新技术在钢结构焊接中的应用
发布于:2016-05-12 16:09  浏览:

 

钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、造型美观、维护方便等优点,其应用越来越广泛。钢结构的发展与钢产量紧密相关。我国已经成为世界产钢大国,2005年中国生产钢已突破3亿吨,其中钢结构的产量高达1.4亿,能源、交通、冶金、机械、化工、电力、建筑及基础设施建设等领域的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。 

从20世纪80年代以来,中国建筑钢结构得到了空前的发展,建筑钢结构在国民经济建设中占有非常重要的地位。依据用钢量来评价,2005年建筑钢结构用钢量约1155万吨,比2002年的836万吨增长了38%%。目前,我国高层钢结构、空间钢结构、桥梁钢结构、轻钢钢结构和住宅钢结构等工业与民用建筑,如雨后春笋,遍布全国。据统计,到目前为止,我国已建成60多幢高层超高层钢结构建筑;大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用;桥梁钢结构方兴未艾,上世纪90年代以后,据不完全统计,仅宜宾至上海的长江段,已建和在建桥梁数目已达50余座,其中过半是钢桥,“不少已跻身'世界级’桥梁,展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平”;经过近几年的深入研究和开发我国钢结构住宅已经入一个新的发展阶段,一批建设部立项的示范、试点工程和关键技术攻关项目相继建成并取得了科研成果,在“循环经济”“绿色建筑”等政策指导下,今后我国钢结构住宅建设必将蓬勃发展。 

建筑钢结构特点和焊接难点 

纵观目前我国建筑钢结构工程现状和发展趋势,越来越具有现代化建筑风格和科技含量高的建筑特征,其主要特点是: 

1 造型新颖独特,结构体系繁多,节点构造复杂,焊接接头形式多,构件制作和现场安装中的焊接技术难度越来越大。例如:国家体育场“鸟巢”钢结构工程有大量的复杂的桁架柱、主桁架、次结构焊接节点,焊缝纵横交错,施工难度很大。 

2 建筑高度高,结构跨度大,抗震性能设计对主要钢结构焊接质量要求很高。如:框架梁与柱的连接焊缝,剪力板与柱的连接焊缝,梁腹板与柱的连接焊缝和柱的拼接焊缝等,都是结构的主要部位,基本上都是坡口熔透一级焊缝,100%超声波探伤,对焊接质量要求非常高。

 3 使用钢材品种规格多,而且越来越多趋向于使用低合金高强度结构钢和大厚度钢材,随着钢铁生产工艺水平的不断提高,铸钢、奥氏体不锈钢、复合钢板也得到越来越多的应用。因此,要求现场施工前,针对所使用钢材的交货状况,要实时进行新钢种的焊接性试验,探索科学的焊接工艺参数,制定相应的焊接工艺措施。 

4 工厂制作和现场安装链接因素多,不同工种交叉作业多,现场安装难度较大。 

1 焊接方法 

钢结构行业于20世纪40年代引入焊条电弧焊,50年代中期从前苏联引进埋弧焊接技术,70年代以后,由于建筑钢结构箱形构件以及中厚板的广泛使用,又陆续试验并成功应用实芯焊丝和药芯焊丝CO2气体保护焊,埋弧双丝焊、埋弧三丝焊,熔嘴电渣焊、螺栓焊等焊接技术。 

CO2气体保护焊在建筑钢结构中的应用,极大地提高了焊接生产效率,缩短了施工周期,已逐步取代手工药皮电弧焊。CO2气体保护焊,按焊丝可分为实芯焊丝(GMAW)和药芯焊丝(FCAW)两种。实芯焊丝CO2或混合气体保护焊,在建筑钢结构的制作中,可根据板厚和坡口、裂纹敏感性,来选择相应得喷射过液、脉冲电流过液、德实芯焊丝CO2气体保护焊,药芯焊丝CO2气体保护焊,与等直径实芯焊丝相比,焊丝的金属界面积变小,在同等电流水平下的电流密度增大,焊丝的熔敷效率接近于实芯CO2焊。在同等尺寸的角焊缝焊接中,由于飞溅小、清理方便且焊缝成形较凹,整体效率和经济效益甚至优于实芯CO2焊。英特别指出的是,CO2气体保护焊由于电弧气氛的氧化性,所得熔敷金属的含氢量极低,具有较好的抗氢裂性。 

自保护焊药芯焊丝在建筑钢结构也开始使用,由于不需要气体保护,使用更方便,但由于自保护药芯焊丝的扩散氢含量较高,因此目前仅应用于冷裂倾向不大的钢种或不重要部位的焊接,以后要解决的问题,一是抗冷裂性能的提高,二是材料成本的降低。 

2 焊接设备 

建筑钢结构应用的焊接设备主要有手工焊机、MIG和MAG焊机、埋弧焊机、电渣焊机等,随着电力电子技术及微电子技术的发展,电焊机正朝着优质、高效、节能、可控性强等方向发展,而焊机的体积更小、重量更轻、更适于现场操作。尤其是逆变电源的普及,已极大促进了钢结构焊接设备的发展,逆变电源焊机,整机重量仅为传统弧焊电源的1/5到1/10,体积降至传统弧焊电源的1/3,电源输出外特性可进行控制。逆变焊机如果采用微处理器控制,只需变更软件或改变面板的操作功能指示。即可实现各种焊接方法,如MAG、TIG、MIG、PuiseMIG等,目前,一种新的控制技术即双零开关谐振电路在逆变焊机上开始使用,其环保、节能、高效特点更为突出。 

纵观国内钢结构行业应用的焊接设备,主要有以下特点和趋势: 

①广泛采用先进技术,焊机功能更趋完善; 
②机械化、自动化和成套水平进一步提高; 
③电子计算机和焊接机器人也开始在钢结构的生产制作中应用。 

3 低合金高强钢焊接技术 

2004年,低合金高强钢ASTMA913Gr60(相当于Q420)在北京新保利大厦工程成功使用,经过两年的发展,目前,国内已有数个钢结构工程使用高强钢,如国家体育场(鸟巢)使用国产Q460E-Z35钢,最大板厚110mm,国家游泳中心(水立方)工程使用国产Q420C钢,中央电视台新台址工程使用了Q390D、Q420D-Z25、Q460E-Z35级别钢,高强钢在建筑钢结构中的广泛应用,带动了高强钢焊接技术的发展。 

(1) 建筑钢结构用高强钢获得良好性能的途径: 

①合金强化:通过微合金元素的细晶强化、析出强化,提高钢板的强度和韧性;通过正火细化晶粒、均匀组织,进一步提高钢板的塑性和韧性。国产高强钢(中厚板)主要是通过这种方法制造的; 

②组织强化(如淬火+回火):轧后加热温度超过相变重结晶温度30~50℃,经水冷后生成的淬火过饱和固溶体为不稳定组织,强度和硬度都很高。随后进行600℃高温回火则可使淬火固溶体分解软化,达到塑性和韧性的要求,也称为调质处理。 

③控轧控冷工艺(TMCP):严格控制钢板冷却及厚度下降的过程,并在接近或低于铁素体开始生成的温度(Ar3910摄氏度)下完成终轧。其显微组织及力学性能不可由热处理获得。这种轧制方式可在较低的碳当量下获得较高的强度且焊接性好; 

④淬火+自回火控制轧制(QST):卢森堡钢厂的轧制H型钢(Gr60钢曾在新保利大厦工程中使用),淬火后利用截面中部温度散热进行自回火,是TMCP的特殊应用。如Gr65钢的淬火温度为871摄氏度,自回火温度为593摄氏度。其强度高同时焊接性好。

(2) 高强钢用焊材选配原则 

①强匹配,强节点弱杆件:焊接材料熔敷金属的强度、塑性、冲击韧性高于母材标准规定的最低值。焊接接头(焊缝及热影响区)各项性能全面要求达到母材标准规定的最低值; 

②兼顾焊缝塑性:厚板焊接时按厚度效应后的强度选配焊材,节点拘束度大时可在1/4板厚以下配用低强焊材; 

③满足冲击韧性要求:必须重点选择焊材的韧性使焊缝及热影响区韧性达到钢材的标准要求。 

(3) 高强钢焊接性评价方法 

①碳当量计算评定法; 
②热影响区最高硬度试验评定法; 
③插销试验临界断裂应力评定法。 

(4) 最低预热温度确定方法 

①裂纹试验控制:根据斜Y坡口试样抗裂试验确定最低预热温度; 
②硬度控制:根据一定碳当量的钢材,其不同板厚T形接头角焊缝热影响区硬度达到350HV对应的冷却速度(540摄氏度时)查表确定焊接线能量; 
③根据裂纹敏感指数、板厚范围、拘束度等级、熔敷金属扩散氢含量确定最低预热温④根据接头热输入、冷却时间T8/5和钢材的特定曲线图确定最低预热温度 

(5) 焊接质量控制 

①控制热输入与冷却速度:控制焊接电流、电压、焊接速度以及熔敷金属800摄氏度~500摄氏度区间的冷却时间(t8/5)(预热、后热); 

②控制焊缝中碳/硫/磷/氮/氢/氧含量:选用优质碱性低氢焊材,采用良好的操作手法充分保护熔池金属(短弧、限制摆动、倾角稳定); 

③应力与变形控制:选用高能量密度、低热输入的焊接方法,如气体保护焊;用小线能量,多层多道焊接;减小焊接坡口的角度和间隙,减少熔敷金属填充量;采用对称坡口,对称、轮流施焊;长焊缝应分段退焊或多人同时施焊;用跳焊法避免变形和应力集中。 

总之,对于高强钢的焊接,应根据钢材本身的强化机理和供货状态,综合考虑其性能要求,合理选择焊接材料和试验方法对其焊接性作出评价,制定合理的焊接工艺,以指导实际焊接生产,如国家体育场工程应用的Q460E-Z35钢采用的是微合金强化,其碳当量Ceq高达0.47%,因此,对该钢种的焊接应主要考虑采取措施以降低其冷裂倾向,而在新保利大厦工程中采用的是QST工艺强化的高强钢,该钢种的碳当量Ceq仅为0.36%,焊接性相当好,但是由于它使用的是淬火加自回火的工艺,因此在焊接时应严格控制层间温度和焊接线能量,防止接头出现弱化现象。 

4 厚板焊接技术 

建筑钢结构中厚钢板得到越来越大量的使用,如北京新保利大厦工程使用的轧制H型钢翼板厚度达到125毫米(ASTMA913Gr60),国家体育场(鸟巢)工程用钢最大板厚达110毫米(Q460E-Z35),大量钢结构工程采用厚钢板,促进了厚钢板焊接技术的发展,同时也丰富了建筑用钢的范围,目前国内现行标准如GB/T1591-94《低合金高强度结构钢》和YB4104-2000《高层建筑结构用钢板》规定的钢板厚度最大仅为100毫米,因此超厚钢板的使用也为相应标准的修订奠定了基础。 

厚钢板焊接的关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形,应采取以下措施: 

①选用合理的坡口形式,如尽量选用双U或X坡口,如果只能单面焊接,应在保证焊透的前提下,采用小角度、窄间隙坡口,以减小焊接收缩量、提高工作效率、降低焊接残余应力; 

②选择合理的预热及层间温度; 

③对称施焊,科学安排焊接顺序; 

④做好后热及保温处理。 

铸钢节点因其具有良好的加工性能、复杂多样的建筑造型等性能,目标在一些大跨度空间管桁架钢结构中开始逐步推广使用,特别是在处理复杂的交汇节点上,铸钢节点有着得天独厚的优势,然而,由于铸钢一般碳当量较高,杂质尤其是S、P含量难以控制,同时铸态组织晶粒粗大,导致铸钢的焊接性较差,对焊接工艺的要求很高,主要是减少残余应力,防止焊接裂纹的产生。 

目前铸钢节点已在一些钢结构工程中成功使用,如广州会展中心巨型桁架铸钢支座,国家体育场(鸟巢)桁架柱铸钢节点,特别是天津经济技术开发区雕塑,创造了铸钢件焊接的板厚之最,该雕塑是为天津开发区建区20周年纪念而建造的标志性建筑,是天津开发区2004年重点工程之一。设计采用双螺旋线构成的直纹曲面板,主体标高50米,雕塑主体分为7段在现场进行拼装,铸钢材质采用GS-20Mn5N(DIN7182),板厚由下至上逐渐变薄,最厚150毫米,最薄20毫米,厚度变化处渐变处理,总用钢量达350吨,该工程在铸钢特种结构的设计、安装及焊接方面形成了一整套技术新工艺,填补了国内超厚板铸钢结构的空白,标志着我国在钢结构铸钢节点的焊接上达到了一个新的水平。 

6 低温焊接技术 

目前,建筑钢结构的冬季施工越来越普遍,由于焊接作业环境对钢结构的焊接质量影响很大,冬季负温焊接技术对焊接质量的控制尤为重要。《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)规定:焊接作业区环境温度低于0摄氏度时,应根据钢材、焊材制定适当的措施;而日本建筑学会《钢结构工程》(JASS6)规定的最低施焊温度为零下5摄氏度。 

(1)环境温度对焊接造成的影响有以下几点: 

①焊接接头冷却速度增加,冷裂纹敏感性也增加; 
②预热效果变差,在低温环境下用相同的热源,相同的时间,不能达到应有的预热效果; 
③焊接残余应力的作用加剧; 
④环境温度对焊工的操作带来不利的影响。 

(2)低温焊接措施} 

①优选焊材:在低温环境中,应尽量选择低氢或超低氢焊材,对焊材严格执行烘焙和保温措施; 

②焊前防护:在焊接作业区域搭防护棚,使焊接区域形成相对封闭的空间,减少热量的损失,若无条件搭设防护棚,应该采取其他有效措施对焊接区域进行防护;气体保护焊时,焊接气瓶也应采取相应措施进行保温; 

③预热与层间温度:低温环境下的预热温度应稍高于常温下的焊接预热温度,加热区域为构件焊接区各方向大于或等于二倍钢板厚度且不小于100毫米范围内的母材,焊接层间温度不低于预热温度或标准(JGJ81-2002)规定的最低温度20℃(两者取高值); 

④加大定位焊时的热输入:适当加大定位焊的热输入,增大焊缝截面和长度,并采用与正式焊接相同的预热条件,不在坡口以外的母材上打弧,熄弧时弧坑一定要填满,可以有效减少由于定位焊接引起的收缩裂纹; 

⑤采用合理的焊接工艺:尽量使用窄摆幅,多层多道焊,严格控制层间温度; 

⑥焊接后热及保温:焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理,可以有效控制t8/5,利于扩散氢气的逸出,防止由于冷速过快而引起的冷裂纹,同时适当的后热温度,还可以适当降低预热温度。 

总之,钢结构低温焊接施工前,一定要根据实际情况做好焊接工艺评定试验,必要时还要针对具体钢种进行低温焊接性试验,作出适合的焊接工艺指导书以指导实际焊接。在低温环境下,对焊工操作的不良影响也应给予足够重视,一般环境温度不宜低于-15℃。 

近年来,低温焊接技术在国内尤其是北方建筑钢结构中得到广泛应用,从普通低碳钢(Q235)到低合金高强钢(如Q345,Q420)都有应用,也积累了相当丰富的经验,极大丰富了我国钢结构的焊接技术。 

7 组合楼板栓钉穿透焊技术 

高层建筑钢结构组合楼板的大量使用,使区别于普通栓钉焊的栓钉穿透焊技术得到了长足的发展,所谓穿透焊,就是焊接时通过电弧燃烧使栓钉穿透压型钢板焊于钢梁表面上,此时焊接栓钉起着两个作用,一是水平抗剪切,阻止组合楼板在钢梁上的水平位移;二是垂直抗掀起,阻止组合楼板脱离钢梁表面。 

因此在钢结构特别是高层、超高层钢结构的抗震破坏中起着非常重要的作用。其焊接质量的好坏是关乎整个钢结构施工质量的关键之一。由于栓钉穿透焊焊接受到很多因素影响,包括压型板镀锌层、板厚、与钢梁表面之间的间隙以及水、锈、渣、油漆等,而且在施工现场,各种因素互相交织又不确定,因此,要获得良好的焊接质量,对焊接的工艺及施工要求很高,中冶集团建筑研究总院通过大量试验研究,并在实际施工现场收集了国内外数种栓钉焊机的上万个焊接参数,通过波型分析和实际焊接质量的对比分析,第一次将栓钉穿透焊焊接过程分为四个阶段:起弧阶段、电弧不稳定燃烧阶段、电弧稳定燃烧阶段、熄弧顶锻阶段。并以此为基础提出了能量控制法,该方法在各大工程中已成功使用,如北京LG大厦,工程采用的闭口型镀铝锌压型板,镀层高达280克/平方米,板厚达1.5毫米,栓钉直径19毫米,使用能量控制法指导施工,一次合格率达95%以上,取得了良好的效果。 

8 采用陶瓷衬垫的焊接技术 

陶瓷衬垫强制成型单面焊,施焊方便,背面成型良好,焊接质量稳定、可靠,在一些领域的焊接生产中已逐步取代钢制衬垫。在双面焊中采用陶瓷衬垫,由于可使用较大的根部间隙和较强的焊接规范,背面无须清根,不仅大大提高了生产效率,而且焊缝根部质量也容易得到保证。由于陶瓷衬垫对坡口根部间隙不敏感,衬垫长度可任意接长、剪短,尤其适合于现场安装焊缝,因此近年来,在一些钢结构工程尤其是桥梁工程有所应用,由于在焊接时,衬垫也参与了焊缝熔敷金属的冶金反应,对根部焊缝熔敷金属化学成分及力学性能会产生一定的影响,尤其是对根部冲击韧性的影响,鉴于目前尚无相应的标准进行界定,因此在实际应用中应给予足够的重视。
 
9 钢结构埋设件压力埋弧焊技术 

随着大跨度钢结构公共建筑的快速增加,其钢结构柱子埋设件(钢筋)应用越来越多,因而,钢结构埋设件压力埋弧焊技术在工程实践中不断得到应用。其关键技术措施是: 

①选定性能稳定安全适用的焊机或改造螺柱焊机; 

②认真进行焊接工艺评定试验,根据钢筋直径选择相应的焊接工艺参数; 

③根据焊接接头与母材等强的原则,选用性能良好交直流两用的焊剂。