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国家体育场钢结构工程低温焊接技术应用研究

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    李久林 芦广平 沈李强 曹晓春 陈才发 万里程

    摘要：国家体育场钢结构工程为进行冬季施工，组织了一次规模很大的低温焊接试验。根据试验结果制定了低温焊接规程。在整个冬季施工过程的应用中，获得了成功，不仅保证了焊缝质量而且提高了焊缝的一次合格率。本文应用部分试验资料介绍低温焊接技术开发与应用的全部过程，供同行参考。
    关键词：低温焊接 脆性断裂


    1. 课题选择
    钢结构工程中的低温焊接（冬季施工）历来是学术界、工程界共同关注的课题。尤其在北京奥运场馆钢结构施工中，引起了各方面的高度注意。这是因为冬季施工的低温环境会使焊接质量受到直接影响，控制不好会造成焊接质量的下降甚至造成安全隐患。
    钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断，其脆断机理受温度下降的速率变化而变化，其中有一定的客观规律。
    （1）低温焊接条件下，较常温比较焊缝的冷却速度加快，直接后果是t8/5下降，晶粒度随之粗大，因此冷裂纹的敏感性也相应增加。
    （2）在结构拘束度很大的前提下，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝的偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。
    （3）冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，使冷裂纹的效应增加。延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。
    （4）低温下发生脆断的可能性增加，当构件的工作温度低于材料的脆性转变温度的情况下，在拉应力和焊接残余应力共同作用下，结构的静载强度大幅度的降低，极大可能在远低于材料的σs 点的外力作用下发生脆断。
    （5）预热效果变差，相同的温度，相同的预热时间，低温下的效果远比常温差，同样也影响t8/5。
    根据以上分析，决定了低温焊接试验的基本内容。
    2. 低温焊接试验结果分析
    通过对14组试件进行低温下的焊接试验分析如下：
    2.1 试验环境温度及天气情况

    2.2 试板外观及超声检测结果分析
    按照《建筑钢结构焊接技术规程》中相关要求，对试板进行外观和UT检测。外观采用5倍放大镜检查未发现表面气孔、夹渣、未熔合、焊瘤、裂纹等缺陷，外观成型良好，余高0-3mm，全部合格。依据《钢焊接接头超声检测标准》GB/T11345-89BⅠ合格进行探伤，未发现气孔、夹渣、裂纹等超标缺陷，试板全部合格。 通过UT检测，充分说明试验采取的工艺条件即预热措施、焊后保温措施对防止焊接裂纹产生的有效性。
    2.3 试板力学性能检测结果分析
    所有试板综合力学性能检验全部合格。为了更加直观比较低温环境对焊接接头综合力学性能的影响，增加Q345GJDδ=60mm低温和常温环境焊接接头力学指标的对比。

    （1）试板拉伸试验比较分析
    根据低温焊接试验结果，对比相同材质板厚相近的焊接工艺评定试验结果如图1所示：

    如上图(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，在常温和低温环境下，试板抗拉强度全部合格，但Q345GJDδ=60mm的屈服强度常温环境比低温环境高约15Mpa。可见，在低温环境下厚板焊接接头强度有下降趋势，说明负温环境对焊接接头的屈服强度是有影响的。
    （2）试板弯曲试验结果
    试板按照弯心直径30mm，弯曲角度1800 ，试板弯曲试验全部合格。
    （3）试板冲击试验结果分析
    对试板进行取样加工，每组试板对焊缝、熔合线、热影响区三个部位分别取3个冲击试件，按照D级钢-20℃冲击功Akv≥34J的标准，进行冲击试验，试验结果全部合格。试验结果如图2所示：

    3. 低温焊接探索性试验结果初步分析
    3.1 试验项目设定
    为了直接揭示低温焊接对焊接接头性能的影响，根据常温焊接工艺评定的结果，选择焊接质量最不稳定的立焊位置，采用药芯焊丝和实芯焊丝两种，对厚板和薄板进行不预热和预热两种工艺的试验，两组探索性试验如下表所示：

    该两组试验的环境温度、焊接参数、焊后的保温措施同低温焊接的前14组试验相同。
    3.2抗拉强度试验结果分析

    通过图（3）可见，低温环境下焊接，预热措施可以明显提高焊接接头的抗拉强度，预热对焊接接头强度保证是有效的。
    3.3 侧弯试验结果分析
    试板按照弯心直径30mm，弯曲角度1800 ，进行试板侧弯试验，低温试件全部不合格。Q345D侧弯全部合格。
    根据试样分析，造成不合格的原因有：
    （1）取样的方法同标准取样方法有出入，试样过宽；
    （2）从弯曲的断面来看，起裂位置在板厚中部焊缝中心位置上，这是由于焊缝宽度较宽，坡口较大，加之未预热，使焊缝冷却加快造成焊缝中心因偏析而韧性降低所致，这就是侧弯不合格的根本原因。
    从侧弯试验结果分析，焊接前虽未正规预热，但采用火焰加热消除水气，实质上焊缝也为正温焊接，只不过同正规预热温度相差较大，致使冷却速度加快而造成不合格，可以肯定的说：低温焊接如在预热温度上控制不好，必定对焊缝综合指标产生不利影响。
    3.4 冲击试验结果分析
    根据标准试验方法取样，进行-20℃低温冲击试验，试验结果全部合格。（对比如图4、图5所示）



    硬度值全部合格，主要原因归结为：（1）焊接工艺适当，克服了低温对焊缝的不利影响，特别是紧急保温对提高焊缝和HAZ的抗裂能力起到了十分有利的作用；（2）钢种本身的淬硬倾向较小，抗裂性能良好。
    4. 结论
    根据低温焊接试验结果和初步分析，我们得出如下结论：
    （1）低温焊接试验结果告诉我们，环境温度变化对焊接质量的影响不是决定性的。改变环境温度，特别是母材本身的温度和加强后热是低温焊接成功的基本方法。
    （2）低温焊接试验结果表明，预热温度的差别会带来强度上的差别，特别是厚板焊接，低温环境影响强度指标是肯定的。所以，应充分重视环境温度的提高和准确的预热温度。
    （3）探索性试验表明，预热温度的降低或不预热必然降低焊缝的综合指标。这是因为环境温度过低加速了焊缝冷却所致。
    （4）薄板低温焊接试验结果表明，焊接热循环传导方式区别决定了薄板（20mm）受低温环境影响较厚板（60mm）小。
    （5）试验结果表明，Q345GJD钢抗裂性能良好。5. 低温焊接试验成果应用原则
    工艺试验和正式工程相比，焊缝所处的工况完全不同，照搬工艺试验的结果很可能适得其反，甚至造成后果。因为在工程实际中，低温焊接防治冷裂纹的同时，还须防范由于结构拘束度大，在冷却速度加大的前提下，焊缝中心产生偏析，在应力作用下产生的热裂纹。
    因此，在工程中应注意以下几条原则：
    （1）根据结构特点，合理编排焊接顺序，减少焊接残余应力。
    （2）钢材本身应实现正温即要采用各种不同的预热方式提高焊缝周围小环境温度，以此来保证焊缝综合指标。
    （3）正确选择预热方式。在预热温度和预热规范确定的前提下，正确选择预热方式对控制裂纹的产生有重要的意义。电加热与火焰加热相比具有明显的优势：预热区域受热均匀，有效防止局部受热造成接头附加应力；升温速度均匀、可控，防止造成母材过热等现象，可达到母材充分均匀预热；对于整体结构焊缝而言，防止受热不均造成构件变形。因此，低温焊接特别是厚板焊接优先采用电加热方式。
    （4）由于在正式结构焊接中采取刚性固定的方式，为防止由于氢和应力共同作用在焊缝根部产生延迟裂纹，对于板厚t≥40mm采取焊后紧急后热及保温缓冷措施，后热温度250~300℃；对于t＜40mm采取焊后紧急保温缓冷措施。该措施可以减缓焊缝的冷却速度，有助于扩散氢的逸出。
    （5）由于氢在焊接熔合区附近的浓度值按马氏体、贝氏体、铁素体组织的变化依次降低，在异种钢焊接时由于热影响区组织形态的不同造成了氢在熔合区附近的浓度值分布不匀，当焊缝中存在应力集中点时，含氢量大的焊缝易出现延迟裂纹。因此在异种钢焊接时应特别注意预热和后热，这是继焊材选定之后决定成败的关键因素。
    （6）控制线能量是防止焊接裂纹的有效途径。在低温施工中，SMAW焊接采用AV值控制线能量容易成功。在控制AV≥0.6的前提下，采用控制不同焊接位置的AV，实现大电流，薄焊道，多层多道的焊接技术，以提高焊缝热量，防止淬硬组织的产生。
    6．结束语
    大量焊接钢结构失效事故表明，低温是导致脆断的主要原因，特别是结构中存在着缺陷（缺口效应）则脆断效应更严重。当温度低于材料的临界转变温度时，在远小于σs的作用下，钢材的σs提高并接近于σb，出现完全无屈服的断裂。这就是我们进行低温焊接试验的根本原因。试验结果给我们带来了很多启示，为我们冬季施工提供了理论依据和操作指南。试验是完全成功的，在工程应用中也取得了优异成绩，这些将给后续工程和我们国家规程的修订提供宝贵资料。
    本次试验获得成功，是集体智慧的结晶，在此对为低温试验提供技术指导、参与低温试验的全体工作人员表示深深的谢意。
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