中國工程建設(shè)焊接協(xié)會副秘書長 戴為志

曾幾何時，神州大地的鋼結(jié)構(gòu)工程轟轟烈烈，創(chuàng)造了一個又一個奇跡，促使我國的鋼結(jié)構(gòu)大踏步進(jìn)入了成熟期，迅速成為名符其實的鋼結(jié)構(gòu)大國；然而，在奧運、世博鋼結(jié)構(gòu)工程的高峰期之后，建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步向何處去？發(fā)展趨勢又是什么？人們不得不面對鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)十分嚴(yán)峻的局面，去分析現(xiàn)狀、思考我們的工作。

分析思考問題的切入點就是焊接和焊接相關(guān)的人和事。眾所周知：鋼結(jié)構(gòu)的生命和靈魂就是焊接；焊接，作為構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)的一種主要的連接方法，在建筑鋼結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，50%以上的鋼材在投入使用前需要經(jīng)過焊接加工處理，所以人們越來越重視焊接技術(shù)的發(fā)展，重視焊接技術(shù)人才的培訓(xùn)，于是也就有了我們談?wù)摻ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢的社會基礎(chǔ)。

一、建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展形勢

當(dāng)今，焊接技術(shù)水平不斷發(fā)展提高，為高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)提供了重要基礎(chǔ)。

焊接冶金理論日益發(fā)展完善，推動了工程材料的改進(jìn)和配套焊接材料的完善，已可保證焊接質(zhì)量能完全滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。

焊接結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，使得設(shè)計更具有合理性，而焊接結(jié)構(gòu)的緊密性和較大的剛度，可使焊接結(jié)構(gòu)能更準(zhǔn)確地符合設(shè)計規(guī)定，更適于承受疲勞載荷以及沖擊和劇烈振動等工作條件，可以適應(yīng)各種類型結(jié)構(gòu)的要求。

焊接連接技術(shù)與焊接科學(xué)的形成，是多學(xué)科交融和相互滲透的結(jié)果。新鋼材、焊材的發(fā)展帶來連接技術(shù)新概念，促進(jìn)新型焊接設(shè)備的發(fā)展，推動新技術(shù)的應(yīng)用，同時也促進(jìn)了新鋼材、焊材的發(fā)展。

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)體系向多元化方向發(fā)展

同“奧運”、“世博”時代不同的是，建筑鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)完全跳出了“場館”類結(jié)構(gòu)體系；超高層建筑日益增加，高度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，鋼材的強(qiáng)度越來越高?？臻g桁架結(jié)構(gòu)（管桁架、BH桁架、BOX桁架）、張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等體系，以各種新穎獨特的結(jié)構(gòu)形式大量出現(xiàn)在機(jī)場、車站、碼頭等公共場合之中。

對建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，最重要的是控制鋼結(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力狀態(tài)，然而鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力狀態(tài)撲朔迷離，既有安裝應(yīng)力、溫差引起的應(yīng)力，又有焊接殘余應(yīng)力，組成和分布十分復(fù)雜，定量分析十分困難。

由于建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中存在數(shù)千個節(jié)點，對每個節(jié)點都進(jìn)行有限元分析是不現(xiàn)實的，大面積的定量計算也是很難做到的。比如說：由于太陽輻射照度引起結(jié)構(gòu)溫升的計算方法在相關(guān)規(guī)范中并沒有明確提及，可以參考的經(jīng)驗較少，因此溫度應(yīng)力計算采用的各種參數(shù)、室外風(fēng)速取值很難確定。此外，漫反射、空氣流動性差等影響因素，在各類構(gòu)件熱傳導(dǎo)計算邊界條件中考慮比較困難，目前只能根據(jù)工程經(jīng)驗確定，但有一點可以肯定，施工過程中有效控制結(jié)構(gòu)體系的焊接應(yīng)力應(yīng)變，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最佳初始應(yīng)力狀態(tài)。因此，目前對建筑鋼結(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力只能定性，不能定量，換句話說：只能憑借經(jīng)驗和局部的計算進(jìn)行分析。從這個意義上講，高強(qiáng)鋼厚板焊接和控制建筑鋼結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力狀態(tài)，是行業(yè)的兩個重大難點，相比之下，后者難于前者。

但是必須指出：控制焊接殘余應(yīng)力的主攻方向是防止焊接接頭的應(yīng)力過分集中。而焊接殘余變形，會導(dǎo)致組裝應(yīng)力的增加，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為危害鋼結(jié)構(gòu)安全運營的焊接殘余應(yīng)力集中，所以防止焊接殘余應(yīng)力集中十分重要。工程實踐中必須采用有效對策。

結(jié)構(gòu)體系的變化，必然要向制作、安裝，特別是焊接工藝提出更高的要求，必然推動焊接技術(shù)的進(jìn)步。

2.大規(guī)模采用高強(qiáng)鋼必然帶來焊接相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命

2012年8月1日開始執(zhí)行的GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》拉開了建筑鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用高強(qiáng)鋼的序幕。目前為止，建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)主體用鋼是低合金高強(qiáng)鋼，這類鋼的生產(chǎn)和使用在我國迅速發(fā)展并逐漸進(jìn)入高強(qiáng)鋼領(lǐng)域。在GB/T 1591-1994標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共5個牌號；在GB/T 16270-1996《高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設(shè)立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690共6個牌號。

所謂高強(qiáng)鋼（高性能鋼）就是考慮焊接性，生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度>400MPa、抗拉強(qiáng)度>500MPa、屈強(qiáng)比≥0.85的可焊鋼材；抗拉強(qiáng)度≥1200MPa的鋼材一般分類叫超高強(qiáng)鋼。

根據(jù)以上闡述，GB50661《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經(jīng)進(jìn)入到高強(qiáng)鋼（高性能鋼）的范疇。

（1）微合金控軋鋼(TMCP) 在微合金鋼熱軋過程中，通過對金屬加熱溫度、軋制溫度、變形量、變形速率、終軋溫度和軋后冷卻工藝等諸參數(shù)的合理控制，使軋件的塑性變形與固態(tài)相變相結(jié)合，以獲得良好的組織，提高鋼材的強(qiáng)硬性，使其成為具有優(yōu)異綜合性能的鋼。通常可分為奧氏體再結(jié)晶區(qū)（≥950℃）、奧氏體未結(jié)晶區(qū)（950℃~Ar3點）和奧氏體與鐵素體兩相區(qū)（Ar3以下終軋）三種不同的控軋溫度生產(chǎn)的微合金鋼。

（2）微合金控軋控冷鋼 在軋制過程中，通過冷卻裝置，在軋制線上對熱軋后軋件的溫度和冷卻速度進(jìn)行控制，即利用軋件軋后的余熱進(jìn)行在線熱處理生產(chǎn)的鋼。這種鋼具有更好的性能，特別是強(qiáng)度，又可省去再加熱、淬火等熱處理工藝。用較少的合金含量可生產(chǎn)出強(qiáng)度和韌性更高、焊接性好的鋼。在控制冷卻中，主要控制軋件的軋制開始和終了溫度、冷卻速度和冷卻的均勻程度。

由于這類鋼在成分和熱軋工藝上的特點，根據(jù)國外采用這類鋼的焊接方面的經(jīng)驗，仍有以下潛在問題需要注意：一是冷裂紋的危險性；二是熱影響區(qū)中局部脆化區(qū)對韌性的影響；三是焊接接頭軟化。

針對新鋼種的特點，焊接工藝有了很大的提高和進(jìn)步；對焊接材料、設(shè)備，提出了新的要求。為防止熱影響區(qū)的脆化，焊接時通過調(diào)整合適的焊接參數(shù)，減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大；采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)厚板、高強(qiáng)鋼的焊接對設(shè)備、焊材的需求

眾所周知、企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的三大要素是：工藝裝備；人員素質(zhì)；科技成果的開發(fā)與應(yīng)用。對鋼結(jié)構(gòu)焊接工程而言，推行企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步首先是設(shè)備和焊材；而焊接工藝就是焊接設(shè)備、材料研制的靈魂。

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程在拼裝和安裝階段采用：GMAW、FCAW-G（F、H、V）；SMAW（O）技術(shù)，由于是厚板長焊縫、露天作業(yè)，所以對焊機(jī)有很高的技術(shù)要求：焊機(jī)能夠承受大規(guī)范、快速、長時間、不間斷的焊接，焊機(jī)在上述工況下，在50～70m內(nèi)不產(chǎn)生影響焊接參數(shù)的電流（壓）降，且各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠；同時焊機(jī)還要承受酷暑、嚴(yán)寒、風(fēng)吹雨打和因頻繁轉(zhuǎn)場而發(fā)生的碰撞，且性能不變；因此，要求焊接設(shè)備具有良好的適應(yīng)性，可靠性，先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)性以及高的自動化程度，同時要求焊材同鋼材匹配，其熔敷金屬的化學(xué)成分逐漸向母材接近。

1.高強(qiáng)鋼焊接對SAW及機(jī)器人自動焊設(shè)備的要求

由于建筑鋼結(jié)構(gòu)工程構(gòu)件不固定的原因，使鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)的自動化的難度很大。為了提高工效，人們想方設(shè)法提高現(xiàn)有自動焊設(shè)備的熔敷效率，先后開發(fā)了SAW雙絲雙弧焊機(jī)（粗絲、細(xì)絲）、SAW雙絲單弧焊機(jī)（細(xì)絲）、SAW三絲三?。?xì)絲）焊機(jī)，如圖1～圖2所示。

圖1 SAW雙絲單弧（細(xì)絲）

圖2 SAW雙絲雙?。ù纸z、細(xì)絲）

（1）粗絲、細(xì)絲自動焊設(shè)備的應(yīng)用 SAW雙絲雙?。ù纸z）焊機(jī)的出現(xiàn)，對提高生產(chǎn)效率的確起到不小作用。但是，由于焊絲直徑大，電流密度較細(xì)絲小，焊接速度較慢，對母材的焊接熱輸入顯然相比細(xì)絲焊機(jī)大，因此在對屈服強(qiáng)度超過400MPa帶有淬硬傾向的鋼材焊接時要慎重。而SAW雙絲雙弧、單弧（細(xì)絲）焊機(jī)正好彌補了這個不足，由于電流密度大、溫度高、焊接速度快，因此對母材的熱輸入小，特別適合高強(qiáng)鋼的焊接，如圖3所示。

圖3 SAW雙絲單?。?xì)絲）焊機(jī)焊接實況

利用雙絲雙弧焊可提高焊縫及熔合區(qū)韌性，獲得理想的焊縫強(qiáng)度。試驗證實：焊絲為f2mm的雙絲雙弧焊機(jī)焊接的焊接接頭質(zhì)量，優(yōu)于焊絲為f2mm單絲單弧焊機(jī)得到的焊接接頭質(zhì)量，更優(yōu)于焊絲為f5mm單絲單弧焊機(jī)得到的焊接接頭質(zhì)量。另外，雖然雙絲雙弧焊的總熱輸入E比單絲單弧焊要大得多，但是焊接生產(chǎn)率要高得多，使熔合區(qū)及熱影響區(qū)的熱輸入反而相對較小，因此韌性也相當(dāng)高，這是由于細(xì)絲熔敷率的提高和雙絲雙弧焊熱量分散并形成狹長的溫度場所致。由此看出，雙絲雙弧焊機(jī)將成為今后提高焊接接頭綜合性能的途徑。

（2）新型多頭、多絲SAW焊機(jī)的研制開發(fā) 根據(jù)雙絲雙?。?xì)絲）SAW焊機(jī)工作原理，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)著手研究一種高效、低熱輸入的多頭多絲焊機(jī)。理論和實踐均證實：在SAW雙絲雙?。▎位。┘?xì)絲焊機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研究多絲、多弧高效低熱輸入焊機(jī)是完全可能的。國外在這方面有很大進(jìn)展，如圖4所示。希望能盡快用到同國外產(chǎn)品相比的多絲多頭SAW焊機(jī)。

圖4 國外的多絲多頭SAW焊機(jī)

（3）建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的自動化 自動焊是一種借助于機(jī)械和電氣等方法使焊接過程實現(xiàn)自動化、程序化的焊接施工方法。這種自動焊技術(shù)對于操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀，焊接過程穩(wěn)定，焊接效率高等優(yōu)勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，自動焊具有很大的應(yīng)用空間。

據(jù)查，目前世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家焊接自動化程度已高達(dá)80%，因此在工效和質(zhì)量上都有很大的優(yōu)勢。而在我國按焊條電弧焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結(jié)構(gòu)朝大型化、重型化、高參數(shù)精密化方向發(fā)展，焊接手工操作的低效率和質(zhì)量的不穩(wěn)定往往成為生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的最大障礙。為適應(yīng)高強(qiáng)、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經(jīng)成為一項客不容緩的重要任務(wù)。

焊接機(jī)器人是指具有三個和三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預(yù)定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機(jī)器。機(jī)器人自動焊接首要條件是工件相對固定，然而建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程很難做到這一點。在箱型桿件的焊接中有工廠耗重資進(jìn)口了伊薩的雙頭自動焊機(jī)，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。而要進(jìn)一步實現(xiàn)箱型桿件的高水平機(jī)器人自動焊，就需要適應(yīng)厚板、長焊縫帶有智能化的爬行機(jī)器人。國外已經(jīng)有了能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，自動進(jìn)行焊接直到全部焊完的“迷你”型機(jī)器人，這正是我們建筑鋼結(jié)構(gòu)所需要的機(jī)器人。國內(nèi)雖然已經(jīng)進(jìn)入示教機(jī)器人領(lǐng)域，但同國外相比尚有一定差距。

2. 高強(qiáng)鋼焊接對焊材的具體需求

由于冶金技術(shù)取得長足進(jìn)步，新鋼種層出不窮。與鋼材技術(shù)進(jìn)步相比，焊材的研究開發(fā)過程中存在較嚴(yán)重的差距：首先是研發(fā)進(jìn)度上的不同步，不能滿足焊接質(zhì)量和工藝上的要求，在國產(chǎn)匹配中，有鋼材沒焊材；其次是有的焊材的韌性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于等強(qiáng)母材的指標(biāo)。由于在對雜質(zhì)元素的控制上，焊縫中的雜質(zhì)明顯高于母材，這些不對等的指標(biāo)或要求主要源于焊材本身性能上的差距，達(dá)不到母材的技術(shù)要求，所以在鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中，不得以降低標(biāo)準(zhǔn)而為之。借鑒鋼鐵冶金上的技術(shù)成就，焊材研發(fā)的技術(shù)進(jìn)步也應(yīng)該充分考慮熔池純凈化、晶粒細(xì)化、微合金化和組織調(diào)控方法，比如：在SAW焊接中，采用微合金化的焊絲配堿性燒結(jié)焊劑使焊材與母材合理匹配，能獲得綜合性能良好的焊接接頭。

有研究表明，在高強(qiáng)鋼的焊接中，應(yīng)用金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊來代替工廠焊接中的焊條電弧焊和CO2氣保護(hù)焊能夠顯著提高焊縫性能，通過調(diào)整金屬粉芯焊絲中Mo、B、Ti、Re的含量可以在大熱輸入下將針狀鐵素體含量由20%增加到90%，因而可使脆性轉(zhuǎn)變溫度由0℃降到-60℃。

目前，在高強(qiáng)鋼的焊接中，焊接工藝和技術(shù)上已經(jīng)有一些階段性成果。

（1）低強(qiáng)匹配 焊縫強(qiáng)度低于母材的匹配叫做低強(qiáng)匹配，并保證焊縫強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的0.86。例如：采用590MPa級的焊材焊接780MPa的鋼材，能夠獲得良好的焊接質(zhì)量。

（2）異質(zhì)焊材匹配 焊接9Ni鋼時選用鎳基合金焊接材料，效果不錯。

（3）采用多層多道錯位焊接技術(shù) 能獲得理想晶粒度和良好的沖擊韌性指標(biāo)。

（4）推廣采用導(dǎo)電性能好、飛濺少、工藝性能好、污染少的新型焊材無鍍銅焊絲 無鍍銅焊絲是我國乃至世界焊材的發(fā)展方向，焊絲工藝性好；抗銹能力強(qiáng)；小電流時導(dǎo)電率比鍍銅焊絲好；熔敷金屬有良好的低溫沖擊性能；焊接過程中不堵塞導(dǎo)電嘴而使焊接順利進(jìn)行全自動貼角焊工藝；全自動不清根板對接工藝；全自動不清根角接工藝；成本低；因此是一種理想焊接材料。

上述方法對解決目前高強(qiáng)鋼焊材“無米之炊”是可以借鑒的。

縱觀建筑鋼結(jié)構(gòu)全行業(yè)，推行焊接技術(shù)進(jìn)步的壓力和難度都很大，但是在實現(xiàn)中華民族復(fù)興的偉大事業(yè)中，隨著時間的推移，焊接工藝的日趨成熟、先進(jìn)，必將推動設(shè)備、焊材的研制，會出現(xiàn)更多的新設(shè)備和新焊材；同時，我國的焊接技術(shù)也必將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍！