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        鋼結(jié)構(gòu)工程冬季低溫焊接技術(shù)的應(yīng)用分析

        2016-08-22 04:34:13何永釗
        大科技 2016年24期
        關(guān)鍵詞:脆性縫隙鋼結(jié)構(gòu)

        何永釗

        (十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 廣西柳州 545007)

        鋼結(jié)構(gòu)工程冬季低溫焊接技術(shù)的應(yīng)用分析

        何永釗

        (十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 廣西柳州 545007)

        鋼結(jié)構(gòu)工程在目前的建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用逐步廣泛,焊接施工也逐步被需要。但有時(shí)受到工期的約束,冬季施工的情況不可避免,由于氣溫較低,焊接的技術(shù)、質(zhì)量都受到影響,因此,低溫焊接技術(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研討。本文在分析冬季施工影響的技術(shù)上,對(duì)低溫焊接施工技術(shù)做出了應(yīng)用分析。

        鋼結(jié)構(gòu)工程;冬季施工;低溫焊接

        1 引言

        由于氣溫較低,冬季施工時(shí)的焊接一直是施工界的難題,冬季施工的可行性以及如何提高冬季施工的質(zhì)量是亟待解決的問(wèn)題。在目前我國(guó)冬季施工的案例中,國(guó)家體育場(chǎng)是一次成功的典范,是一次對(duì)冬季低溫焊接技術(shù)的成功探索。目前所研究出的低溫焊接技術(shù)已經(jīng)基本滿足了冬季施工的條件,對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)的冬季施工項(xiàng)目有著重大意義。

        2 鋼結(jié)構(gòu)工程冬季施工的不利條件

        2.1 焊接接頭脆性斷裂

        焊接接頭出現(xiàn)脆性斷裂是最常見(jiàn)也是危害性最高的不利情況,其釀成的后果不可估量,在沒(méi)有明顯的塑性變形的情況下,應(yīng)力不高于設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí)發(fā)生的。斷裂面較為平整,且具備金屬光澤。目前影響斷裂的應(yīng)力因素主要有三種,即應(yīng)力狀態(tài)、溫度以及材料。

        2.1.1 應(yīng)力狀態(tài)

        在單軸式及雙軸式的拉應(yīng)力下,材料呈現(xiàn)塑性;但是在三向應(yīng)力下,材料不會(huì)發(fā)生塑性變形,反而呈現(xiàn)脆性。在實(shí)際中,由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不當(dāng)、工藝不佳,在幾何不連續(xù)的狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)局部三軸狀態(tài)的缺口效應(yīng)。因此,發(fā)生脆性斷裂一般都是由于缺口處的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

        2.1.2 溫度

        雖然發(fā)生脆性斷裂的缺口一致,但在不同的溫度條件下,其破壞的形式也會(huì)發(fā)生變化,由燕興破壞轉(zhuǎn)變成為脆性破壞。當(dāng)溫度繼續(xù)降低,降至某一臨界點(diǎn),則會(huì)出現(xiàn)塑性至脆性的變化,這個(gè)臨界點(diǎn)的溫度就被稱之為脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此可以得出結(jié)論,脆性轉(zhuǎn)變溫度越高,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的脆性傾向越嚴(yán)重。

        2.1.3 材料狀態(tài)

        材料狀態(tài)的影響因素包括化學(xué)成分、材料厚度以及晶粒度。

        (1)化學(xué)成分

        鋼中含有的碳、鎳、氧、氫、硫、磷等元素會(huì)增加鋼的脆性,因此,在鋼中添加適量的錳等元素會(huì)適當(dāng)?shù)臏p少鋼的脆性。

        (2)材料厚度

        材料在斷口處易產(chǎn)生三向應(yīng)力,由此使材料的脆性增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究不同材料板厚度的不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性破壞的影響,表明40mm長(zhǎng)的缺口的材料板在應(yīng)力為σs/2的情況下,脆性轉(zhuǎn)變溫度隨材料板的厚度逐步上升;當(dāng)厚度高于30mm時(shí),脆性轉(zhuǎn)變溫度增加的速度較為緩慢。

        (3)晶粒度

        目前所用的材料一般都是低碳鋼和低合金鋼,對(duì)于這種材料類(lèi)型,其晶粒度越細(xì),材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)越低。

        2.2 出現(xiàn)淬硬組織

        在冬季施工時(shí)的低溫焊接技術(shù)下,在進(jìn)行焊接的接縫冷卻速度要更快,其產(chǎn)生的結(jié)果就是影響二次結(jié)晶的參數(shù)t8/5出現(xiàn)下降,隨后出現(xiàn)淬硬組織,鋼材料的硬度不斷增加,從而導(dǎo)致冷裂紋的敏感度隨之增加。

        2.3 出現(xiàn)結(jié)晶裂紋

        以結(jié)構(gòu)約束為前提,低溫焊接的接縫處冷卻速度較快,接縫處的一次結(jié)晶的區(qū)域偏析增加。因此,再在較強(qiáng)的應(yīng)力作用下,接縫中心就會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。

        2.4 預(yù)熱效果變差

        在相同的預(yù)熱時(shí)間的條件下,低溫的環(huán)境其預(yù)熱效果會(huì)較差。

        3 低溫焊接技術(shù)特點(diǎn)

        (1)低溫焊接技術(shù)首先使通過(guò)提高焊接環(huán)境的溫度,尤其是材料本身的溫度,并采取加強(qiáng)后熱的技術(shù),確保成功率。

        (2)低溫焊接技術(shù)必須采用準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度及層間溫度。由于預(yù)熱溫度會(huì)直接影響強(qiáng)度,尤其是較為厚的鋼材。預(yù)熱溫度不能達(dá)標(biāo)或不及時(shí)控制準(zhǔn)確的層間溫度會(huì)降低焊接縫隙處的強(qiáng)度。

        (3)低溫焊接必須采用具備優(yōu)良抗裂性能的焊接材料。低溫焊接易出現(xiàn)冷裂紋及熱裂紋,因此在焊接材料的選擇上,除了具備較高強(qiáng)度的條件下,抗裂性能必須列入考慮范圍。

        (4)為了避免接縫處溫度降低過(guò)快,必須采取保溫緩冷及后熱等升溫措施,從而降低裂紋發(fā)生的概率。

        (5)低溫焊接技術(shù)主要用于溫度小于-15℃的條件下、建筑鋼結(jié)構(gòu)的室外焊接。包括主體結(jié)構(gòu)、焊接分項(xiàng)工程、分部工程的施工。

        4 低溫焊接技術(shù)工藝流程

        圖1 低溫焊接技術(shù)工藝流程圖

        5 低溫焊接技術(shù)的評(píng)價(jià)

        5.1 焊接材料

        應(yīng)充分根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接技術(shù)的材料的情況,并結(jié)合施工單位所擁有的低溫焊接的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》(JGJ81-2002),其對(duì)低溫焊接的技術(shù)作出了相關(guān)要求,從而確定了焊接材料的各項(xiàng)指標(biāo)及規(guī)格。

        5.2 焊接方法及焊接位置

        焊接縫隙的金屬性能是由組織和形態(tài)所決定的,因此,在焊接材料的選擇上,必須滿足焊接縫隙處的金屬?gòu)?qiáng)韌度的要求,不斷調(diào)整焊接縫隙處的金屬微合金化的程度,從而與焊接規(guī)范相配合,然后是焊接縫隙處的金屬出現(xiàn)針狀鐵素體,最終強(qiáng)化焊接縫隙處的強(qiáng)度,從而確保焊接質(zhì)量,提高工程整體質(zhì)量。

        5.3 環(huán)境溫度設(shè)定

        要提前收集工程所在地的歷年天氣氣象資料,確保能合理設(shè)置施工環(huán)境的穩(wěn)定,同時(shí)也要考慮工作人員在冬季的低溫環(huán)境下的作業(yè)能力及寒冷承受能力。

        5.4 預(yù)熱參數(shù)確定

        根據(jù)相關(guān)理論,冬季低溫焊接技術(shù)施工的重點(diǎn)就是要防止出現(xiàn)冷裂紋、熱裂紋。而其中,防止冷裂紋出現(xiàn)的有效措施就是充分預(yù)熱,主要目的就是增加了熱循環(huán)的低溫參數(shù)t100,從而使氫可以充分的擴(kuò)散并且溢出。而預(yù)熱溫度的確定因素主要有鋼材的強(qiáng)度等級(jí)、焊件的厚度或坡口形式、焊接縫隙金屬中的擴(kuò)散氫含量及進(jìn)行施工的環(huán)境溫度等。雖然預(yù)熱很重要,但如果預(yù)熱溫度過(guò)高,會(huì)產(chǎn)生不利的局部預(yù)熱的情況,從而產(chǎn)生附加的應(yīng)力,催生出冷裂紋。同時(shí),板狀鐵素體也由此形成。因此,預(yù)熱的溫度需要在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間之內(nèi),并不是越高越有利。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》,其中對(duì)于鋼材有了最低預(yù)熱溫度的規(guī)定,最低預(yù)熱溫度為80℃。

        5.5 焊接工藝參數(shù)設(shè)定

        冷卻條件的變化會(huì)影響著相變,同時(shí)也會(huì)影響氫的擴(kuò)散溢出以及焊接應(yīng)力的變化。因此可以得出,焊接的相變特征與焊接出現(xiàn)的冷裂紋及熱裂紋之間有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。鋼材的化學(xué)成分以及焊接技術(shù)的冷卻條件決定著焊接技術(shù)熱影響區(qū)的組織,而熱影響區(qū)所產(chǎn)生的冷裂紋主要存在于馬氏體內(nèi)部,在低溫條件下,焊接縫隙的冷卻速度過(guò)快就會(huì)導(dǎo)致馬氏體組織的產(chǎn)生。因此,為了防止馬氏體產(chǎn)生,要充分控制冷卻的速度,也會(huì)防止冷裂紋的產(chǎn)生。低溫焊接的工藝參數(shù)確定原則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

        5.6 焊接后處理措施

        由于氫的液態(tài)、固態(tài)的溶解度不同,在結(jié)晶溫度的條件下,液態(tài)氫的溶解量是固態(tài)氫溶解量的四倍以上,融氫量較大的半熔化晶界起到了通道的作用,氫就會(huì)沿著這種通道,隨著焊接縫隙至熔合區(qū)域至熱影響區(qū)的路線進(jìn)行不斷的擴(kuò)散。相關(guān)的研究學(xué)者采取了錄像的方式進(jìn)行觀察,拍攝到了氫的溢出動(dòng)態(tài)瞬間,由此深入的研究了焊接區(qū)域的氫的微觀分布。通過(guò)這種研究,我們發(fā)現(xiàn),在焊接后的10min時(shí),氫氣以氣泡的形式大量溢出;焊接后的60min時(shí),在熔合區(qū)已經(jīng)聚集了大量的氫,尤其使在焊接縫隙的根部熔合區(qū)。

        由于在焊接縫隙的根部集中了應(yīng)力,使根部熔合區(qū)的拘束應(yīng)力很大,氫大量的聚集之后,根部熔合區(qū)就產(chǎn)生了延遲裂紋,因此,在焊接之后,應(yīng)采用緊急的保溫緩冷措施。

        6 安全措施

        (1)操作人員在進(jìn)行低溫焊接之前,必須準(zhǔn)備個(gè)人防寒物品以保證人身安全。防寒物品主要有棉鞋、護(hù)膝、手套、帽子等物品,還要保證個(gè)人體質(zhì)能夠長(zhǎng)時(shí)間御寒。

        (2)縮短操作人員的工作時(shí)間,防止其長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫環(huán)境中,保存操作人員的體力。

        (3)在進(jìn)行低溫焊接時(shí),應(yīng)設(shè)立專業(yè)的監(jiān)護(hù)人員,對(duì)焊接工作的進(jìn)度進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控和盤(pán)對(duì),并采取相應(yīng)的措施來(lái)保證低溫焊接工作能夠順利進(jìn)行,工作人員能夠足夠安全。

        (4)冬季極易出現(xiàn)雨雪天氣,在雨雪天氣過(guò)后,必須進(jìn)行除冰工作,安排專人清掃通道,然后才能進(jìn)行高空的焊接工作,保證工作人員有足夠的體力及人身安全。

        (5)在焊接的工作場(chǎng)所必須嚴(yán)禁明火,禁止吸煙。乙醇、氧氣、油漆等易燃易爆的物料必須遠(yuǎn)離焊接作業(yè)點(diǎn)的火源,距離至少保持在10m以上,互相之間也要保持距離,并存儲(chǔ)在安全處,按規(guī)定使用。

        (6)在焊接的工作環(huán)境上必須有防火的措施,避免由于焊接產(chǎn)生的火花飛濺而引起明火。在進(jìn)行氣割。電焊時(shí),應(yīng)先觀察附近是否有易燃易爆物品,并及時(shí)使用火花接取器,預(yù)防火災(zāi)。在工作完畢后,要及時(shí)清理現(xiàn)場(chǎng),徹底消除火災(zāi)隱患,經(jīng)專業(yè)檢查確認(rèn)安全后,才可離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)。

        (7)在作業(yè)平臺(tái)及專用的吊欄上使用電加熱器時(shí)要及時(shí)鋪上木板,同時(shí),操作人員不能觸碰構(gòu)件,在堿性翻越時(shí),必須使用梯架進(jìn)行隔離。一般情況下,要停止加熱后再進(jìn)行焊接工作。

        [1]李玉武.低溫下鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量保證淺談[J].遼寧建材,2009(s):41~44.

        [2]邱為志,蘆廣平.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接施工研究[J].焊接技術(shù),2007(s1):25~27.

        TG457.11

        A

        1004-7344(2016)24-0226-02

        2016-8-14

        何永釗(1981-),男,廣西柳州人,中專,主要從事工程管理工作,任項(xiàng)目部副經(jīng)理。

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