張發(fā)榮

建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼高效焊接技術(shù)

張發(fā)榮

1. 高強(qiáng)鋼焊接特點(diǎn)與難點(diǎn)

目前我國的高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)、大型場(chǎng)館轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、大跨度承接結(jié)構(gòu)以及抗震烈度較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用較為普遍。尤其在高層和超高層建筑的避難層結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用較為廣泛，此外，其鋼材的焊接性要求比普通低合金鋼高。

在高強(qiáng)鋼的焊接應(yīng)用過程中，需面臨和克服的焊接技術(shù)難點(diǎn)主要有：

（1）高強(qiáng)鋼的焊接性影響 ①焊接過程中粗晶區(qū)的脆化。在焊接接頭中，晶粒脆化對(duì)接頭的性能影響較大，因此，重點(diǎn)防治接頭中臨界熱影響區(qū)脆化、多層焊時(shí)臨界粗晶熱影響區(qū)脆化、過臨界粗晶熱影響區(qū)脆化及亞臨界粗晶熱影響區(qū)脆化極為重要。②熱影響區(qū)晶粒長大傾向。對(duì)于高強(qiáng)鋼而言，焊接時(shí)焊接熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長大傾向，此類問題不僅會(huì)造成焊接熱影響區(qū)組織的脆化，同時(shí)還會(huì)造成熱影響區(qū)組織的軟化，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)不利。

（2）高強(qiáng)鋼焊接需要注意的問題 ①減少熱循環(huán)次數(shù)。主要通過在鋼結(jié)構(gòu)的下料切割工藝中采用新技術(shù)、減少或取消碳弧氣刨以及采用“不清根”焊接技術(shù)等三項(xiàng)舉措來達(dá)到。②科學(xué)確定高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度。確定高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度不能一概而論，鋼材及其規(guī)格不同，采用的方法不同，均可獲得較為理想的結(jié)果。但高強(qiáng)鋼焊接預(yù)熱溫度確定正規(guī)的技術(shù)路線必須服從焊接應(yīng)用理論，必須進(jìn)行新鋼種焊接性試驗(yàn)；同時(shí)推薦應(yīng)用國際通行的SHCCT圖和微觀金相來加以判斷和分析。③高強(qiáng)鋼減少焊接HAZ停留時(shí)間。高強(qiáng)鋼焊接不宜擺動(dòng)，采用“多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)”來獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。④采用小熱輸入、大熔深的焊接方法進(jìn)行焊接，達(dá)到減少微合金元素的燒損，增加焊接HAZ熔深的目的。

2. 高強(qiáng)鋼高效焊接對(duì)焊接材料的需求

雖然相對(duì)于低合金鋼而言，高強(qiáng)鋼在使用結(jié)構(gòu)上突顯出了諸

多優(yōu)勢(shì)，但在焊接材料使用上卻較低合金鋼要求更為苛刻。高強(qiáng)鋼在焊接材料上基本上選用ER50級(jí)和ER55級(jí)焊接材料，對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別更高的高強(qiáng)鋼，其焊材在符合強(qiáng)度配比的情況下，選用的強(qiáng)度配比隨之加強(qiáng)。如：在屈強(qiáng)比≥0.85的高強(qiáng)鋼的焊接中，為防止抗拉強(qiáng)度＞800MPa的調(diào)質(zhì)鋼焊接冷裂紋，要采取相應(yīng)的預(yù)熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料，由于鋼材和焊材研究進(jìn)程不同步，抗拉強(qiáng)度在800MPa以上的鋼種，不得考慮選擇低強(qiáng)匹配的焊材。

對(duì)于今后高強(qiáng)鋼焊接材料的研發(fā)，主題思想為高強(qiáng)鋼焊縫金屬合金化，即把所需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中去。

3. 高強(qiáng)鋼自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

目前由于我國建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣化，除集成化鋼結(jié)構(gòu)建筑外，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑尚未達(dá)到構(gòu)件單一化的標(biāo)準(zhǔn)，大部分企業(yè)都呈現(xiàn)出以人力生產(chǎn)為主的局面。但根據(jù)行業(yè)的發(fā)展前景和市場(chǎng)的迫切需求，符合行業(yè)市場(chǎng)化和自動(dòng)化的機(jī)器將會(huì)逐步取代人進(jìn)行生產(chǎn)操作。

根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)言：高強(qiáng)鋼的出現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大規(guī)模使用機(jī)器人自動(dòng)焊將勢(shì)在必行。機(jī)器人對(duì)各種設(shè)備、人員素質(zhì)及科技成果的開發(fā)與應(yīng)用（含焊接工藝）都提出了很高要求。在高強(qiáng)鋼焊接中，保證電弧電壓（或焊接熱輸入）的穩(wěn)定，機(jī)器人自動(dòng)焊完全可以排除人為因素的干擾，最大程度地實(shí)現(xiàn)電弧電壓的穩(wěn)定，從而保證高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量（見圖1、圖2）。這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)來說，無疑是一場(chǎng)技術(shù)革命，也必將大幅度地推動(dòng)焊接技術(shù)進(jìn)步。此外，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼的自動(dòng)化焊接，無疑對(duì)焊接生產(chǎn)信息化提出了更高的需求。不僅對(duì)焊接操作人員技能水平、職業(yè)素質(zhì)等方面提出了要求，而且對(duì)焊接技術(shù)人員在工藝規(guī)劃（WCAPP）、焊接生產(chǎn)施工管理、焊接生產(chǎn)質(zhì)量管理以及焊接專家系統(tǒng)支持等方面也提出了更高的要求。

4. 高強(qiáng)鋼的切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前建筑鋼結(jié)構(gòu)的制造加工中，下料切割工藝中常采用的切割技術(shù)有以下幾種：

（1）水噴射切割（或等離子水霧切割） 這種技術(shù)是采用300MPa以上帶磨料的高壓水切割鋼板，由于切割口完全沒有熱影響區(qū)，故避免了一次熱循環(huán)；這種技術(shù)適合中、薄板高強(qiáng)鋼的下料切割，國內(nèi)也有專業(yè)的生產(chǎn)廠家，且技術(shù)已比較成熟。

圖1 建筑鋼結(jié)構(gòu)直角彎焊接試驗(yàn)

圖2 多層多道焊演示

（2）水下等離子切割 切割口幾乎沒有熱影響區(qū)，國內(nèi)外大量采用。

（3）機(jī)械加工 幾乎沒有熱影響區(qū)，但切割的長度和厚度有一定的限制，使用性有限制，對(duì)于常用的零件加工比較方便。

（4）火焰（或等離子）切割 此種方法切割后需機(jī)械磨除切割面淬硬層，可以減少下料切割工序熱循環(huán)的影響，但受人的干擾因素大，質(zhì)量問題時(shí)有發(fā)生。在我國的大部分鋼結(jié)構(gòu)制造加工廠采用機(jī)械加工和火焰（或等離子）切割技術(shù)，不僅成本較為經(jīng)濟(jì)，效率也比較高。

對(duì)于目前國內(nèi)在建筑鋼結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，水噴射（或等離子水霧切割）切割技術(shù)也是一種不錯(cuò)的加工方法，不但效率較高，切割質(zhì)量穩(wěn)定，切割口完全沒有熱影響區(qū)，而且切割金屬粉塵通過水注全部沉降到水域中，對(duì)空氣污染程度也較小。

針對(duì)高強(qiáng)鋼的切割技術(shù)，本人認(rèn)為將來應(yīng)該從減少材料的熱循環(huán)方面入手。由于焊接是多次進(jìn)行相同或者相似的熱循環(huán)，因此熱循環(huán)次數(shù)越多，微合金元素?zé)龘p也就越嚴(yán)重，這對(duì)焊接是一個(gè)不利的因素。對(duì)切割口沒有熱影響區(qū)的切割技術(shù)是減少熱循環(huán)的有利方式，也是市場(chǎng)的迫切需求。

張發(fā)榮，湖北精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司。