建筑鋼結構工程低溫焊接技術

鋼結構工程中的低溫焊接(即在冬季施工)一直是學術界和工程界共同關注的課題。鋼結構低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷，控制不好就會導致焊接質(zhì)量下降甚至造成不安全隱患，因此受到各方面的高度重視。但根據(jù)建筑鋼結構焊接工程冬季施工的理論規(guī)律，可以確定冬季施焊的兩大關鍵：一是盡量避免三向應力狀態(tài)下施焊；二是努力進步焊接環(huán)境和結構構件的實際溫度。本文以低溫焊接技術在“鳥巢”鋼結構焊接工程中的成功應用為例，探討國內(nèi)焊接界關于冬季施工的困擾，并為工程界提供寶貴的經(jīng)驗。

一、工程特點

國家運動場“鳥巢”鋼結構工程是奧運工程的突出代表，結構用鋼總量約53000t，涉及6個高強鋼鋼種，為全焊接結構。造型獨特新奇，為雙曲面馬鞍形結構，應力應變控制復雜。鋼結構焊接施工跨越冬季，有1萬t以上的鋼結構在冬季施焊安裝，且多為厚板焊接。這對“鳥巢”鋼結構實現(xiàn)準時合攏(合攏溫度為14℃±4℃，合攏溫度為20～23℃)和整體卸載，以及焊接結構安全運營具有決定性作用。而且場館構件多為復雜節(jié)點、彎扭構件，焊接過程的防風輕易實施，但保溫措施很難實施且本錢高。事關重大，舉世矚目，因此對低溫焊接技術和施工工作提出了相當高的要求。

二、低溫焊接試驗分析及結果

為了保證國家運動場鋼結構施工質(zhì)量，滿足進度要求，我們進行了嚴格的低溫焊接試驗，包括工程中涉及的焊接材料、規(guī)格及其焊接位置。

1.低溫焊接試驗分析

(1)環(huán)境溫度的變化對焊接質(zhì)量的影響不是決定性的。改變環(huán)境溫度，特別是母材本身的溫度和加強后熱是低溫焊接成功的基本保證。

(2)預熱溫度的差別會帶來強度上的差異，特別是厚板焊接，低溫環(huán)境影響強度指標是肯定的。所以，應充分重視環(huán)境溫度的進步和正確的預熱溫度。

(3)預熱溫度的降低必然降低焊縫的綜合指標，原因是環(huán)境溫度過低加速了焊縫冷卻。

(4)焊接熱循環(huán)傳導方式?jīng)Q定了薄板(20mm)受低溫環(huán)境影響較厚板(60mm)小。(5)Q345GJD鋼抗裂性能良好。2.低溫焊接試驗結果根據(jù)“鳥巢”鋼結構低溫焊接試驗研究的目標，匯總所有試驗及檢測數(shù)據(jù)，得出如下結果。(1)冬季施工極限溫度　國家運動場“鳥巢”鋼結構焊接工程冬季施工的最低溫度為－15℃。美國AWSD1.1中，對鋼結構低溫焊接溫度限制為－20℃，并說明只要采取措施還可以在更低的溫度下施焊，這說明鋼材和美國的焊材抵抗低溫的能力是足夠的。我們在低溫試驗的過程中也發(fā)現(xiàn)，氣溫對焊接工藝的正確實施影響不大。但是，在15℃的環(huán)境中工作時間稍長，工人的操縱技術便走形，保證不了焊縫成形質(zhì)量。同時測溫儀、送絲機工作也不正常，為此我們將最低溫度設定為－15℃。(2)低溫環(huán)境對焊接接頭綜合性能的影響　從試驗研究的分析可知，接頭的抗拉強度在低溫環(huán)境中降低是肯定的，控制不好很可能低于鋼材本身的抗拉強度而使焊接接頭分歧格。(3)預熱溫度和施工環(huán)境　正確均勻的預熱溫度和良好的施工環(huán)境，是“鳥巢”鋼結構低溫焊接試驗成功的關鍵，而緊急后熱措施是低溫焊接試驗成功的保證。

三、低溫焊接試驗成果應用原則

工藝試驗和正式工程相比，焊縫所處的工況完全不同，照搬工藝試驗結果很可能適得其反，甚至造成不良后果。在工程實際中，低溫焊接防治冷裂紋的同時，還須防范由于結構拘束度大，在冷卻速度加大的條件下焊縫中心產(chǎn)生偏析，在應力作用下產(chǎn)生的熱裂紋。因此，在工程中應留意以下應用原則。

(1)根據(jù)結構特點，公道編排焊接順序，減少和盡可能均布焊接殘余應力。

(2)鋼材本身應實現(xiàn)正溫，即要采用各科-不同的預熱方式進步焊縫閽圍小環(huán)境溫度，以此來保證焊縫綜合指標。

(3)正確選擇預熱方式。在預熱溫度和預熱規(guī)范確定的條件下，正確選擇預熱方式對控制裂紋的產(chǎn)生具有重要的意義。電加熱與火焰加熱相比具有明顯的上風：預熱區(qū)域受熱均勻，有效防止局部受熱造成的接頭附加應力；升溫速度均勻、可控，防止造成母材過熱等現(xiàn)象，可達到母材充分均勻預熱；對于整體結構焊縫而言，防止受熱不均造成構件變形。因此，低溫焊接特別是厚板焊接應優(yōu)先采用電加熱方式。

(4)由于在正式結構焊接巾采取剛性固定的方式，為防止由于氫和應力共同作用在焊縫根部產(chǎn)生延遲裂紋，對于δ≥40mm的厚板施焊時應采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施，后熱溫度為250～300℃；對于δ＜40mm的厚板施焊時應采取焊后緊急保溫緩冷措施。該措施可以減緩焊縫的冷卻速度，有助于擴散氫的逸出。

(5)由于氫在焊接熔合區(qū)四周的濃度值，按馬氏體、貝氏體和鐵素體組織的變化依次降低。在異種鋼焊接時，由于熱影響區(qū)組織形態(tài)的不同造成了氫在熔合區(qū)四周的濃度值分布不勻。當焊縫中存在應力集中點時，含氫量大的焊縫易出現(xiàn)延遲裂紋。因此，在異種鋼焊接時應特別留意預熱和后熱，這是繼焊材選定之后決定成敗的關鍵因素。

(6)控制熱輸進量是防止焊接裂紋的有效途徑。在低溫施工中，SMAW焊接采用AV值控制熱輸進量輕易成功。在控制AV≥0.6的條件下，采用控制不同焊接位置的AV，實現(xiàn)大電流、薄焊道及多層多道的焊接技術，以進步焊縫熱量，防止淬硬組織的產(chǎn)生(見下圖)。

四、現(xiàn)場低溫焊接技術規(guī)程

1.焊工防護及適應性練習

(1)焊[在進行低溫焊接前，需進行低溫焊接技術理論教育和低溫焊接適應性練習。低溫焊接適應性練習用δ≥25mm鋼板，進行橫、立、仰位置的施焊，并以UT檢測及外觀檢驗合格為標準。

(2)焊工在正式焊接前，必須具備個人防冷用品，必須具備較長時間抵抗嚴冷的能力和防滑能力。

(3)低溫焊接對焊工的個人體力消耗較大，倒班時間適當縮短。

(4)低溫焊接操縱時，應設有專門監(jiān)護人，對焊工的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和判定，必要時應采取相應措施保證焊接工作的順利進行和焊工人身安全。

(5)下雪天氣及雪后進行高空焊接作業(yè)時，通道應設專人清掃，特別掃除薄冰，以保證焊工的安全通行和體力的保存。

2.焊接設備防護

(1)焊機盡量集中擺放在可移動的焊機防護棚內(nèi)，防護棚內(nèi)應設置加熱設備，使焊機在正溫狀態(tài)下工作。

(2)使用前，氣瓶應盡可能集中存放，在氣瓶存放棚應設有加熱裝置，確保氣體隨用隨有；氣瓶在使用時，應放置在焊機棚內(nèi)，實現(xiàn)正溫治理。單機使用時，氣瓶必須采取加熱保溫措施，采用電熱毯加熱外包巖棉或其他保溫材料進行保溫，以保證液態(tài)氣正常氣化，使保護氣體穩(wěn)定通暢。

(3)冬季施工采用接觸式測溫儀控制預熱、后熱及層間溫度，環(huán)境溫度使用普通溫度計監(jiān)控。

3.焊接材料

(1)保護氣體應使用純度為99.9％的CO2氣體，以保證焊接接頭的抗裂性能。

(2)嚴格焊材庫的治理，焊條必須按標準進行烘干，烘干次數(shù)不得超過兩次，在空氣中的暴露時間不得超過2h。

(3)焊材庫內(nèi)必須備有脫濕設備，焊材擺放應符合相關規(guī)定。

(4)藥芯焊絲使用過程中應采取防潮措施，焊機上的焊絲防護罩必須保持完好，未用完的焊絲應及時送回焊材庫，防止受潮。

4.焊接方法及技術措施

(1)預熱方式的設定：δ≥30mm，采用電加熱；δ≤25mm，采用火焰預熱。

(2)預熱溫度的要求如下表所示。

(3)在拘束度大的情況下，預熱溫度應進步15～30℃。沒有特殊說明時，執(zhí)行上述規(guī)定。

(4)異種鋼焊接，預熱溫度應執(zhí)行強度級別高的鋼種的預熱溫度。

(5)不同板厚對接，預熱溫度應執(zhí)行板厚較厚的鋼板預熱溫度。

(6)由于本工程均為箱形構件，預熱時在正面加熱，測溫點設置在坡口底部墊板中心。

(7)采用電加熱方式進行預熱的構件，應進行伴隨預熱，層間溫度不得低干預熱溫度，Q345鋼不超過250℃，Q460E鋼不超過200℃。

(8)層間溫度測溫點在焊道的起始點。

(9)采用火焰加熱的主要目的是烤干焊接區(qū)域水氣，實現(xiàn)正溫焊接。烘烤范圍是焊縫兩邊各50mm范圍，烘烤溫度為20～40℃。焊接時需連續(xù)施焊。

(10)焊接工作結束后，應立即進行緊急后熱或保溫。δ≤40mm需緊急保溫，采用巖棉包裹焊接接頭，自然冷卻；δ≥40mm應進行后熱處理，后熱溫度為250～350℃，時間為1～2h，后采用巖棉保溫緩冷。

(11)焊接方法執(zhí)行焊接工藝評定，具體采用SMAW、GMAW、FCAW—G三種焊接方法之一或兩者組合。

5.焊接環(huán)境具體規(guī)定

(1)低溫焊接環(huán)境溫度范圍為0～－5℃。低于15℃，需停止焊接作業(yè)。

(2)低溫焊接時需搭設防風裝置。

(3)高空焊接作業(yè)時，防風裝置應嚴密保溫，特別是防風棚底部應密實，防止沿焊道形成穿堂風。

(4)雪天及雪后進行作業(yè)時，焊縫兩端1m處，應設置密封裝置，防止雪水進進焊接區(qū)域。

五、結語

在低溫焊接鋼結構時，最明顯的特點是焊接接頭具有很大的冷卻速度，因而進步了焊縫的結晶速度，同時也進步了彈、塑性變形速度，即進步了焊縫結晶期間的應變增長率，導致熱裂紋傾向增大。在建筑鋼結構焊接技術領域，這個重要技術觀念第一次在國家運動場“鳥巢”鋼結構焊接工程低溫焊接試驗中正式提出，引起了人們的廣泛關注。進而，又深進研究了常溫狀態(tài)下鋼結構熱裂紋的機理，這對焊接技術的改進和發(fā)展極其有利。建筑鋼結構低溫焊接理論的充實和完善，必然帶來焊接技術的進步，國家運動場“鳥巢”鋼結構焊接工程中所形成的治理理念和焊接工藝，也必將為建筑鋼結構焊接工程帶來新的格式。

我國冬季施工的工作量大面廣，低溫焊接技術的成熟，解決了建筑鋼結構冬季施工的技術困難，為施工單位贏得了寶貴的工期、給業(yè)主帶來豐厚的收益。對此，必然引起各界人士的高度重視，反過來又推動低溫焊接技術的不斷發(fā)展。所以說，低溫焊接技術是一項方興未艾的、具有生命力的實用技術。