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新技術在鋼結構焊接中的應用

發布時間:2019-07-25人氣:152

鋼結構具有自重輕、建設周期短、適應性強、造型美觀、維護方便等優點,其應用越來越廣泛。鋼結構的發展與鋼產量緊密相關。我國已經成為世界產鋼大國,2005年中國生產鋼已突破3億噸,其中鋼結構的產量高達1.4億,能源、交通、冶金、機械、化工、電力、建筑及基礎設施建設等領域的鋼結構產業已成為國民經濟建設的支柱。 

從20世紀80年代以來,中國建筑鋼結構得到了空前的發展,建筑鋼結構在國民經濟建設中占有非常重要的地位。依據用鋼量來評價,2005年建筑鋼結構用鋼量約1155萬噸,比2002年的836萬噸增長了38%%。目前,我國高層鋼結構、空間鋼結構、橋梁鋼結構、輕鋼鋼結構和住宅鋼結構等工業與民用建筑,如雨后春筍,遍布全國。據統計,到目前為止,我國已建成60多幢高層超高層鋼結構建筑;大跨度空間鋼結構已在各種體育館、展覽中心、大劇院、候機樓、飛機庫和一些工業廠房中應用;橋梁鋼結構方興未艾,上世紀90年代以后,據不完全統計,僅宜賓至上海的長江段,已建和在建橋梁數目已達50余座,其中過半是鋼橋,“不少已躋身'世界級’橋梁,展示出中國當代建橋技術達到了世界先進水平”;經過近幾年的深入研究和開發我國鋼結構住宅已經入一個新的發展階段,一批建設部立項的示范、試點工程和關鍵技術攻關項目相繼建成并取得了科研成果,在“循環經濟”“綠色建筑”等政策指導下,今后我國鋼結構住宅建設必將蓬勃發展。 

建筑鋼結構特點和焊接難點 

縱觀目前我國建筑鋼結構工程現狀和發展趨勢,越來越具有現代化建筑風格和科技含量高的建筑特征,其主要特點是: 

1 造型新穎獨特,結構體系繁多,節點構造復雜,焊接接頭形式多,構件制作和現場安裝中的焊接技術難度越來越大。例如:國家體育場“鳥巢”鋼結構工程有大量的復雜的桁架柱、主桁架、次結構焊接節點,焊縫縱橫交錯,施工難度很大。 

2 建筑高度高,結構跨度大,抗震性能設計對主要鋼結構焊接質量要求很高。如:框架梁與柱的連接焊縫,剪力板與柱的連接焊縫,梁腹板與柱的連接焊縫和柱的拼接焊縫等,都是結構的主要部位,基本上都是坡口熔透一級焊縫,100%超聲波探傷,對焊接質量要求非常高。

 3 使用鋼材品種規格多,而且越來越多趨向于使用低合金高強度結構鋼和大厚度鋼材,隨著鋼鐵生產工藝水平的不斷提高,鑄鋼、奧氏體不銹鋼、復合鋼板也得到越來越多的應用。因此,要求現場施工前,針對所使用鋼材的交貨狀況,要實時進行新鋼種的焊接性試驗,探索科學的焊接工藝參數,制定相應的焊接工藝措施。 

4 工廠制作和現場安裝鏈接因素多,不同工種交叉作業多,現場安裝難度較大。 

1 焊接方法 

鋼結構行業于20世紀40年代引入焊條電弧焊,50年代中期從前蘇聯引進埋弧焊接技術,70年代以后,由于建筑鋼結構箱形構件以及中厚板的廣泛使用,又陸續試驗并成功應用實芯焊絲和藥芯焊絲CO2氣體保護焊,埋弧雙絲焊、埋弧三絲焊,熔嘴電渣焊、螺栓焊等焊接技術。 

CO2氣體保護焊在建筑鋼結構中的應用,極大地提高了焊接生產效率,縮短了施工周期,已逐步取代手工藥皮電弧焊。CO2氣體保護焊,按焊絲可分為實芯焊絲(GMAW)和藥芯焊絲(FCAW)兩種。實芯焊絲CO2或混合氣體保護焊,在建筑鋼結構的制作中,可根據板厚和坡口、裂紋敏感性,來選擇相應得噴射過液、脈沖電流過液、德實芯焊絲CO2氣體保護焊,藥芯焊絲CO2氣體保護焊,與等直徑實芯焊絲相比,焊絲的金屬界面積變小,在同等電流水平下的電流密度增大,焊絲的熔敷效率接近于實芯CO2焊。在同等尺寸的角焊縫焊接中,由于飛濺小、清理方便且焊縫成形較凹,整體效率和經濟效益甚至優于實芯CO2焊。英特別指出的是,CO2氣體保護焊由于電弧氣氛的氧化性,所得熔敷金屬的含氫量極低,具有較好的抗氫裂性。 

自保護焊藥芯焊絲在建筑鋼結構也開始使用,由于不需要氣體保護,使用更方便,但由于自保護藥芯焊絲的擴散氫含量較高,因此目前僅應用于冷裂傾向不大的鋼種或不重要部位的焊接,以后要解決的問題,一是抗冷裂性能的提高,二是材料成本的降低。 

2 焊接設備 

建筑鋼結構應用的焊接設備主要有手工焊機、MIG和MAG焊機、埋弧焊機、電渣焊機等,隨著電力電子技術及微電子技術的發展,電焊機正朝著優質、高效、節能、可控性強等方向發展,而焊機的體積更小、重量更輕、更適于現場操作。尤其是逆變電源的普及,已極大促進了鋼結構焊接設備的發展,逆變電源焊機,整機重量僅為傳統弧焊電源的1/5到1/10,體積降至傳統弧焊電源的1/3,電源輸出外特性可進行控制。逆變焊機如果采用微處理器控制,只需變更軟件或改變面板的操作功能指示。即可實現各種焊接方法,如MAG、TIG、MIG、PuiseMIG等,目前,一種新的控制技術即雙零開關諧振電路在逆變焊機上開始使用,其環保、節能、高效特點更為突出。 

縱觀國內鋼結構行業應用的焊接設備,主要有以下特點和趨勢: 

①廣泛采用先進技術,焊機功能更趨完善; 
②機械化、自動化和成套水平進一步提高; 
③電子計算機和焊接機器人也開始在鋼結構的生產制作中應用。 

3 低合金高強鋼焊接技術 

2004年,低合金高強鋼ASTMA913Gr60(相當于Q420)在北京新保利大廈工程成功使用,經過兩年的發展,目前,國內已有數個鋼結構工程使用高強鋼,如國家體育場(鳥巢)使用國產Q460E-Z35鋼,最大板厚110mm,國家游泳中心(水立方)工程使用國產Q420C鋼,中央電視臺新臺址工程使用了Q390D、Q420D-Z25、Q460E-Z35級別鋼,高強鋼在建筑鋼結構中的廣泛應用,帶動了高強鋼焊接技術的發展。 

(1) 建筑鋼結構用高強鋼獲得良好性能的途徑: 

①合金強化:通過微合金元素的細晶強化、析出強化,提高鋼板的強度和韌性;通過正火細化晶粒、均勻組織,進一步提高鋼板的塑性和韌性。國產高強鋼(中厚板)主要是通過這種方法制造的; 

②組織強化(如淬火+回火):軋后加熱溫度超過相變重結晶溫度30~50℃,經水冷后生成的淬火過飽和固溶體為不穩定組織,強度和硬度都很高。隨后進行600℃高溫回火則可使淬火固溶體分解軟化,達到塑性和韌性的要求,也稱為調質處理。 

③控軋控冷工藝(TMCP):嚴格控制鋼板冷卻及厚度下降的過程,并在接近或低于鐵素體開始生成的溫度(Ar3910攝氏度)下完成終軋。其顯微組織及力學性能不可由熱處理獲得。這種軋制方式可在較低的碳當量下獲得較高的強度且焊接性好; 

④淬火+自回火控制軋制(QST):盧森堡鋼廠的軋制H型鋼(Gr60鋼曾在新保利大廈工程中使用),淬火后利用截面中部溫度散熱進行自回火,是TMCP的特殊應用。如Gr65鋼的淬火溫度為871攝氏度,自回火溫度為593攝氏度。其強度高同時焊接性好。

(2) 高強鋼用焊材選配原則 

①強匹配,強節點弱桿件:焊接材料熔敷金屬的強度、塑性、沖擊韌性高于母材標準規定的最低值。焊接接頭(焊縫及熱影響區)各項性能全面要求達到母材標準規定的最低值; 

②兼顧焊縫塑性:厚板焊接時按厚度效應后的強度選配焊材,節點拘束度大時可在1/4板厚以下配用低強焊材; 

③滿足沖擊韌性要求:必須重點選擇焊材的韌性使焊縫及熱影響區韌性達到鋼材的標準要求。 

(3) 高強鋼焊接性評價方法 

①碳當量計算評定法; 
②熱影響區最高硬度試驗評定法; 
③插銷試驗臨界斷裂應力評定法。 

(4) 最低預熱溫度確定方法 

①裂紋試驗控制:根據斜Y坡口試樣抗裂試驗確定最低預熱溫度; 
②硬度控制:根據一定碳當量的鋼材,其不同板厚T形接頭角焊縫熱影響區硬度達到350HV對應的冷卻速度(540攝氏度時)查表確定焊接線能量; 
③根據裂紋敏感指數、板厚范圍、拘束度等級、熔敷金屬擴散氫含量確定最低預熱溫④根據接頭熱輸入、冷卻時間T8/5和鋼材的特定曲線圖確定最低預熱溫度 

(5) 焊接質量控制 

①控制熱輸入與冷卻速度:控制焊接電流、電壓、焊接速度以及熔敷金屬800攝氏度~500攝氏度區間的冷卻時間(t8/5)(預熱、后熱); 

②控制焊縫中碳/硫/磷/氮/氫/氧含量:選用優質堿性低氫焊材,采用良好的操作手法充分保護熔池金屬(短弧、限制擺動、傾角穩定); 

③應力與變形控制:選用高能量密度、低熱輸入的焊接方法,如氣體保護焊;用小線能量,多層多道焊接;減小焊接坡口的角度和間隙,減少熔敷金屬填充量;采用對稱坡口,對稱、輪流施焊;長焊縫應分段退焊或多人同時施焊;用跳焊法避免變形和應力集中。 

總之,對于高強鋼的焊接,應根據鋼材本身的強化機理和供貨狀態,綜合考慮其性能要求,合理選擇焊接材料和試驗方法對其焊接性作出評價,制定合理的焊接工藝,以指導實際焊接生產,如國家體育場工程應用的Q460E-Z35鋼采用的是微合金強化,其碳當量Ceq高達0.47%,因此,對該鋼種的焊接應主要考慮采取措施以降低其冷裂傾向,而在新保利大廈工程中采用的是QST工藝強化的高強鋼,該鋼種的碳當量Ceq僅為0.36%,焊接性相當好,但是由于它使用的是淬火加自回火的工藝,因此在焊接時應嚴格控制層間溫度和焊接線能量,防止接頭出現弱化現象。 

4 厚板焊接技術 

建筑鋼結構中厚鋼板得到越來越大量的使用,如北京新保利大廈工程使用的軋制H型鋼翼板厚度達到125毫米(ASTMA913Gr60),國家體育場(鳥巢)工程用鋼最大板厚達110毫米(Q460E-Z35),大量鋼結構工程采用厚鋼板,促進了厚鋼板焊接技術的發展,同時也豐富了建筑用鋼的范圍,目前國內現行標準如GB/T1591-94《低合金高強度結構鋼》和YB4104-2000《高層建筑結構用鋼板》規定的鋼板厚度最大僅為100毫米,因此超厚鋼板的使用也為相應標準的修訂奠定了基礎。 

厚鋼板焊接的關鍵是防止由于焊接而產生的裂紋和減少變形,應采取以下措施: 

①選用合理的坡口形式,如盡量選用雙U或X坡口,如果只能單面焊接,應在保證焊透的前提下,采用小角度、窄間隙坡口,以減小焊接收縮量、提高工作效率、降低焊接殘余應力; 

②選擇合理的預熱及層間溫度; 

③對稱施焊,科學安排焊接順序; 

④做好后熱及保溫處理。 

鑄鋼節點因其具有良好的加工性能、復雜多樣的建筑造型等性能,目標在一些大跨度空間管桁架鋼結構中開始逐步推廣使用,特別是在處理復雜的交匯節點上,鑄鋼節點有著得天獨厚的優勢,然而,由于鑄鋼一般碳當量較高,雜質尤其是S、P含量難以控制,同時鑄態組織晶粒粗大,導致鑄鋼的焊接性較差,對焊接工藝的要求很高,主要是減少殘余應力,防止焊接裂紋的產生。 

目前鑄鋼節點已在一些鋼結構工程中成功使用,如廣州會展中心巨型桁架鑄鋼支座,國家體育場(鳥巢)桁架柱鑄鋼節點,特別是天津經濟技術開發區雕塑,創造了鑄鋼件焊接的板厚之最,該雕塑是為天津開發區建區20周年紀念而建造的標志性建筑,是天津開發區2004年重點工程之一。設計采用雙螺旋線構成的直紋曲面板,主體標高50米,雕塑主體分為7段在現場進行拼裝,鑄鋼材質采用GS-20Mn5N(DIN7182),板厚由下至上逐漸變薄,最厚150毫米,最薄20毫米,厚度變化處漸變處理,總用鋼量達350噸,該工程在鑄鋼特種結構的設計、安裝及焊接方面形成了一整套技術新工藝,填補了國內超厚板鑄鋼結構的空白,標志著我國在鋼結構鑄鋼節點的焊接上達到了一個新的水平。 

6 低溫焊接技術 

目前,建筑鋼結構的冬季施工越來越普遍,由于焊接作業環境對鋼結構的焊接質量影響很大,冬季負溫焊接技術對焊接質量的控制尤為重要?!督ㄖ摻Y構焊接技術規程》(JGJ81-2002)規定:焊接作業區環境溫度低于0攝氏度時,應根據鋼材、焊材制定適當的措施;而日本建筑學會《鋼結構工程》(JASS6)規定的最低施焊溫度為零下5攝氏度。 

(1)環境溫度對焊接造成的影響有以下幾點: 

①焊接接頭冷卻速度增加,冷裂紋敏感性也增加; 
②預熱效果變差,在低溫環境下用相同的熱源,相同的時間,不能達到應有的預熱效果; 
③焊接殘余應力的作用加??; 
④環境溫度對焊工的操作帶來不利的影響。 

(2)低溫焊接措施} 

①優選焊材:在低溫環境中,應盡量選擇低氫或超低氫焊材,對焊材嚴格執行烘焙和保溫措施; 

②焊前防護:在焊接作業區域搭防護棚,使焊接區域形成相對封閉的空間,減少熱量的損失,若無條件搭設防護棚,應該采取其他有效措施對焊接區域進行防護;氣體保護焊時,焊接氣瓶也應采取相應措施進行保溫; 

③預熱與層間溫度:低溫環境下的預熱溫度應稍高于常溫下的焊接預熱溫度,加熱區域為構件焊接區各方向大于或等于二倍鋼板厚度且不小于100毫米范圍內的母材,焊接層間溫度不低于預熱溫度或標準(JGJ81-2002)規定的最低溫度20℃(兩者取高值); 

④加大定位焊時的熱輸入:適當加大定位焊的熱輸入,增大焊縫截面和長度,并采用與正式焊接相同的預熱條件,不在坡口以外的母材上打弧,熄弧時弧坑一定要填滿,可以有效減少由于定位焊接引起的收縮裂紋; 

⑤采用合理的焊接工藝:盡量使用窄擺幅,多層多道焊,嚴格控制層間溫度; 

⑥焊接后熱及保溫:焊接后及時對焊接接頭進行后熱保溫處理,可以有效控制t8/5,利于擴散氫氣的逸出,防止由于冷速過快而引起的冷裂紋,同時適當的后熱溫度,還可以適當降低預熱溫度。 

總之,鋼結構低溫焊接施工前,一定要根據實際情況做好焊接工藝評定試驗,必要時還要針對具體鋼種進行低溫焊接性試驗,作出適合的焊接工藝指導書以指導實際焊接。在低溫環境下,對焊工操作的不良影響也應給予足夠重視,一般環境溫度不宜低于-15℃。 

近年來,低溫焊接技術在國內尤其是北方建筑鋼結構中得到廣泛應用,從普通低碳鋼(Q235)到低合金高強鋼(如Q345,Q420)都有應用,也積累了相當豐富的經驗,極大豐富了我國鋼結構的焊接技術。 

7 組合樓板栓釘穿透焊技術 

高層建筑鋼結構組合樓板的大量使用,使區別于普通栓釘焊的栓釘穿透焊技術得到了長足的發展,所謂穿透焊,就是焊接時通過電弧燃燒使栓釘穿透壓型鋼板焊于鋼梁表面上,此時焊接栓釘起著兩個作用,一是水平抗剪切,阻止組合樓板在鋼梁上的水平位移;二是垂直抗掀起,阻止組合樓板脫離鋼梁表面。 

因此在鋼結構特別是高層、超高層鋼結構的抗震破壞中起著非常重要的作用。其焊接質量的好壞是關乎整個鋼結構施工質量的關鍵之一。由于栓釘穿透焊焊接受到很多因素影響,包括壓型板鍍鋅層、板厚、與鋼梁表面之間的間隙以及水、銹、渣、油漆等,而且在施工現場,各種因素互相交織又不確定,因此,要獲得良好的焊接質量,對焊接的工藝及施工要求很高,中冶集團建筑研究總院通過大量試驗研究,并在實際施工現場收集了國內外數種栓釘焊機的上萬個焊接參數,通過波型分析和實際焊接質量的對比分析,第一次將栓釘穿透焊焊接過程分為四個階段:起弧階段、電弧不穩定燃燒階段、電弧穩定燃燒階段、熄弧頂鍛階段。并以此為基礎提出了能量控制法,該方法在各大工程中已成功使用,如北京LG大廈,工程采用的閉口型鍍鋁鋅壓型板,鍍層高達280克/平方米,板厚達1.5毫米,栓釘直徑19毫米,使用能量控制法指導施工,一次合格率達95%以上,取得了良好的效果。 

8 采用陶瓷襯墊的焊接技術 

陶瓷襯墊強制成型單面焊,施焊方便,背面成型良好,焊接質量穩定、可靠,在一些領域的焊接生產中已逐步取代鋼制襯墊。在雙面焊中采用陶瓷襯墊,由于可使用較大的根部間隙和較強的焊接規范,背面無須清根,不僅大大提高了生產效率,而且焊縫根部質量也容易得到保證。由于陶瓷襯墊對坡口根部間隙不敏感,襯墊長度可任意接長、剪短,尤其適合于現場安裝焊縫,因此近年來,在一些鋼結構工程尤其是橋梁工程有所應用,由于在焊接時,襯墊也參與了焊縫熔敷金屬的冶金反應,對根部焊縫熔敷金屬化學成分及力學性能會產生一定的影響,尤其是對根部沖擊韌性的影響,鑒于目前尚無相應的標準進行界定,因此在實際應用中應給予足夠的重視。
 
9 鋼結構埋設件壓力埋弧焊技術 

隨著大跨度鋼結構公共建筑的快速增加,其鋼結構柱子埋設件(鋼筋)應用越來越多,因而,鋼結構埋設件壓力埋弧焊技術在工程實踐中不斷得到應用。其關鍵技術措施是: 

①選定性能穩定安全適用的焊機或改造螺柱焊機; 

②認真進行焊接工藝評定試驗,根據鋼筋直徑選擇相應的焊接工藝參數; 

③根據焊接接頭與母材等強的原則,選用性能良好交直流兩用的焊劑。


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