建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的若干問(wèn)題

1、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的若干問(wèn)題黃祖源 浙江省鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)協(xié)會(huì) 杭州 310028摘要:介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中新型鋼結(jié)構(gòu)材料焊接特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)材料焊接性評(píng)定，低環(huán)境溫度、厚鋼板、鑄鋼、異種鋼、單面焊全焊透焊接技術(shù)，焊接自動(dòng)化，新型弧焊電源，焊工培訓(xùn)與資格鑒定等問(wèn)題。關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu) 焊接 若干問(wèn)題1.新型鋼結(jié)構(gòu)材料由于鋼鐵材料技術(shù)的發(fā)展，目前建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼向超潔凈度、高均勻性的細(xì)晶鋼方向發(fā)展。對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的中厚板而言，細(xì)晶鋼一般指鋼材晶粒尺寸為510m，此時(shí)鋼材強(qiáng)度翻一番，塑性良好，屈強(qiáng)比0.8。細(xì)晶鋼其性能獲得主要有以下兩種方法: 1）微合金強(qiáng)化；在普通的C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)通

2、常小于0.1%）的強(qiáng)碳氮化物形成元素（如鈮、釩、鈦等）。微合金化元素與碳、氮交互作用，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、再結(jié)晶控制、夾雜物改性等一系列的次生作用提高了鋼材的強(qiáng)度和韌性。 2）控軋控冷工藝(TMCP)；基于變形誘導(dǎo)鐵素體相變（DIFT）理論，嚴(yán)格控制鋼材冷卻速度和厚度下降的過(guò)程，可在較低的碳當(dāng)量下獲得較高的強(qiáng)度且焊接性良好。目前國(guó)產(chǎn)建筑用高強(qiáng)度鋼特厚板主要是通過(guò)微合金強(qiáng)化方法制造，中厚板一般采用控軋控冷工藝生產(chǎn)。就焊接而言，細(xì)晶鋼與普通低合金高強(qiáng)度鋼比較，由于強(qiáng)化機(jī)理的改進(jìn)，鋼材焊接的碳當(dāng)量降低，焊接性能較好，但是細(xì)晶鋼經(jīng)焊接熱循環(huán)作用后,焊接熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生明顯的晶粒長(zhǎng)大傾向,長(zhǎng)大程度隨

3、焊接熱輸入增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)。從焊接工藝角度出發(fā),低焊接熱輸入能降低HAZ 的高溫停留時(shí)間,減小晶粒長(zhǎng)大的程度. 相同焊接熱輸入條件下,能量越集中,溫度梯度越大,對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙也越大，應(yīng)該據(jù)此選擇合適的焊接方法及工藝參數(shù)。此外伴隨大型、異形建筑鋼結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，鑄鋼在復(fù)雜的交匯節(jié)點(diǎn)上具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，而得到應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)鑄造接點(diǎn)常用的牌號(hào)是；鑄鋼GS-20Mn5(DIN7182) EN 10293，其碳當(dāng)量CEIIW=0.597%，常用熱處理狀態(tài)為；正火。由于其碳當(dāng)量較高、鑄態(tài)組織晶粒粗大、雜質(zhì)（S、P）分布不均勻，但S、P含量較低（甚至低于B/T1591-1994 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼），因此綜合

4、焊接性雖然較差。但優(yōu)于相應(yīng)國(guó)產(chǎn)牌號(hào)鑄鋼（ZG275-485H）的焊接性能。2.鋼結(jié)構(gòu)材料焊接性評(píng)定由于焊接是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造主要方法，因此采用新鋼種常常需要應(yīng)用“鋼材焊接性”評(píng)定方法，此時(shí)應(yīng)注意現(xiàn)有評(píng)定方法的適用范圍。例如,廣泛使用的碳當(dāng)量公式CEIIW= w(C)+ w (Mn)/6+ w (Cr+Mo+V)/5+ w (Ni+Cu)/15(%)是按照20 世紀(jì)50 年代到70 年代期間開發(fā)的含碳較高的低合金高強(qiáng)鋼建立的，主要適合于w (C)0.18%的鋼種。而現(xiàn)在大多數(shù)低合金高強(qiáng)鋼的含碳量已小/遠(yuǎn)小于0.18%,如“鳥巢”工程使用的Q460E-Z35， 實(shí)際C=0.14%；北京保利大廈工程使

5、用的ASTM A913 Gr60（Q420）標(biāo)準(zhǔn)要求Cmax=0.14%,實(shí)際C=0.089%?，F(xiàn)代鋼鐵材料研究表明；當(dāng)?shù)秃辖痄撝蠧含量0.1 %時(shí)，C對(duì)焊接的影響很小，據(jù)此80年代提出了新的計(jì)算公式： CEN= w (C)+A(C)w (Si)/24+ w (Mn)/16+ w (Cu)/15+ w (Ni)/20+ w( Cr+Mo+V+Nb)/5+5B(%)適用于w(C)為0.034%0.254%的鋼種。因此, 目前在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范如；GB/T19879-2005建筑結(jié)構(gòu)用鋼板，JGJ81-2002 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程中, 規(guī)定仍按CEIIW作為鋼材的判據(jù)似已不盡適宜。相對(duì)而言，

6、焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%),該公式適用鋼材含碳量W(C)范圍為0.07%0.22%，則在相應(yīng)范圍內(nèi)仍有適用性。此外現(xiàn)在常用的一些焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)方法, 也基本上是在1980 年以前形成的。原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的焊接性試驗(yàn)方法, 如斜Y 形坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法、搭接接頭(CTS) 焊接裂紋試驗(yàn)方法、T 形接頭焊接裂紋試驗(yàn)方法、壓板對(duì)接( FISCO) 焊接裂紋試驗(yàn)方法、插銷冷裂紋試驗(yàn)方法, 都已在2005 年由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)明令廢止。雖然這些方法仍然可參照使用, 但已不具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的權(quán)威作用。這些在

7、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)予充分認(rèn)識(shí)。3.低溫焊接技術(shù)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中的“低溫焊接技術(shù)”是行業(yè)用語(yǔ)，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3375-1994焊接術(shù)語(yǔ)中未見(jiàn)有“低溫焊接”的術(shù)語(yǔ)。其確切含義應(yīng)該是；“低環(huán)境溫度下的焊接”，一般產(chǎn)生于北方冬季的現(xiàn)場(chǎng)安裝。 主要需要解決二個(gè)問(wèn)題；1）工件初始溫度低， 2）必要的工人及設(shè)備操作環(huán)境條件。實(shí)際焊接時(shí)，一般在焊接區(qū)域采取局部防護(hù)設(shè)置臨時(shí)防護(hù)設(shè)施如簡(jiǎn)易工棚形成相對(duì)封閉的空間，基本上能解決問(wèn)題2）。但由于建筑鋼結(jié)構(gòu)的體量較大 臨時(shí)防護(hù)設(shè)施仍無(wú)法解決問(wèn)題1）。工件初始溫度直接影響焊縫的冷卻速度(t8/5)，其對(duì)于碳當(dāng)量較高的高強(qiáng)度鋼焊接有較大的影響。但是一方面隨著低碳當(dāng)量的

8、細(xì)晶鋼推廣，其影響正逐漸減?。涣硪环矫妗肮ぜ跏紲囟鹊汀苯鉀Q的方法已經(jīng)比較成熟。提高工件初始溫度可以采用預(yù)熱的方法，對(duì)于體量較大的建筑鋼結(jié)構(gòu)一般采用局部加熱的方式，如；移動(dòng)式電加熱裝置、氣體火焰加熱，這些在國(guó)內(nèi)焊接領(lǐng)域已有幾十年的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。電加熱預(yù)熱；具有溫度均勻、控制方便、準(zhǔn)確、安全等優(yōu)點(diǎn)，比較適合于規(guī)則的表面及近于水平的位置，氣體火焰加熱；則在空間各個(gè)位置設(shè)置靈活、方便，但均勻度較差。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)外的焊接規(guī)范對(duì)焊接的環(huán)境溫度一般并不作出強(qiáng)制性規(guī)定，在常溫條件下所作的焊接工藝評(píng)定原則上都可適用，在實(shí)際焊接時(shí)可適當(dāng)增加預(yù)熱溫度和加大預(yù)熱區(qū)域并及時(shí)后熱。4. 厚鋼板焊接技術(shù)；大型建筑鋼結(jié)構(gòu)中

9、，厚鋼板得到大量的使用。在工廠制作中根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)、接頭形式、接頭要求等已有多種成熟的焊接方法可以選擇，如；埋弧焊（SAW）、氣電焊（EGW）、電渣焊（ESW）等等，以電渣焊為例；目前焊接的最大厚度超過(guò)3M。當(dāng)然對(duì)于細(xì)晶鋼由于存在HAZ晶粒長(zhǎng)大等問(wèn)題，選擇方法與工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)予注意。對(duì)于大型建筑鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)焊接方法，可分兩方面；1）人工操作；采用焊條電弧焊（SMAW）；實(shí)芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）；藥芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊（FCAW-G）。2）機(jī)器操作；采用移動(dòng)式機(jī)器人。大型建筑鋼結(jié)構(gòu)厚鋼板現(xiàn)場(chǎng)人工焊接有以下特點(diǎn)；高空、室外操作、全位置焊接、焊接的工作量較大、焊工體能要求高，但單面焊全焊

10、透的焊縫一般允許有鋼襯墊、焊縫形式比較簡(jiǎn)單 （水平、橫、立、仰之一），不象鍋爐設(shè)備管子的焊接，一條焊縫包括全部空間位置、無(wú)墊板單面焊雙面成形，焊工技能要求更高。人工焊接的方法中；因?yàn)楹笚l電弧焊具有操作靈活、易于控制熔合比、易于深入厚板坡口、抗風(fēng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用較為普遍。但熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW、FCAW-G）效率高，應(yīng)于優(yōu)先采用。仰焊時(shí)目前因飛濺等原因，行業(yè)內(nèi)仍以焊條電弧焊（SMAW）為主，實(shí)際上，由于數(shù)字化焊機(jī)的出現(xiàn)，如；脈沖實(shí)芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊實(shí)現(xiàn)一脈一滴的射滴過(guò)渡方式，冷金屬過(guò)渡（CMT）等焊接工藝方式進(jìn)行焊接，飛濺幾乎沒(méi)有，完全可以推廣使用。采用移動(dòng)式機(jī)器人能提高生產(chǎn)率、提高焊接

11、品質(zhì)并使其均一化、降低焊工技能的要求。但是現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)由于受到接頭形式、裝配質(zhì)量、空間位置等的影響，移動(dòng)式機(jī)器人還不十分成熟，有待于進(jìn)一步完善。5.異種鋼的焊接技術(shù)由于建筑鋼結(jié)構(gòu)材料的多樣化，焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同種類鋼相焊接的情況。異種鋼的焊接性主要取決于兩種材料的化學(xué)成分、金相組織、物理性能、力學(xué)性能等，兩種材料的這種差異越大，焊接性越差。建筑鋼結(jié)構(gòu)所用不同種類的鋼材（包括鑄鋼），基本上都屬于珠光體類的碳素鋼，其化學(xué)成分、金相組織、物理性能比較接近，相互焊接的性能較好，一般只須遵循；焊接材料按強(qiáng)度較低的鋼材選擇，如果需要預(yù)熱，則按強(qiáng)度較高的鋼材焊接預(yù)熱溫度選擇，就可以得到滿意的效果。鑄鋼接點(diǎn)材質(zhì)為

12、GS-20Mn5N其CEIIW=0.597%,其焊接性能雖然較差，但與建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材焊接并非十分困難。機(jī)械行業(yè)僅一個(gè)單位從80年代開始焊接耐熱鑄鋼GS-17CrMoV511，其碳當(dāng)量高達(dá)0.96%，最大厚度250mm,工藝評(píng)定（SEW110）試板厚度100mm,其本身及與異種鋼的焊接的累計(jì)質(zhì)量至今已達(dá)到千噸數(shù)量級(jí)。6. 焊接自動(dòng)化由于焊接自動(dòng)化能穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度、可在有害環(huán)境下工作、降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求、縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是必然趨勢(shì)，而采用焊接機(jī)器人則是自動(dòng)化的主要發(fā)展方向，日本建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)從

13、1985年起開始應(yīng)用機(jī)器人焊接柱梁接合部，在1992年已應(yīng)用了3000臺(tái)以上的焊接機(jī)器人，如日本三菱重工研制開發(fā)的鋼柱自動(dòng)焊接機(jī)器人,適用于橫斷面為矩形、圓形等鋼柱。矩形邊長(zhǎng)5501200, 鋼板厚度80以下。焊接方式金屬極電弧焊, 氣體保護(hù)焊。焊接姿勢(shì)橫向。焊接控制用激光傳感器識(shí)別坡口方式。外形尺寸長(zhǎng)300300450mm質(zhì)量20。焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口裝接焊鉗或焊

14、（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機(jī)器人的組成；主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以MIG焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)、焊槍等部分組成。對(duì)于智能機(jī)器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等建筑鋼結(jié)構(gòu)用焊接機(jī)器人按結(jié)構(gòu)形式可分兩大類；固定式焊接機(jī)器人（大型門式焊接機(jī)器人、多關(guān)節(jié)焊接機(jī)器人等），移動(dòng)式機(jī)器人。前者適于工廠制作，后者主要應(yīng)用于安裝現(xiàn)場(chǎng)。 建筑鋼結(jié)構(gòu)制造應(yīng)用焊接機(jī)器人還與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，日本建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用焊接機(jī)器人較廣的一個(gè)重要原因是；日本廣泛采用低溫成型的方鋼管作為柱材并采用了適宜機(jī)

15、器人焊接的梁貫通形式的接頭。7. 單面焊全焊透技術(shù)建筑鋼結(jié)構(gòu)部分焊接接頭因無(wú)法兩面施焊或者為了提高效率等原因，要求從一面焊接得到全焊透的焊縫，其分為帶熔化墊板和單面焊雙面成形兩類，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫中前者應(yīng)用較多。帶熔化墊板的單面焊全焊透技術(shù)比較簡(jiǎn)單，只要注意墊板材質(zhì)、適當(dāng)?shù)某叽?、及裝配質(zhì)量，便可以得到滿意的全焊透的焊縫。單面焊雙面成形技術(shù)又分有、無(wú)襯墊兩大類。1）單面焊雙面成形（無(wú)襯墊）技術(shù)；核心是坡口根部的打底焊道，必須熔透并成型良好。要實(shí)現(xiàn)這一要求除了坡口準(zhǔn)備、裝配質(zhì)量等要嚴(yán)格控制外，重點(diǎn)是焊工要掌握在全位置（平、橫、立、仰）焊接的操作技能。當(dāng)然新的焊接方法、設(shè)備、材料亦在降低焊工的操作難度，如打底焊條、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊的出現(xiàn) 都降低了焊接難度。2）單面焊雙面成形（有襯墊）技術(shù)單面焊雙面成形（有襯墊）技術(shù)是在坡口背面放置襯墊的焊接方法。按襯墊種類分: 熱固化焊劑襯墊(RF)，銅襯墊（FCB），焊劑石棉襯墊 ( FAB)，陶瓷襯墊，玻璃纖維及石英砂襯墊等。有襯墊的焊接，施焊方便, 背面成型良好, 焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠,可使用較大的根部間隙和較強(qiáng)的焊接規(guī)范,背面無(wú)需清根, 大型工件不需翻身， 大大提高了生產(chǎn)效率, 而且焊縫根部質(zhì)量也容易得到保證。部分方法的襯墊長(zhǎng)度可任意接長(zhǎng)、剪短, 尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)