段 斌

(中冶建筑研究總院有限公司焊接所，北京 100088)

0 前言

目前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)采用的結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度區(qū)間為最高460 MPa，最低通常不低于195 MPa。隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)用鋼正朝著超高強(qiáng)和超低強(qiáng)兩個方向發(fā)展。超高強(qiáng)度鋼的采用可在一定程度上降低用鋼量，減小構(gòu)件尺寸。而超低強(qiáng)鋼則主要應(yīng)用于有抗震設(shè)防要求的建筑物中的關(guān)鍵節(jié)點，利用其良好的韌性和塑性性能，通過塑性變形吸收地震造成的沖擊功，達(dá)到保證建筑結(jié)構(gòu)整體安全的功能。

目前國內(nèi)常用建筑結(jié)構(gòu)鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所給出的低碳鋼或低合金高強(qiáng)鋼的最高屈服強(qiáng)度不超過690 MPa，最低屈服強(qiáng)度不小于175 MPa。從工程實際需求出發(fā)，希望在關(guān)鍵部位能夠采用超高或超低強(qiáng)度的鋼材，相關(guān)國家科技支撐項正在進(jìn)行這方面的研究開發(fā)。

1 建筑用高性能鋼的特點

衡量結(jié)構(gòu)用鋼材性能的主要指標(biāo)有:屈服強(qiáng)度(ReH、ReL)、抗拉強(qiáng)度(Rm)、屈強(qiáng)比(ReL/Rm)、延伸率(A)、斷面收縮率(Z)、沖擊韌性(AKV)、可焊性。

通常希望得到綜合性能良好的鋼材，如強(qiáng)度高、韌塑性好、可焊性好等。隨著強(qiáng)度增高，鋼材的碳當(dāng)量會增加，可焊性變差，焊接難度加大。這一點從《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661－2011第三章表3.0.1鋼結(jié)構(gòu)工程焊接難度等級可以看出(見表1)。

當(dāng)鋼材強(qiáng)度大于420 MPa或碳當(dāng)量大于0.5時，鋼材可焊性變差，在鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范中將其歸入難焊等級。

對于有抗震要求的結(jié)構(gòu)用鋼材，還需關(guān)注其屈強(qiáng)比和韌、塑性指標(biāo)。在國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011－2010中明確規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)符合下例規(guī)定:

(1)鋼材的屈服強(qiáng)度實測值與抗拉強(qiáng)度實測值的比值不應(yīng)大于0.85。

表1 鋼結(jié)構(gòu)工程焊接難度等級

(2)鋼材應(yīng)有明顯的屈服臺階，且伸長率不小于20%。

(3)鋼材應(yīng)有良好的焊接性和沖擊韌性。

隨著鋼材強(qiáng)度的增加，不僅塑性、韌性、可焊性降低，屈強(qiáng)比的劣化更加明顯，當(dāng)為了獲得較好的綜合性能而采用TMCP鋼時，屈強(qiáng)比的變化更加顯著。

2 高性能鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2004年，低合金高強(qiáng)鋼ASTM A913 Gr60(相當(dāng)于Q420)在北京新保利大廈工程成功使用，經(jīng)過幾年的發(fā)展，國內(nèi)已有數(shù)個鋼結(jié)構(gòu)工程使用高強(qiáng)鋼，如國家體育場(鳥巢)使用國產(chǎn)Q460E－Z35鋼，國家游泳中心(水立方)工程使用國產(chǎn)Q420C鋼，中央電視臺新臺址工程更是使用了Q390D、Q420D－Z25、Q460E－Z35級別鋼，高強(qiáng)鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，帶動了高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的發(fā)展。與此同時，建筑鋼結(jié)構(gòu)中厚鋼板得到越來越多的使用，如北京新保利大廈工程使用的軋制H型鋼翼板厚度達(dá)到125 mm(ASTM A913 Gr60)，國家體育場(鳥巢)工程用鋼最大板厚達(dá)110 mm(Q460E－Z35)。但在屈服強(qiáng)度低于175 MPa鋼材的使用方面目前國內(nèi)尚無先例。

國內(nèi)外在高強(qiáng)鋼的使用方面一般均將其最高屈服強(qiáng)度限制在690 MPa，如美國《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》AWSD1.1第1.2條規(guī)定“本規(guī)范是為厚度等于或大于1/8 in［3 mm］最低規(guī)定屈服強(qiáng)度等于或小于100 kis［690 MPa］的碳鋼或低合金鋼的焊接鋼結(jié)構(gòu)而專門制定的，本規(guī)范或能適用于指導(dǎo)其適用范圍以外的結(jié)構(gòu)制造”。國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661－2011第四章表4.0.5常用國內(nèi)鋼材類中也做出了類似的規(guī)定，詳見表2。

表2 國內(nèi)常用鋼材分類

對于超低強(qiáng)度鋼的采用在國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)中均未涉及。鑒于實際工程的需要，在超低強(qiáng)高性能鋼的應(yīng)用研究方面應(yīng)從鋼材及配套焊材的開發(fā)入手。無論是工作難度和工作量似乎都遠(yuǎn)低于已具有現(xiàn)成鋼材和配套焊材的高強(qiáng)度用鋼。

3 高性能鋼的焊接技術(shù)

3.1 高性能鋼的選用原則

根據(jù)國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661－2011第4.0.3條的要求“選用的鋼材應(yīng)具備完善的焊接性資料、指導(dǎo)性焊接工藝、熱加工和熱處理工藝參數(shù)、相應(yīng)鋼材的焊接接頭性能數(shù)據(jù)等資料;新材料應(yīng)經(jīng)專家論證、評審和焊接工藝評定合格后，方可在工程中采用”。在此所涉及的高性能鋼及配套焊接材料無論是屈服強(qiáng)度大于460 MPa或是低于175 MPa均在此列，因此在工程正式采用前應(yīng)具備相關(guān)的技術(shù)資料。

上述技術(shù)資料的獲取主要有兩種渠道:一是生產(chǎn)廠家提供;二是應(yīng)由具有資質(zhì)與能力的第三方進(jìn)行相關(guān)的試驗驗證。無論采用何種方法，所提供的技術(shù)資料中至少應(yīng)包括如下試驗項目的結(jié)果:鋼材的檢驗;焊接材料性能檢驗;焊接冷裂紋敏感性試驗;碳當(dāng)量;焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖(CCT圖);熱影響區(qū)最高硬度試驗;斜Y坡口(小鐵研)焊接裂紋試驗;焊接冷裂紋插銷試驗;鋼板熱切割試驗;熱矯正試驗;時效敏感性試驗;焊接工藝評定。

3.2 高性能鋼的焊接特點

(1)焊接方法的選擇。

在國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661－2011第一章第1.0.2條中規(guī)定“本規(guī)范適用于工業(yè)與民用鋼結(jié)構(gòu)工程中承受靜荷載或動荷載、鋼材厚度大于等于3 mm的結(jié)構(gòu)焊接。本規(guī)范適用的焊接方法包括焊條電弧焊、氣體保護(hù)電弧焊、藥芯焊絲自保護(hù)焊、埋弧焊、電渣焊、氣電立焊、栓釘焊及其組合。”但對于高性能鋼材的焊接要盡可選擇焊接熱輸入量(Q=IU/v)較低的焊接方法，如焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、單絲埋弧焊等。根據(jù)實驗，普通碳素鋼或低合金高強(qiáng)鋼耐受焊接熱輸入量的上線大約為50 kJ/cm。而不同的焊接工藝方法其熱入量變化范圍較大，具體數(shù)值如表3所示。

由表3可知，氣電立焊、電渣焊及某些情況下的埋弧焊，其焊接熱輸入量遠(yuǎn)大50 kJ/cm，應(yīng)嚴(yán)禁采用。

為使焊縫金屬的性能達(dá)到母材的要求，特別是對于高性能鋼，及常用鋼材的D或E級更應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，否則會降低焊縫接頭的韌性。

表3 各種焊接方法熱輸入

比較直觀的控制焊接熱輸入量的方法是:控制單道焊縫的寬度。當(dāng)采用焊條電弧焊時，其單道焊縫的寬度不應(yīng)大于所用焊條直徑的4倍;采用直徑為1.2 mm的氣保焊時，其單道焊縫的寬度應(yīng)控制在20 mm以內(nèi);當(dāng)采用埋弧焊時應(yīng)嚴(yán)禁采用單熔池雙絲焊，且盡量采用常用規(guī)范參數(shù)的下限值。

(2)焊接材料的選配原則。

對于高性能鋼焊接材料的選擇與一般結(jié)構(gòu)鋼并無本質(zhì)性的區(qū)別主要以下原則為主:

a.等強(qiáng)匹配。焊接材料熔敷金屬的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性大于等于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值。焊接接頭(焊縫及熱影響區(qū))各項性能全面達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值。

b.兼顧焊縫塑性。厚板焊接時按厚度效應(yīng)后的強(qiáng)度選配焊材，節(jié)點拘束度大時可在1/4板厚以下配用低強(qiáng)焊材。

c.滿足沖擊韌性要求。必須重點選擇焊材的韌性使焊縫及熱影響區(qū)韌性達(dá)到鋼材的標(biāo)準(zhǔn)要求，控制焊接材料中碳、硫、磷、氮、氫、氧含量，選用優(yōu)質(zhì)堿性低氫焊材。

4 結(jié)論

對于高性能鋼的焊接，應(yīng)根據(jù)鋼材本身的強(qiáng)化機(jī)理和供貨狀態(tài)，綜合考慮其性能要求，合理選擇焊接材料和試驗方法對其焊接性做出評價，制訂合理的焊接工藝，以指導(dǎo)實際施工。