钢结构工程冬季低温焊接技术的应用分析

2016-08-22何永钊

大科技 2016年24期

关键词：脆性缝隙钢结构

何永钊

（十一冶建设集团有限责任公司广西柳州 545007）

钢结构工程冬季低温焊接技术的应用分析

何永钊

（十一冶建设集团有限责任公司广西柳州 545007）

钢结构工程在目前的建筑工程的结构设计中应用逐步广泛，焊接施工也逐步被需要。但有时受到工期的约束，冬季施工的情况不可避免，由于气温较低，焊接的技术、质量都受到影响，因此，低温焊接技术应当进行研讨。本文在分析冬季施工影响的技术上，对低温焊接施工技术做出了应用分析。

钢结构工程；冬季施工；低温焊接

1 引言

由于气温较低，冬季施工时的焊接一直是施工界的难题，冬季施工的可行性以及如何提高冬季施工的质量是亟待解决的问题。在目前我国冬季施工的案例中，国家体育场是一次成功的典范，是一次对冬季低温焊接技术的成功探索。目前所研究出的低温焊接技术已经基本满足了冬季施工的条件，对于我国北方地区的冬季施工项目有着重大意义。

2 钢结构工程冬季施工的不利条件

2.1 焊接接头脆性断裂

焊接接头出现脆性断裂是最常见也是危害性最高的不利情况，其酿成的后果不可估量，在没有明显的塑性变形的情况下，应力不高于设计应力时发生的。断裂面较为平整，且具备金属光泽。目前影响断裂的应力因素主要有三种，即应力状态、温度以及材料。

2.1.1 应力状态

在单轴式及双轴式的拉应力下，材料呈现塑性；但是在三向应力下，材料不会发生塑性变形，反而呈现脆性。在实际中，由于设计结构不当、工艺不佳，在几何不连续的状态下会出现局部三轴状态的缺口效应。因此，发生脆性断裂一般都是由于缺口处的应力集中较为严重。

2.1.2 温度

虽然发生脆性断裂的缺口一致，但在不同的温度条件下，其破坏的形式也会发生变化，由燕兴破坏转变成为脆性破坏。当温度继续降低，降至某一临界点，则会出现塑性至脆性的变化，这个临界点的温度就被称之为脆性转变温度。因此可以得出结论，脆性转变温度越高，说明该结构的脆性倾向越严重。

2.1.3 材料状态

材料状态的影响因素包括化学成分、材料厚度以及晶粒度。

（1）化学成分

钢中含有的碳、镍、氧、氢、硫、磷等元素会增加钢的脆性，因此，在钢中添加适量的锰等元素会适当的减少钢的脆性。

（2）材料厚度

材料在断口处易产生三向应力，由此使材料的脆性增加。经实验研究不同材料板厚度的不同应力状态对脆性破坏的影响，表明40mm长的缺口的材料板在应力为σs/2的情况下，脆性转变温度随材料板的厚度逐步上升；当厚度高于30mm时，脆性转变温度增加的速度较为缓慢。

（3）晶粒度

目前所用的材料一般都是低碳钢和低合金钢，对于这种材料类型，其晶粒度越细，材料的脆性转变温度就会越低。

2.2 出现淬硬组织

在冬季施工时的低温焊接技术下，在进行焊接的接缝冷却速度要更快，其产生的结果就是影响二次结晶的参数t8/5出现下降，随后出现淬硬组织，钢材料的硬度不断增加，从而导致冷裂纹的敏感度随之增加。

2.3 出现结晶裂纹

以结构约束为前提，低温焊接的接缝处冷却速度较快，接缝处的一次结晶的区域偏析增加。因此，再在较强的应力作用下，接缝中心就会出现结晶裂纹。

2.4 预热效果变差

在相同的预热时间的条件下，低温的环境其预热效果会较差。

3 低温焊接技术特点

（1）低温焊接技术首先使通过提高焊接环境的温度，尤其是材料本身的温度，并采取加强后热的技术，确保成功率。

（2）低温焊接技术必须采用准确的预热温度及层间温度。由于预热温度会直接影响强度，尤其是较为厚的钢材。预热温度不能达标或不及时控制准确的层间温度会降低焊接缝隙处的强度。

（3）低温焊接必须采用具备优良抗裂性能的焊接材料。低温焊接易出现冷裂纹及热裂纹，因此在焊接材料的选择上，除了具备较高强度的条件下，抗裂性能必须列入考虑范围。

（4）为了避免接缝处温度降低过快，必须采取保温缓冷及后热等升温措施，从而降低裂纹发生的概率。

（5）低温焊接技术主要用于温度小于-15℃的条件下、建筑钢结构的室外焊接。包括主体结构、焊接分项工程、分部工程的施工。

4 低温焊接技术工艺流程

图1 低温焊接技术工艺流程图

5 低温焊接技术的评价

5.1 焊接材料

应充分根据钢结构工程低温焊接技术的材料的情况，并结合施工单位所拥有的低温焊接的经验，根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002），其对低温焊接的技术作出了相关要求，从而确定了焊接材料的各项指标及规格。

5.2 焊接方法及焊接位置

焊接缝隙的金属性能是由组织和形态所决定的，因此，在焊接材料的选择上，必须满足焊接缝隙处的金属强韧度的要求，不断调整焊接缝隙处的金属微合金化的程度，从而与焊接规范相配合，然后是焊接缝隙处的金属出现针状铁素体，最终强化焊接缝隙处的强度，从而确保焊接质量，提高工程整体质量。

5.3 环境温度设定

要提前收集工程所在地的历年天气气象资料，确保能合理设置施工环境的稳定，同时也要考虑工作人员在冬季的低温环境下的作业能力及寒冷承受能力。

5.4 预热参数确定

根据相关理论，冬季低温焊接技术施工的重点就是要防止出现冷裂纹、热裂纹。而其中，防止冷裂纹出现的有效措施就是充分预热，主要目的就是增加了热循环的低温参数t100，从而使氢可以充分的扩散并且溢出。而预热温度的确定因素主要有钢材的强度等级、焊件的厚度或坡口形式、焊接缝隙金属中的扩散氢含量及进行施工的环境温度等。虽然预热很重要，但如果预热温度过高，会产生不利的局部预热的情况，从而产生附加的应力，催生出冷裂纹。同时，板状铁素体也由此形成。因此，预热的温度需要在适当的温度区间之内，并不是越高越有利。根据《建筑钢结构焊接技术规程》，其中对于钢材有了最低预热温度的规定，最低预热温度为80℃。

5.5 焊接工艺参数设定

冷却条件的变化会影响着相变，同时也会影响氢的扩散溢出以及焊接应力的变化。因此可以得出，焊接的相变特征与焊接出现的冷裂纹及热裂纹之间有着千丝万缕的关系。钢材的化学成分以及焊接技术的冷却条件决定着焊接技术热影响区的组织，而热影响区所产生的冷裂纹主要存在于马氏体内部，在低温条件下，焊接缝隙的冷却速度过快就会导致马氏体组织的产生。因此，为了防止马氏体产生，要充分控制冷却的速度，也会防止冷裂纹的产生。低温焊接的工艺参数确定原则需要根据经验公式进行计算。

5.6 焊接后处理措施

由于氢的液态、固态的溶解度不同，在结晶温度的条件下，液态氢的溶解量是固态氢溶解量的四倍以上，融氢量较大的半熔化晶界起到了通道的作用，氢就会沿着这种通道，随着焊接缝隙至熔合区域至热影响区的路线进行不断的扩散。相关的研究学者采取了录像的方式进行观察，拍摄到了氢的溢出动态瞬间，由此深入的研究了焊接区域的氢的微观分布。通过这种研究，我们发现，在焊接后的10min时，氢气以气泡的形式大量溢出；焊接后的60min时，在熔合区已经聚集了大量的氢，尤其使在焊接缝隙的根部熔合区。

由于在焊接缝隙的根部集中了应力，使根部熔合区的拘束应力很大，氢大量的聚集之后，根部熔合区就产生了延迟裂纹，因此，在焊接之后，应采用紧急的保温缓冷措施。