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，探討國內焊接界關于冬季施工的困擾，并為工程界提供寶貴的經驗。

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)傳導方式決定了薄板(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“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據，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，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生偏析，在應力作用下產生的熱裂紋。因此，在工程中應留意以下應用原則。

(1)根據結構特點，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，防止淬硬組織的產生(見下圖)。

四、現場低溫焊接技術規(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，防護棚內應設置加熱設備，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，實現正溫治理。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。