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國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接技術(shù)應(yīng)用研究

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    李久林 蘆廣平 沈李強(qiáng) 曹曉春 陳才發(fā) 萬里程

    摘要：國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程為進(jìn)行冬季施工，組織了一次規(guī)模很大的低溫焊接試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定了低溫焊接規(guī)程。在整個冬季施工過程的應(yīng)用中，獲得了成功，不僅保證了焊縫質(zhì)量而且提高了焊縫的一次合格率。本文應(yīng)用部分試驗(yàn)資料介紹低溫焊接技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的全部過程，供同行參考。
    關(guān)鍵詞：低溫焊接 脆性斷裂


    1. 課題選擇
    鋼結(jié)構(gòu)工程中的低溫焊接（冬季施工）歷來是學(xué)術(shù)界、工程界共同關(guān)注的課題。尤其在北京奧運(yùn)場館鋼結(jié)構(gòu)施工中，引起了各方面的高度注意。這是因?yàn)槎臼┕さ牡蜏丨h(huán)境會使焊接質(zhì)量受到直接影響，控制不好會造成焊接質(zhì)量的下降甚至造成安全隱患。
    鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷，其脆斷機(jī)理受溫度下降的速率變化而變化，其中有一定的客觀規(guī)律。
    （1）低溫焊接條件下，較常溫比較焊縫的冷卻速度加快，直接后果是t8/5下降，晶粒度隨之粗大，因此冷裂紋的敏感性也相應(yīng)增加。
    （2）在結(jié)構(gòu)拘束度很大的前提下，冷卻速度過快，極易造成焊縫金屬偏析，在較強(qiáng)的拉應(yīng)力場作用下，在焊縫的偏析處即焊縫中心部分發(fā)生結(jié)晶裂紋，是熱裂紋的一種形式。
    （3）冷裂紋的延遲效應(yīng)增加，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解度降低，冷卻的速度變快，氫透出的時間變短，因此殘留在金屬的比例增大，使冷裂紋的效應(yīng)增加。延遲效應(yīng)同殘留在金屬中的氫含量成正比。
    （4）低溫下發(fā)生脆斷的可能性增加，當(dāng)構(gòu)件的工作溫度低于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度的情況下，在拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力共同作用下，結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度大幅度的降低，極大可能在遠(yuǎn)低于材料的σs 點(diǎn)的外力作用下發(fā)生脆斷。
    （5）預(yù)熱效果變差，相同的溫度，相同的預(yù)熱時間，低溫下的效果遠(yuǎn)比常溫差，同樣也影響t8/5。
    根據(jù)以上分析，決定了低溫焊接試驗(yàn)的基本內(nèi)容。
    2. 低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果分析
    通過對14組試件進(jìn)行低溫下的焊接試驗(yàn)分析如下：
    2.1 試驗(yàn)環(huán)境溫度及天氣情況

    2.2 試板外觀及超聲檢測結(jié)果分析
    按照《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)要求，對試板進(jìn)行外觀和UT檢測。外觀采用5倍放大鏡檢查未發(fā)現(xiàn)表面氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤、裂紋等缺陷，外觀成型良好，余高0-3mm，全部合格。依據(jù)《鋼焊接接頭超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)》GB/T11345-89BⅠ合格進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等超標(biāo)缺陷，試板全部合格。 通過UT檢測，充分說明試驗(yàn)采取的工藝條件即預(yù)熱措施、焊后保溫措施對防止焊接裂紋產(chǎn)生的有效性。
    2.3 試板力學(xué)性能檢測結(jié)果分析
    所有試板綜合力學(xué)性能檢驗(yàn)全部合格。為了更加直觀比較低溫環(huán)境對焊接接頭綜合力學(xué)性能的影響，增加Q345GJDδ=60mm低溫和常溫環(huán)境焊接接頭力學(xué)指標(biāo)的對比。

    （1）試板拉伸試驗(yàn)比較分析
    根據(jù)低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果，對比相同材質(zhì)板厚相近的焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

    如上圖(1)所示，在相同的焊接位置、采用相同的焊接方法和相同的焊接材料，在常溫和低溫環(huán)境下，試板抗拉強(qiáng)度全部合格，但Q345GJDδ=60mm的屈服強(qiáng)度常溫環(huán)境比低溫環(huán)境高約15Mpa?？梢?，在低溫環(huán)境下厚板焊接接頭強(qiáng)度有下降趨勢，說明負(fù)溫環(huán)境對焊接接頭的屈服強(qiáng)度是有影響的。
    （2）試板彎曲試驗(yàn)結(jié)果
    試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，試板彎曲試驗(yàn)全部合格。
    （3）試板沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析
    對試板進(jìn)行取樣加工，每組試板對焊縫、熔合線、熱影響區(qū)三個部位分別取3個沖擊試件，按照D級鋼-20℃沖擊功Akv≥34J的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

    3. 低溫焊接探索性試驗(yàn)結(jié)果初步分析
    3.1 試驗(yàn)項目設(shè)定
    為了直接揭示低溫焊接對焊接接頭性能的影響，根據(jù)常溫焊接工藝評定的結(jié)果，選擇焊接質(zhì)量最不穩(wěn)定的立焊位置，采用藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲兩種，對厚板和薄板進(jìn)行不預(yù)熱和預(yù)熱兩種工藝的試驗(yàn)，兩組探索性試驗(yàn)如下表所示：

    該兩組試驗(yàn)的環(huán)境溫度、焊接參數(shù)、焊后的保溫措施同低溫焊接的前14組試驗(yàn)相同。
    3.2抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

    通過圖（3）可見，低溫環(huán)境下焊接，預(yù)熱措施可以明顯提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，預(yù)熱對焊接接頭強(qiáng)度保證是有效的。
    3.3 側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果分析
    試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，進(jìn)行試板側(cè)彎試驗(yàn)，低溫試件全部不合格。Q345D側(cè)彎全部合格。
    根據(jù)試樣分析，造成不合格的原因有：
    （1）取樣的方法同標(biāo)準(zhǔn)取樣方法有出入，試樣過寬；
    （2）從彎曲的斷面來看，起裂位置在板厚中部焊縫中心位置上，這是由于焊縫寬度較寬，坡口較大，加之未預(yù)熱，使焊縫冷卻加快造成焊縫中心因偏析而韌性降低所致，這就是側(cè)彎不合格的根本原因。
    從側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果分析，焊接前雖未正規(guī)預(yù)熱，但采用火焰加熱消除水氣，實(shí)質(zhì)上焊縫也為正溫焊接，只不過同正規(guī)預(yù)熱溫度相差較大，致使冷卻速度加快而造成不合格，可以肯定的說：低溫焊接如在預(yù)熱溫度上控制不好，必定對焊縫綜合指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。
    3.4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析
    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法取樣，進(jìn)行-20℃低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。（對比如圖4、圖5所示）



    硬度值全部合格，主要原因歸結(jié)為：（1）焊接工藝適當(dāng)，克服了低溫對焊縫的不利影響，特別是緊急保溫對提高焊縫和HAZ的抗裂能力起到了十分有利的作用；（2）鋼種本身的淬硬傾向較小，抗裂性能良好。
    4. 結(jié)論
    根據(jù)低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果和初步分析，我們得出如下結(jié)論：
    （1）低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果告訴我們，環(huán)境溫度變化對焊接質(zhì)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(qiáng)后熱是低溫焊接成功的基本方法。
    （2）低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)熱溫度的差別會帶來強(qiáng)度上的差別，特別是厚板焊接，低溫環(huán)境影響強(qiáng)度指標(biāo)是肯定的。所以，應(yīng)充分重視環(huán)境溫度的提高和準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度。
    （3）探索性試驗(yàn)表明，預(yù)熱溫度的降低或不預(yù)熱必然降低焊縫的綜合指標(biāo)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度過低加速了焊縫冷卻所致。
    （4）薄板低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接熱循環(huán)傳導(dǎo)方式區(qū)別決定了薄板（20mm）受低溫環(huán)境影響較厚板（60mm）小。
    （5）試驗(yàn)結(jié)果表明，Q345GJD鋼抗裂性能良好。5. 低溫焊接試驗(yàn)成果應(yīng)用原則
    工藝試驗(yàn)和正式工程相比，焊縫所處的工況完全不同，照搬工藝試驗(yàn)的結(jié)果很可能適得其反，甚至造成后果。因?yàn)樵诠こ虒?shí)際中，低溫焊接防治冷裂紋的同時，還須防范由于結(jié)構(gòu)拘束度大，在冷卻速度加大的前提下，焊縫中心產(chǎn)生偏析，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的熱裂紋。
    因此，在工程中應(yīng)注意以下幾條原則：
    （1）根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理編排焊接順序，減少焊接殘余應(yīng)力。
    （2）鋼材本身應(yīng)實(shí)現(xiàn)正溫即要采用各種不同的預(yù)熱方式提高焊縫周圍小環(huán)境溫度，以此來保證焊縫綜合指標(biāo)。
    （3）正確選擇預(yù)熱方式。在預(yù)熱溫度和預(yù)熱規(guī)范確定的前提下，正確選擇預(yù)熱方式對控制裂紋的產(chǎn)生有重要的意義。電加熱與火焰加熱相比具有明顯的優(yōu)勢：預(yù)熱區(qū)域受熱均勻，有效防止局部受熱造成接頭附加應(yīng)力；升溫速度均勻、可控，防止造成母材過熱等現(xiàn)象，可達(dá)到母材充分均勻預(yù)熱；對于整體結(jié)構(gòu)焊縫而言，防止受熱不均造成構(gòu)件變形。因此，低溫焊接特別是厚板焊接優(yōu)先采用電加熱方式。
    （4）由于在正式結(jié)構(gòu)焊接中采取剛性固定的方式，為防止由于氫和應(yīng)力共同作用在焊縫根部產(chǎn)生延遲裂紋，對于板厚t≥40mm采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施，后熱溫度250~300℃；對于t＜40mm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(kuò)散氫的逸出。
    （5）由于氫在焊接熔合區(qū)附近的濃度值按馬氏體、貝氏體、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)附近的濃度值分布不勻，當(dāng)焊縫中存在應(yīng)力集中點(diǎn)時，含氫量大的焊縫易出現(xiàn)延遲裂紋。因此在異種鋼焊接時應(yīng)特別注意預(yù)熱和后熱，這是繼焊材選定之后決定成敗的關(guān)鍵因素。
    （6）控制線能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值控制線能量容易成功。在控制AV≥0.6的前提下，采用控制不同焊接位置的AV，實(shí)現(xiàn)大電流，薄焊道，多層多道的焊接技術(shù)，以提高焊縫熱量，防止淬硬組織的產(chǎn)生。
    6．結(jié)束語
    大量焊接鋼結(jié)構(gòu)失效事故表明，低溫是導(dǎo)致脆斷的主要原因，特別是結(jié)構(gòu)中存在著缺陷（缺口效應(yīng)）則脆斷效應(yīng)更嚴(yán)重。當(dāng)溫度低于材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度時，在遠(yuǎn)小于σs的作用下，鋼材的σs提高并接近于σb，出現(xiàn)完全無屈服的斷裂。這就是我們進(jìn)行低溫焊接試驗(yàn)的根本原因。試驗(yàn)結(jié)果給我們帶來了很多啟示，為我們冬季施工提供了理論依據(jù)和操作指南。試驗(yàn)是完全成功的，在工程應(yīng)用中也取得了優(yōu)異成績，這些將給后續(xù)工程和我們國家規(guī)程的修訂提供寶貴資料。
    本次試驗(yàn)獲得成功，是集體智慧的結(jié)晶，在此對為低溫試驗(yàn)提供技術(shù)指導(dǎo)、參與低溫試驗(yàn)的全體工作人員表示深深的謝意。
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