建筑钢结构焊接的若干问题.doc

建筑钢结构焊接的若干问题黄祖源 浙江省钢结构行业协会 杭州 310028摘要:介绍了建筑钢结构焊接中新型钢结构材料焊接特点，钢结构材料焊接性评定，低环境温度、厚钢板、铸钢、异种钢、单面焊全焊透焊接技术，焊接自动化，新型弧焊电源，焊工培训与资格鉴定等问题。关键词：建筑钢结构 焊接 若干问题1.新型钢结构材料由于钢铁材料技术的发展，目前建筑钢结构用钢向超洁净度、高均匀性的细晶钢方向发展。对建筑钢结构常用的中厚板而言，细晶钢一般指钢材晶粒尺寸为510m，此时钢材强度翻一番，塑性良好，屈强比0.8。细晶钢其性能获得主要有以下两种方法: 1）微合金强化；在普通的C-Mn钢或低合金钢中添加微量（质量分数通常小于0.1%）的强碳氮化物形成元素（如铌、钒、钛等）。微合金化元素与碳、氮交互作用，产生了细晶强化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用提高了钢材的强度和韧性。 2）控轧控冷工艺(TMCP)；基于变形诱导铁素体相变（DIFT）理论，严格控制钢材冷却速度和厚度下降的过程，可在较低的碳当量下获得较高的强度且焊接性良好。目前国产建筑用高强度钢特厚板主要是通过微合金强化方法制造，中厚板一般采用控轧控冷工艺生产。就焊接而言，细晶钢与普通低合金高强度钢比较，由于强化机理的改进，钢材焊接的碳当量降低，焊接性能较好，但是细晶钢经焊接热循环作用后,焊接热影响区会发生明显的晶粒长大倾向,长大程度随焊接热输入增长而迅速增长。从焊接工艺角度出发,低焊接热输入能降低HAZ 的高温停留时间,减小晶粒长大的程度. 相同焊接热输入条件下,能量越集中,温度梯度越大,对晶粒长大的阻碍也越大，应该据此选择合适的焊接方法及工艺参数。此外伴随大型、异形建筑钢结构的不断出现，铸钢在复杂的交汇节点上具有明显的优点，而得到应用。目前国内铸造接点常用的牌号是；铸钢GS-20Mn5(DIN7182) EN 10293，其碳当量CEIIW=0.597%，常用热处理状态为；正火。由于其碳当量较高、铸态组织晶粒粗大、杂质（S、P）分布不均匀，但S、P含量较低（甚至低于B/T1591-1994 低合金高强度结构钢），因此综合焊接性虽然较差。但优于相应国产牌号铸钢（ZG275-485H）的焊接性能。2.钢结构材料焊接性评定由于焊接是建筑钢结构制造主要方法，因此采用新钢种常常需要应用“钢材焊接性”评定方法，此时应注意现有评定方法的适用范围。例如,广泛使用的碳当量公式CEIIW= w(C)+ w (Mn)/6+ w (Cr+Mo+V)/5+ w (Ni+Cu)/15(%)是按照20 世纪50 年代到70 年代期间开发的含碳较高的低合金高强钢建立的，主要适合于w (C)0.18%的钢种。而现在大多数低合金高强钢的含碳量已小/远小于0.18%,如“鸟巢”工程使用的Q460E-Z35， 实际C=0.14%；北京保利大厦工程使用的ASTM A913 Gr60（Q420）标准要求Cmax=0.14%,实际C=0.089%。现代钢铁材料研究表明；当低合金钢中C含量0.1 %时，C对焊接的影响很小，据此80年代提出了新的计算公式： CEN= w (C)+A(C)w (Si)/24+ w (Mn)/16+ w (Cu)/15+ w (Ni)/20+ w( Cr+Mo+V+Nb)/5+5B(%)适用于w(C)为0.034%0.254%的钢种。因此, 目前在有关标准与设计规范如；GB/T19879-2005建筑结构用钢板，JGJ81-2002 建筑钢结构焊接技术规程中, 规定仍按CEIIW作为钢材的判据似已不尽适宜。相对而言，焊接冷裂纹敏感指数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%),该公式适用钢材含碳量W(C)范围为0.07%0.22%，则在相应范围内仍有适用性。此外现在常用的一些焊接冷裂纹敏感性试验方法, 也基本上是在1980 年以前形成的。原国家标准中的焊接性试验方法, 如斜Y 形坡口焊接裂纹试验方法、搭接接头(CTS) 焊接裂纹试验方法、T 形接头焊接裂纹试验方法、压板对接( FISCO) 焊接裂纹试验方法、插销冷裂纹试验方法, 都已在2005 年由国家标准化管理委员会明令废止。虽然这些方法仍然可参照使用, 但已不具有国家标准试验方法的权威作用。这些在建筑钢结构焊接中应予充分认识。3.低温焊接技术建筑钢结构焊接中的“低温焊接技术”是行业用语，现行国家标准GB/T3375-1994焊接术语中未见有“低温焊接”的术语。其确切含义应该是；“低环境温度下的焊接”，一般产生于北方冬季的现场安装。 主要需要解决二个问题；1）工件初始温度低， 2）必要的工人及设备操作环境条件。实际焊接时，一般在焊接区域采取局部防护设置临时防护设施如简易工棚形成相对封闭的空间，基本上能解决问题2）。但由于建筑钢结构的体量较大 临时防护设施仍无法解决问题1）。工件初始温度直接影响焊缝的冷却速度(t8/5)，其对于碳当量较高的高强度钢焊接有较大的影响。但是一方面随着低碳当量的细晶钢推广，其影响正逐渐减小；另一方面“工件初始温度低”解决的方法已经比较成熟。提高工件初始温度可以采用预热的方法，对于体量较大的建筑钢结构一般采用局部加热的方式，如；移动式电加热装置、气体火焰加热，这些在国内焊接领域已有几十年的成熟应用经验。电加热预热；具有温度均匀、控制方便、准确、安全等优点，比较适合于规则的表面及近于水平的位置，气体火焰加热；则在空间各个位置设置灵活、方便，但均匀度较差。实际上，国内外的焊接规范对焊接的环境温度一般并不作出强制性规定，在常温条件下所作的焊接工艺评定原则上都可适用，在实际焊接时可适当增加预热温度和加大预热区域并及时后热。4. 厚钢板焊接技术；大型建筑钢结构中，厚钢板得到大量的使用。在工厂制作中根据材料、结构、接头形式、接头要求等已有多种成熟的焊接方法可以选择，如；埋弧焊（SAW）、气电焊（EGW）、电渣焊（ESW）等等，以电渣焊为例；目前焊接的最大厚度超过3M。当然对于细晶钢由于存在HAZ晶粒长大等问题，选择方法与工艺参数时应予注意。对于大型建筑钢结构的现场焊接方法，可分两方面；1）人工操作；采用焊条电弧焊（SMAW）；实芯焊丝熔化极气体保护焊（GMAW）；药芯焊丝熔化极气体保护焊（FCAW-G）。2）机器操作；采用移动式机器人。大型建筑钢结构厚钢板现场人工焊接有以下特点；高空、室外操作、全位置焊接、焊接的工作量较大、焊工体能要求高，但单面焊全焊透的焊缝一般允许有钢衬垫、焊缝形式比较简单 （水平、横、立、仰之一），不象锅炉设备管子的焊接，一条焊缝包括全部空间位置、无垫板单面焊双面成形，焊工技能要求更高。人工焊接的方法中；因为焊条电弧焊具有操作灵活、易于控制熔合比、易于深入厚板坡口、抗风强等优点，采用较为普遍。但熔化极气体保护焊（GMAW、FCAW-G）效率高，应于优先采用。仰焊时目前因飞溅等原因，行业内仍以焊条电弧焊（SMAW）为主，实际上，由于数字化焊机的出现，如；脉冲实芯焊丝熔化极气体保护焊实现一脉一滴的射滴过渡方式，冷金属过渡（CMT）等焊接工艺方式进行焊接，飞溅几乎没有，完全可以推广使用。采用移动式机器人能提高生产率、提高焊接品质并使其均一化、降低焊工技能的要求。但是现场焊接时由于受到接头形式、装配质量、空间位置等的影响，移动式机器人还不十分成熟，有待于进一步完善。5.异种钢的焊接技术由于建筑钢结构材料的多样化，焊接时会出现不同种类钢相焊接的情况。异种钢的焊接性主要取决于两种材料的化学成分、金相组织、物理性能、力学性能等，两种材料的这种差异越大，焊接性越差。建筑钢结构所用不同种类的钢材（包括铸钢），基本上都属于珠光体类的碳素钢，其化学成分、金相组织、物理性能比较接近，相互焊接的性能较好，一般只须遵循；焊接材料按强度较低的钢材选择，如果需要预热，则按强度较高的钢材焊接预热温度选择，就可以得到满意的效果。铸钢接点材质为GS-20Mn5N其CEIIW=0.597%,其焊接性能虽然较差，但与建筑钢结构用钢材焊接并非十分困难。机械行业仅一个单位从80年代开始焊接耐热铸钢GS-17CrMoV511，其碳当量高达0.96%，最大厚度250mm,工艺评定（SEW110）试板厚度100mm,其本身及与异种钢的焊接的累计质量至今已达到千吨数量级。6. 焊接自动化由于焊接自动化能稳定和提高焊接质量、提高劳动生产率、改善工人劳动强度、可在有害环境下工作、降低了对工人操作技术的要求、缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。建筑钢结构焊接实现自动化是必然趋势，而采用焊接机器人则是自动化的主要发展方向，日本建筑钢结构行业从1985年起开始应用机器人焊接柱梁接合部，在1992年已应用了3000台以上的焊接机器人，如日本三菱重工研制开发的钢柱自动焊接机器人,适用于横断面为矩形、圆形等钢柱。矩形边长5501200, 钢板厚度80以下。焊接方式金属极电弧焊, 气体保护焊。焊接姿势横向。焊接控制用激光传感器识别坡口方式。外形尺寸长300300450mm质量20。焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人的组成；主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以MIG焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机、焊枪等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等建筑钢结构用焊接机器人按结构形式可分两大类；固定式焊接机器人（大型门式焊接机器人、多关节焊接机器人等），移动式机器人。前者适于工厂制作，后者主要应用于安装现场。 建筑钢结构制造应用焊接机器人还与结构设计有关，日本建筑钢结构制造中应用焊接机器人较广的一个重要原因是；日本广泛采用低温成型的方钢管作为柱材并采用了适宜机器人焊接的梁贯通形式的接头。7. 单面焊全焊透技术建筑钢结构部分焊接接头因无法两面施焊或者为了提高效率等原因，要求从一面焊接得到全焊透的焊缝，其分为带熔化垫板和单面焊双面成形两类，建筑钢结构焊缝中前者应用较多。带熔化垫板的单面焊全焊透技术比较简单，只要注意垫板材质、适当的尺寸、及装配质量，便可以得到满意的全焊透的焊缝。单面焊双面成形技术又分有、无衬垫两大类。1）单面焊双面成形（无衬垫）技术；核心是坡口根部的打底焊道，必须熔透并成型良好。要实现这一要求除了坡口准备、装配质量等要严格控制外，重点是焊工要掌握在全位置（平、横、立、仰）焊接的操作技能。当然新的焊接方法、设备、材料亦在降低焊工的操作难度，如打底焊条、脉冲熔化极气体保护焊的出现 都降低了焊接难度。2）单面焊双面成形（有衬垫）技术单面焊双面成形（有衬垫）技术是在坡口背面放置衬垫的焊接方法。按衬垫种类分: 热固化焊剂衬垫(RF)，铜衬垫（FCB），焊剂石棉衬垫 ( FAB)，陶瓷衬垫，玻璃纤维及石英砂衬垫等。有衬垫的焊接，施焊方便, 背面成型良好, 焊接质量稳定、可靠,可使用较大的根部间隙和较强的焊接规范,背面无需清根, 大型工件不需翻身， 大大提高了生产效率, 而且焊缝根部质量也容易得到保证。部分方法的衬垫长度可任意接长、剪短, 尤其适合于现场