建筑钢结构新钢种焊接评价指标分析与应用

王利　唐忠昆

【摘 要】随着我国建筑钢结构技术的不断发展，尤其是在材料的选用上，越来越多地趋向于使用高强度、大厚度钢材，从而对建筑钢结构焊接技术提出了新的要求；然而，由于建筑行业水平发展的不平衡，钢结构行业中懂得焊接应用技术的人员不多，精通的更少，因此，技术上的未雨绸繆、防患于未然，必然会成为建筑钢结构焊接技术的基本思想。本文笔者对新钢种焊接技术评定指标作出了分析，提出了焊接性试验研究成果的主要应用，可供同行参考。

【关键词】新钢种；焊接评价；现状；应用

1.焊接性试验研究现状

按照国际惯例，新钢种焊接性能试验应当由生产厂家和研究单位负责完成；但在我国，新钢种的焊接性能试验研究工作是由施工单位承担，因此，新钢种的焊接性能试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点；另外，由于钢结构体系设计的需要，在重要性建筑钢结构焊接工程中采用了新一代钢种，这些钢种同传统钢种有很大的区别，掌握和研究新钢种的焊接性是一件十分重要和困难的工作。因此，采用新工艺、新的运条手法进行施焊势在必行，否则将给工程带来损失。

2.新钢种焊接技术评定指标的研究

建筑钢结构焊接缺陷以裂纹的危害最大，防止裂纹的产生就成为钢材焊接性试验研究首先考虑的问题。随着大厚度高强度低合金结构的采用，焊接评价指标及焊接性试验研究的作用越显得重要。

2.1大厚度高强度低合金结构钢焊接技术评定研究总体思路

（1）评定Q390级以上高强度低合金结构钢焊接性。

（2）不同焊接方法的焊缝金属中氢含量的测定与分析。

（3）大厚度高强结构组装焊接技术。

2.2焊接技术评价指标体系的确定及作用

2.2.1主要考虑以下指标

碳当量CE（IIW）、冷裂纹敏感指数Pc、预热温度、焊接接头性能分析（拉伸、冲击、硬度）、熔敷金属扩散氢含量测定分析、钢结构接头形式应力分析、热影响区最高硬度试验、焊缝金属抗热裂纹的能力等。

2.2.2评价指标的具体作用及局限性

（1）碳当量CE（IIW）：用于评价钢材的淬硬性倾向，以及在焊接中如何采取防止冷裂纹，但由于未考虑焊接接头拘束度的大小、焊接材料实际扩散氢含量等因素的影响，该指标仅能在一定程度上反映实际构件的冷裂纹产生的倾向。

（2）冷裂纹敏感指数Pc：单纯以淬硬性估计冷裂倾向是比较片面的，冷裂纹敏感指数（Pc）综合考虑了产生冷裂纹三要素（淬硬倾向、扩散氢含量和结构拘束度）的影响，使计算结果更准确，按GB1591-2008《低合金高强度结构钢》标准规定：要求热轧制状态：Pcm≯0.2，但当采用高于Q390级钢材，经过按化学成分冷裂纹敏感系数PCM计算，此类钢材PCM值一般在0.26左右，高于标准值；该类钢材具有一定淬硬倾向，焊接时需要采取相应的措施来防止冷裂纹的发生；根据预热温度计算公式：t0=1440Pc-392（℃）来确定防止冷裂纹所需的最低预热温度，良好的预热措施，一方面可以减慢焊后焊接接头的冷却速度，减少焊缝及热影响区的淬硬程度，同时有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹；另一方面，预热可降低焊接应力和降低焊接结构的拘束度。后热处理可以加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著，同时还有消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能的作用。

[注：Pc与PCM的关系：Pc=PCM+[H]/60+δ/600； Pc：冷裂纹敏感系数；PCM：化学成分的冷裂纹敏感系数；[H]：采用甘油法测得焊缝中的扩散氢含量（ml/100g）；δ：工件厚度（mm）。]

（3）不同的焊接方法及焊接材料对焊接接头的性能有着较大的区别，主要体现在焊接接头的组织特征和力学性能对在很大程度上决定着焊接结构使用的可靠性，其中接头的拉伸性能显得尤为突出，通过拉伸试验，应明确接头的抗拉强度、接头断裂位置，从而判定是否满足低强匹配的原则，即为：接头的拉伸强度是否小于母材的抗拉强度；接头的断裂位置是否位于焊接热影响区；同时，通过冲击及硬度测试，可判定接头的韧性和接头区域金相组织类型，为合理采用焊接方法及焊接材料提供可靠的依据。

（4）扩散氢是导致焊接接头产生冷裂纹的主要因素之一，根据不同焊丝种类、不同环境湿度、不同焊接电流条件下的扩散氢含量，测定和掌握扩散氢随时间的逸出特性。

（5）热裂纹是一种较常发生又危害严重的一种焊接缺陷，在复杂钢结构焊接工程中时有发生。这种缺陷既和母材有关，又和焊接材料有关。所以测定焊缝金属抗热裂纹的能力是焊接试验研究的一项内容。

（6）在目前钢结构节点设计中，普遍采用栓-焊节点，通过特殊节点的应力测定分析，结合现阶段采用的盲孔测试方法，掌握焊缝金属、母材厚度Z方向及焊接残余应力变形引起的接头应力变换的接头使用性能的影响。

3.焊接性试验研究成果的主要应用

通过在实际工程中的大量试验、分析，如北京新保利大厦钢结构焊接工程、“鸟巢”钢结构焊接工程等一批标志性建筑对焊接性试验研究的进行，可以总结出：

（1）新钢种焊接性试验研究将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点。

（2）实施焊接工艺评定作用。

1）完善高强度结构钢的焊接性试验工作，为高强度结构钢在建筑行业的使用提出了技术理论依据。

2）明确不同焊接材料对焊接接头产生裂纹的倾向。

3）通过对主体钢结构进行应力测试，得到大型栓焊钢结构焊接接头的应力状态分布情况的参考数据。

4）通过对高强度结构钢的焊接性研究以及焊材的研究，制定出适合的工艺评定，合理制定结构组装焊接工艺，为工程顺利施工提供了保障。

（3）工程应用。

1）结构型式：Q390C大厚度圆管柱。

2）实施过程：组装焊接。

3）工艺评定研究内容。

①Q390C厚板焊接性评价。

根据母材化学试验分析确定，采用国际焊接学会碳当量CE（IIW）公式：

Q390C-Z15 钢碳当量：CE（IIW=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5=0.44，由于此值介于0.4-0.6 之间，故钢材有一定的淬硬倾向，焊接时应该适当预热来防止冷裂纹；同时，根据根据GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》，要求热机械轧制钢Pcm 不大于0.20，经过采用甘油法试验，测得当采用CO2实心焊丝焊接时，扩散氢含量为1ml/100g。计算确定为Pcm=0.38，故本钢材具有一定淬硬倾向，焊接时需要采取相应的措施来防止冷裂纹的发生。

②Q390C厚板预热温度：进行斜Y型接头试验，根据标准下料试板要求的尺寸，并进行机加车间刨削加工，组对时间隙必须为2±0.2，采用CO2 气体保护焊，手工焊和埋弧焊三种焊接方法分别对其采用不同预热温度进行焊接；结合计算，得到Q390C（δ=60mm）最终预热温度≥150°C。

③Q390 厚钢板的焊后处理方法。

由于钢结构工程多为大型工件结构形式，焊接坡口型式较为复杂，焊接残余应力较大，当采用加热炉内后热处理不易进行；为此，根据应现场实际情况，焊接工序完成后，多采用局部电加热处理，后热温度为250℃，保温2 小时，放置24小时后再进行无损检测，确保焊缝无裂纹。

④Q390厚钢板的工艺评定

焊接此类厚壁高强度低合金钢时，必须保证预热温度，实际焊接时，Q390C 厚度60mm的厚板材质预热温度为150℃，焊完对构件进行后热，后热温度为250℃，保温2 小时，可减少冷裂纹。确保对试板取样做拉伸、冷弯和冲击力学性能试验，各项指标都合格。

⑤Q390厚钢板构件组装焊接工艺

焊接此类厚壁高强度低合金钢时，除需保证预热温度，以及焊后后热，还应从设计坡口着手，对接焊缝坡口设计成X 型，里大外小，里口便于焊接，外口一层，埋弧焊盖面。角焊缝设计坡口形式为K 型，避免了用单V 或单K 所带来的应力集中，且V 型坡口的焊接量最少是K 型的二倍，从而减少了焊接应力。

4.总结

通过对低合金高强度结构钢焊接工艺评定指标的分析，针对此类钢种，除应满足上述各类指标要求外，还应进一步完善以下内容：

（1）通过采用焊接热模拟试验的方法，绘制出新钢种的热影响区组织连续冷却转变图，从而预测不同的焊接工艺条件下母材、焊缝及热影响区的金相组织及性能，用以更准确评定钢材的冷裂纹倾向。

（2）通过采用数值模拟及盲孔试验的方法，测定栓焊接头残余应力对材料强度的影响，从而得到大型钢结构栓焊接头的应力状态分布的参考数据。

总之，通过完善新钢种的焊接性评价工作，完善和补充评价工作的研究内容，为Q390级以上高强度结构钢在建筑行业的使用提供理论依据。