新技术在钢结构焊接中的应用（三）

HEATS

　　新技术在钢结构焊接中的应用

) v& o4 Z. d1 G' w1 B& i" l 1 |* S& d: Y1 l5 _

　　3低合金高强钢焊接技术

; @0 U# X7 b% Z- l( y5 P. ?$ Z

　　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。

p3 O+ {# f! d5 {5 T% ~) {

　　(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；

! D5 J! e/ i& d$ N5 {

　　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。

7 q- R1 B% X. H3 l3 L- Z& W! c

　　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；

% S+ G6 e1 d- o 1 f/ t l/ H& V7 x/ P

　　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。

& X/ s3 i% P: M4 U3 e 0 }+ [9 ?! C) o8 r

　　(2)高强钢用焊材选配原则

. X: s; j6 d3 ?, U& I H3 y

　　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；

{" m' `/ D3 Y, p4 V ' Y* Q7 k1 L0 q( t! l

　　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；

8 @# X3 B1 i) s0 e. J2 b

　　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。

?& e( z7 K7 m" l) U3 G( `

　　(3)高强钢焊接性评价方法

2 ^4 ^9 b7 }- p# ~

　　①碳当量计算评定法；

7 ]% H( K# ~' Q) e ], O8 E5 t

　　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。

, B4 o2 ~2 x: l2 M7 n; x7 _" n- x

　　(4)最低预热温度确定方法

& h' g n* b5 U8 ?# ~+ v; n

　　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；

. v0 t: v; _; S, E7 c . m5 p- `; s* E1 p6 l! T

　　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；

! E$ S7 L( Z/ f4 { f- M

　　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

( y! b4 H h$ {$ ]' I' n4 [

　　(5)焊接质量控制

, {; z) ]# r8 i; d, x

　　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)；

; Z' N2 a. @) |' q- }+ m: I2 f * ]" M- g% N- `& [( q& r

　　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)；

' @0 L" e6 r4 O( _

　　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。

& R% k O: x: F7 G) ~# A M+ l. ^' ^0 v

　　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。

2 |& n' _+ }" c3 P 5 e6 d6 \% v1 n" M

　　4厚板焊接技术

, ~% b% q7 Y' U* Z* u

　　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；

- n6 m9 }, ^. u0 q9 F

　　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。

h. }8 r; Y, e9 \