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建筑钢结构工程低温焊接技术

添加日期: -6-9
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      钢结构工程中的低温焊接( 即在冬季施工) 一直是学术界和工程界共同关注的课题。钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断, 控制不好就会导致焊接质量下降甚至造成不安全隐患, 因此受到各方面的高度重视。 但根据建筑钢结构焊接工程冬季施工的理论规律, 能够确定冬季施焊的两大关键: 一是尽量避免三向应力状态下施焊; 二是努力提高焊接环境和结构构件的实际温度。

 　  本文以低温焊接技术在”鸟巢”钢结构焊接工程中的成功应用为例, 探讨国内焊接界关于冬季施工的困扰, 并为工程界提供宝贵的綷-验。

 　　一、 工程特点

 　　国家体育场”鸟巢”钢结构工程是奥运工程的突出代表, 结构用钢总量约53000t, 涉及6个高强钢钢种, 为全焊接结构。造型独特新颖, 为双曲面马鞍形结构, 应力应变控制复杂。钢结构焊接施工跨越冬季, 有1万t以上的钢结构在冬季施焊安装, 且多为厚板焊接。这对”鸟巢”钢结构实现准时合拢( 合拢温度为14℃±4℃, 合拢温度为20～23℃) 和整体卸载, 以及焊接结构安全运营具有决定性作用。而且场馆构件多为复杂节点、 弯扭构件, 焊接过程的防风容易实施, 但保温措施很难实施且成本高。事关重大, 举世瞩目, 因此对低温焊接技术和施工工作提出了相当高的要求。

 　　二、 低温焊接试验分析及结果

 　　为了保证国家体育场钢结构施工质量, 满足进度要求, 我们进行了严格的低温焊接试验, 包括工程中涉及的焊接材料、 规格及其焊接位置。

 　　1.低温焊接试验分析

 　　( 1) 环境温度的变化对焊接质量的影响不是决定性的。改变环境温度, 特别是母材本身的温度和加强后热是低温焊接成功的基本保证。
 　　( 2) 预热温度的差别会带来强度上的差异, 特别是厚板焊接, 低温环境影响强度指标是肯定的。因此, 应充分重视环境温度的提高和准确的预热温度。
 　　( 3) 预热温度的降低必然降低焊缝的综合指标, 诊-因是环境温度过低加速了焊缝冷却。
 　　( 4) 焊接热裓-环传导方式决定了薄板( 20mm) 受低温环境影响较厚板( 60mm) 小。
 　　( 5) Q345GJD钢抗裂性能良好。

 　　2.低温焊接试验结果

 　　根据”鸟巢”钢结构低温焊接试验研究的目标, 汇总所有试验及检测数据, 得出如下结果。
 　　( 1) 冬季施工极限温度国家体育场”鸟巢”钢结构焊接工程冬季施工的最低温度为-15℃。美国AWSD1.1中, 对钢结构低温焊接温度限制为-20℃, 并说明只要采取措施还能够在更低的温度下施焊, 这说明钢材和美国的焊材抵抗低温的能力是足够的。我们在低温试验的过程中也发现, 气温对焊接工艺的正确实施影响不大。可是, 在-15℃的环境中工作时间稍长, 工人的操作技术便走形, 保证不了焊缝成形质量。同时测温仪、 送丝机工作也不正常, 为此我们将最低温度设定为-15℃。
 　　( 2) 低温环境对焊接接头综合性能的影响从试验研究的分析可知, 接头的抗繺-强度在低温环境中降低是肯定的, 控制不好很可能低于钢材本身的抗繺-强度而使焊接接头不合格。
 　　( 3) 预热温度和施工环境准确均匀的预热温度和良好的施工环境, 是”鸟巢”钢结构低温焊接试验成功的关键, 而紧急后热措施是低温焊接试验成功的保证。

 　　三、 低温焊接试验成果应用诊-则

 　　工艺试验和正式工程相比, 焊缝所处的工况完全不同, 照搬工艺试验结果很可能适得其反, 甚至造成不良后果。在工程实际中, 低温焊接防治冷裂纹的同时, 还须防范由于结构拘束度大, 在冷却速度加大的前提下焊缝中心产生偏析, 在应力作用下产生的热裂纹。因此, 在工程中应注意以下应用诊-则。

 　　( 1) 根据结构特点, 合理编排焊接顺序, 减少和尽可能均布焊接残余应力。
 　　( 2) 钢材本身应实现正温, 即要采用各种不同的预热方式提高焊缝周围小环境温度, 以此来保证焊缝综合指标。
 　　( 3) 正确选择预热方式。在预热温度和预热规范确定的前提下, 正确选择预热方式对控制裂纹的产生具有重要的意义。电加热与火焰加热相比具有明显的优势: 预热区域受热均匀, 有效防止局部受热造成的接头附加应力; 升温速度均匀、 可控, 防止造成母材过热等现象, 可达到母材充分均匀预热; 对于整体结构焊缝而言, 防止受热不均造成构件变形。因此, 低温焊接特别是厚板焊接应优先采用电加热方式。
　　( 4) 由于在正式结构焊接中采取刚性固定的方式, 为防止由于氢和应力共同作用在焊缝根部产生延迟裂纹, 对于δ≥40mm的厚板施焊时应采取焊后紧急后热及保温缓冷措施, 后热温度为250～300℃; 对于δ＜40mm的厚板施焊时应采取焊后紧急保温缓冷措施。该措施能够减缓焊缝的冷却速度, 有助于扩散氢的逸出。
 　　( 5) 由于氢在焊接熔合区附近的浓度值, 按马氏体、 贝氏体和铁素体组织的变化依次降低。在异种钢焊接时, 由于热影响区组织形态的不同造成了氢在熔合区附近的浓度值分布不匀。当焊缝中存在应力集中点时, 含氢量大的焊缝易出现延迟裂纹。因此, 在异种钢焊接时应特别注意预热和后热, 这是继焊材选定之后决定成败的关键因素。
 　　( 6) 控制热输入量是防止焊接裂纹的有效途径。在低温施工中, SMAW焊接采用AV值控制热输入量容易成功。在控制AV≥0.6的前提下, 采用控制不同焊接位置的AV, 实现大电流、 薄焊道及多层多道的焊接技术, 以提高焊缝热量, 防止淬硬组织的产生( 见下图) 。

      四、 现场低温焊接技术规程

　　1.焊工防护及适应性训练

 　　( 1) 焊工在进行低温焊接前, 需进行低温焊接技术理论教育和低温焊接适应性训练。 低温焊接适应性训练用δ≥25mm钢板, 进行横、 立、 仰位置的施焊, 并以UT检测及外观检验合格为标准。
 　　( 2) 焊工在正式焊接前, 必须具备个人防寒用品, 必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。
 　　( 3) 低温焊接对焊工的个人体力消耗较大, 倒班时间适当缩短
 　　( 4) 低温焊接操作时, 应设有专门监护人, 对焊工的工作状态进行监控和判断, 必要时应采取相应措施保证焊接工作的顺利进行和焊工人身安全。
 　　( 5) 下雪天气及雪后进行高空焊接作业时, 通道应设专人清扫, 特别扫除薄冰, 以保证焊工的安全通行和体力的保存。
 　　2.焊接设备防护

 　　( 1) 焊机尽量集中摆放在可移动的焊机防护棚内, 防护棚内应设置加热设备, 使焊机在正温状态下工作。
 　　( 2) 使用前, 气瓶应尽可能集中存放, 在气瓶存放棚应设有加热装置, 确保气体随用随有; 气瓶在使用时, 应放置在焊机棚内, 实现正温管理。单机使用时, 气瓶必须采取加热保温措施, 采用电热毯加热外包岩棉或其它保温材料进行保温, 以保证液态气正常气化, 使保护气体稳定通畅。
 　　( 3) 冬季施工采用接触式测温仪控制预热、 后热及层间温度, 环境温度使用普通温度计监控。

 　　3.焊接材料
 　　( 1) 保护气体应使用纯度为99.9%的CO2气体, 以保证焊接接头的抗裂性能。
 　　( 2) 严格焊材库的管理, 焊条必须按标准进行烘干, 烘干次数不得超过两次, 在空气中的暴露时间不得超过2h。
 　　( 3) 焊材库内必须备有脱湿设备, 焊材摆放应符合相关规定。
 　　( 4) 药芯焊丝使用过程中应采取防潮措施, 焊机上的焊丝防护罩必须保持完好, 未用完的焊丝应及时送回焊材库, 防止受潮。

 　　4.焊接方法及技术措施
 　　( 1) 预热方式的设定: δ≥30mm, 采用电加热; δ≤25mm, 采用火焰预热。
 　　( 2) 预热温度的要求如下表所示。

       ( 3) 在拘束度大的情况下, 预热温度应提高15～30℃。没有特殊说明时, 执行上述规定。
 　　( 4) 异种钢焊接, 预热温度应执行强度级别高的钢种的预热温度。
 　　( 5) 不同板厚对接, 预热温度应执行板厚较厚的钢板预热温度。
 　　( 6) 由于本工程均为箱形构件, 预热时在正面加热, 测温点设置在坡口底部垫板中心。
 　　( 7) 采用电加热方式进行预热的构件, 应进行伴随预热, 层间温度不得低于预热温度, Q345钢不超过250℃, Q460E钢不超过200℃。
 　　( 8) 层间温度测温点在焊道的起始点。
 　　( 9) 采用火焰加热的主要目的是烤干焊接区域水气, 实现正温焊接。烘烤范围是焊缝两边各50mm范围, 烘烤温度为20～40℃。焊接时需连续施焊。
 　　( 10) 焊接工作结束后, 应立即进行紧急后热或保温。δ＜40mm需紧急保温, 采用岩棉包裹焊接接头, 自然冷却; δ≥40mm应进行后热处理, 后热温度为250～350℃, 时间为1～2h, 后采用岩棉保温缓冷。
 　　( 11) 焊接方法执行焊接工艺评定, 具体采用SMAW、 GMAW、 FCAW—G三种焊接方法之一或两者组合。

 　　5.焊接环境具体规定
 　　( 1) 低温焊接环境温度范围为0～-15℃。低于-15℃, 需停止焊接作业。
 　　( 2) 低温焊接时需搭设防风装置。
 　　( 3) 高空焊接作业时, 防风装置应严密保温, 特别是防风棚底部应密实, 防止沿焊道形成穿堂风。
 　　( 4) 雪天及雪后进行作业时, 焊缝两端1m处, 应设置密封装置, 防止雪水进入焊接区域。

 　　五、 结语

 　　在低温焊接钢结构时, 最显着的特点是焊接接头具有很大的冷却速度, 因而提高了焊缝的结晶速度, 同时也提高了弹、 塑性变形速度, 即提高了焊缝结晶期间的应变增长率, 导致热裂纹倾向增大。在建筑钢结构焊接技术领域, 这个重要技术观念第一次在国家体育场”鸟巢”钢结构焊接工程低温焊接试验中正式提出, 引起了人们的广泛关注。进而, 又深入研究了常温状态下钢结构热裂纹的机理, 这对焊接技术的改进和发展极其有利。建筑钢结构低温焊接理论的充实和完善, 必然带来焊接技术的进步, 国家体育场”鸟巢”钢结构焊接工程中所形成的管理理念和焊接工艺, 也必将为建筑钢结构焊接工程带来新的格局。

 　　中国冬季施工的工作量大面广, 低温焊接技术的成熟, 解决了建筑钢结构冬季施工的技术难题, 为施工单位赢得了宝贵的工期、 给业主带来丰厚的收益。对此, 必然引起各界人士的高度重视, 反过来又推动低温焊接技术的不断发展。因此说, 低温焊接技术是一项方兴未艾的、 具有生命力的实用技术。

 钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征是焊接裂纹和工作状态下的脆断现象, 究其原因主要是: 冷却速度过快, 导致焊缝的冷裂纹敏感性增加、 焊缝易产生金属偏析、 焊缝冷裂纹延迟效应明显和低温脆断的可能性增加。
        本工法针对低温焊接的这一特点, 以优良的抗冷裂性能作为选择焊接材料主要的判定指标, 经过保证准确的焊前预热温度和可靠的焊后后热及保温缓冷制度来控制焊缝的冷却速度, 并经过选择合理的焊接顺序, 避免产生焊缝冷裂纹、 延迟裂纹、 焊缝偏析等现象, 并避免在三向受力条件下施焊, 最终保证钢结构低温焊接质量。
        本工法主要适用于大气环境温度-15℃以上、 钢材材质为Q345D、 Q345GJD强度等级及以下, 各种钢板厚度规格的建筑钢结构室外焊接施工