑鋼結(jié)構(gòu)的室外焊接。包括主體結(jié)構(gòu)、焊接分項(xiàng)工程、分部工程的施工。

4 低溫焊接技術(shù)工藝流程

圖1 低溫焊接技術(shù)工藝流程圖

5 低溫焊接技術(shù)的評(píng)價(jià)

5.1 焊接材料

應(yīng)充分根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接技術(shù)的材料的情況，并結(jié)合施工單位所擁有的低溫焊接的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002），其對(duì)低溫焊接的技術(shù)作出了相關(guān)要求，從而確定了焊接材料的各項(xiàng)指標(biāo)及規(guī)格。

5.2 焊接方法及焊接位置

焊接縫隙的金屬性能是由組織和形態(tài)所決定的，因此，在焊接材料的選擇上，必須滿足焊接縫隙處的金屬?gòu)?qiáng)韌度的要求，不斷調(diào)整焊接縫隙處的金屬微合金化的程度，從而與焊接規(guī)范相配合，然后是焊接縫隙處的金屬出現(xiàn)針狀鐵素體，最終強(qiáng)化焊接縫隙處的強(qiáng)度，從而確保焊接質(zhì)量，提高工程整體質(zhì)量。

5.3 環(huán)境溫度設(shè)定

要提前收集工程所在地的歷年天氣氣象資料，確保能合理設(shè)置施工環(huán)境的穩(wěn)定，同時(shí)也要考慮工作人員在冬季的低溫環(huán)境下的作業(yè)能力及寒冷承受能力。

5.4 預(yù)熱參數(shù)確定

根據(jù)相關(guān)理論，冬季低溫焊接技術(shù)施工的重點(diǎn)就是要防止出現(xiàn)冷裂紋、熱裂紋。而其中，防止冷裂紋出現(xiàn)的有效措施就是充分預(yù)熱，主要目的就是增加了熱循環(huán)的低溫參數(shù)t100，從而使氫可以充分的擴(kuò)散并且溢出。而預(yù)熱溫度的確定因素主要有鋼材的強(qiáng)度等級(jí)、焊件的厚度或坡口形式、焊接縫隙金屬中的擴(kuò)散氫含量及進(jìn)行施工的環(huán)境溫度等。雖然預(yù)熱很重要，但如果預(yù)熱溫度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生不利的局部預(yù)熱的情況，從而產(chǎn)生附加的應(yīng)力，催生出冷裂紋。同時(shí)，板狀鐵素體也由此形成。因此，預(yù)熱的溫度需要在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間之內(nèi)，并不是越高越有利。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》，其中對(duì)于鋼材有了最低預(yù)熱溫度的規(guī)定，最低預(yù)熱溫度為80℃。

5.5 焊接工藝參數(shù)設(shè)定

冷卻條件的變化會(huì)影響著相變，同時(shí)也會(huì)影響氫的擴(kuò)散溢出以及焊接應(yīng)力的變化。因此可以得出，焊接的相變特征與焊接出現(xiàn)的冷裂紋及熱裂紋之間有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。鋼材的化學(xué)成分以及焊接技術(shù)的冷卻條件決定著焊接技術(shù)熱影響區(qū)的組織，而熱影響區(qū)所產(chǎn)生的冷裂紋主要存在于馬氏體內(nèi)部，在低溫條件下，焊接縫隙的冷卻速度過(guò)快就會(huì)導(dǎo)致馬氏體組織的產(chǎn)生。因此，為了防止馬氏體產(chǎn)生，要充分控制冷卻的速度，也會(huì)防止冷裂紋的產(chǎn)生。低溫焊接的工藝參數(shù)確定原則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

5.6 焊接后處理措施

由于氫的液態(tài)、固態(tài)的溶解度不同，在結(jié)晶溫度的條件下，液態(tài)氫的溶解量是固態(tài)氫溶解量的四倍以上，融氫量較大的半熔化晶界起到了通道的作用，氫就會(huì)沿著這種通道，隨著焊接縫隙至熔合區(qū)域至熱影響區(qū)的路線進(jìn)行不斷的擴(kuò)散。相關(guān)的研究學(xué)者采取了錄像的方式進(jìn)行觀察，拍攝到了氫的溢出動(dòng)態(tài)瞬間，由此深入的研究了焊接區(qū)域的氫的微觀分布。通過(guò)這種研究，我們發(fā)現(xiàn)，在焊接后的10min時(shí)，氫氣以氣泡的形式大量溢出；焊接后的60min時(shí)，在熔合區(qū)已經(jīng)聚集了大量的氫，尤其使在焊接縫隙的根部熔合區(qū)。

由于在焊接縫隙的根部集中了應(yīng)力，使根部熔合區(qū)的拘束應(yīng)力很大，氫大量的聚集之后，根部熔合區(qū)就產(chǎn)生了延遲裂紋，因此，在焊接之后，應(yīng)采用緊急的保溫緩冷措施。

6 安全措施

（1）操作人員在進(jìn)行低溫焊接之前，必須準(zhǔn)備個(gè)人防寒物品以保證人身安全。防寒物品主要有棉鞋、護(hù)膝、手套、帽子等物品，還要保證個(gè)人體質(zhì)能夠長(zhǎng)時(shí)間御寒。

（2）縮短操作人員的工作時(shí)間，防止其長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫環(huán)境中，保存操作人員的體力。

（3）在進(jìn)行低溫焊接時(shí)，應(yīng)設(shè)立專業(yè)的監(jiān)護(hù)人員，對(duì)焊接工作的進(jìn)度進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控和盤對(duì)，并采取相應(yīng)的措施來(lái)保證低溫焊接工作能夠順利進(jìn)行，工作人員能夠足夠安全。

（4）冬季極易出現(xiàn)雨雪天氣，在雨雪天氣過(guò)后，必須進(jìn)行除冰工作，安排專人清掃通道，然后才能進(jìn)行高空的焊接工作，保證工作人員有足夠的體力及人身安全。

（5）在焊接的工作場(chǎng)所必須嚴(yán)禁明火，禁止吸煙。乙醇、氧氣、油漆等易燃易爆的物料必須遠(yuǎn)離焊接作業(yè)點(diǎn)的火源，距離至少保持在10m以上，互相之間也要保持距離，并存儲(chǔ)在安全處，按規(guī)定使用。

（6）在焊接的工作環(huán)境上必須有防火的措施，避免由于焊接產(chǎn)生的火花飛濺而引起明火。在進(jìn)行氣割。電焊時(shí)，應(yīng)先觀察附近是否有易燃易爆物品，并及時(shí)使用火花接取器，預(yù)防火災(zāi)。在工作完畢后，要及時(shí)清理現(xiàn)場(chǎng)，徹底消除火災(zāi)隱患，經(jīng)專業(yè)檢查確認(rèn)安全后，才可離開現(xiàn)場(chǎng)。

（7）在作業(yè)平臺(tái)及專用的吊欄上使用電加熱器時(shí)要及時(shí)鋪上木板，同時(shí)，操作人員不能觸碰構(gòu)件，在堿性翻越時(shí)，必須使用梯架進(jìn)行隔離。一般情況下，要停止加熱后再進(jìn)行焊接工作。

[1]李玉武.低溫下鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量保證淺談[J].遼寧建材，2009（s）：41～44.

[2]邱為志，蘆廣平.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接施工研究[J].焊接技術(shù)，2007（s1）：25～27.

TG457.11

A

1004-7344（2016）24-0226-02

2016－8－14

何永釗（1981-），男，廣西柳州人，中專，主要從事工程管理工作，任項(xiàng)目部副經(jīng)理。