建筑鋼結構高強鋼高效焊接技術

張發榮

建筑鋼結構高強鋼高效焊接技術

張發榮

1. 高強鋼焊接特點與難點

目前我國的高層、超高層鋼結構、大型場館轉換結構、大跨度承接結構以及抗震烈度較高的鋼結構建筑中，高強鋼的應用較為普遍。尤其在高層和超高層建筑的避難層結構中，高強鋼的應用較為廣泛，此外，其鋼材的焊接性要求比普通低合金鋼高。

在高強鋼的焊接應用過程中，需面臨和克服的焊接技術難點主要有：

（1）高強鋼的焊接性影響 ①焊接過程中粗晶區的脆化。在焊接接頭中，晶粒脆化對接頭的性能影響較大，因此，重點防治接頭中臨界熱影響區脆化、多層焊時臨界粗晶熱影響區脆化、過臨界粗晶熱影響區脆化及亞臨界粗晶熱影響區脆化極為重要。②熱影響區晶粒長大傾向。對于高強鋼而言，焊接時焊接熱影響區會出現嚴重的晶粒長大傾向，此類問題不僅會造成焊接熱影響區組織的脆化，同時還會造成熱影響區組織的軟化，對焊接結構不利。

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

2. 高強鋼高效焊接對焊接材料的需求

雖然相對于低合金鋼而言，高強鋼在使用結構上突顯出了諸

多優勢，但在焊接材料使用上卻較低合金鋼要求更為苛刻。高強鋼在焊接材料上基本上選用ER50級和ER55級焊接材料，對于強度級別更高的高強鋼，其焊材在符合強度配比的情況下，選用的強度配比隨之加強。如：在屈強比≥0.85的高強鋼的焊接中，為防止抗拉強度＞800MPa的調質鋼焊接冷裂紋，要采取相應的預熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料，由于鋼材和焊材研究進程不同步，抗拉強度在800MPa以上的鋼種，不得考慮選擇低強匹配的焊材。

對于今后高強鋼焊接材料的研發，主題思想為高強鋼焊縫金屬合金化，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. 高強鋼自動化焊接技術的應用與發展

目前由于我國建筑鋼結構產品結構的多樣化，除集成化鋼結構建筑外，國內鋼結構建筑尚未達到構件單一化的標準，大部分企業都呈現出以人力生產為主的局面。但根據行業的發展前景和市場的迫切需求，符合行業市場化和自動化的機器將會逐步取代人進行生產操作。

根據建筑鋼結構的發展趨勢，可以預言：高強鋼的出現，鋼結構行業大規模使用機器人自動焊將勢在必行。機器人對各種設備、人員素質及科技成果的開發與應用（含焊接工藝）都提出了很高要求。在高強鋼焊接中，保證電弧電壓（或焊接熱輸入）的穩定，機器人自動焊完全可以排除人為因素的干擾，最大程度地實現電弧電壓的穩定，從而保證高強鋼焊接質量（見圖1、圖2）。這對鋼結構行業來說，無疑是一場技術革命，也必將大幅度地推動焊接技術進步。此外，實現高強鋼的自動化焊接，無疑對焊接生產信息化提出了更高的需求。不僅對焊接操作人員技能水平、職業素質等方面提出了要求，而且對焊接技術人員在工藝規劃（WCAPP）、焊接生產施工管理、焊接生產質量管理以及焊接專家系統支持等方面也提出了更高的要求。

4. 高強鋼的切割技術的發展現狀

目前建筑鋼結構的制造加工中，下料切割工藝中常采用的切割技術有以下幾種：

（1）水噴射切割（或等離子水霧切割） 這種技術是采用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，故避免了一次熱循環；這種技術適合中、薄板高強鋼的下料切割，國內也有專業的生產廠家，且技術已比較成熟。

圖1 建筑鋼結構直角彎焊接試驗

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，國內外大量采用。

（3）機械加工 幾乎沒有熱影響區，但切割的長度和厚度有一定的限制，使用性有限制，對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械磨除切割面淬硬層，可以減少下料切割工序熱循環的影響，但受人的干擾因素大，質量問題時有發生。在我國的大部分鋼結構制造加工廠采用機械加工和火焰（或等離子）切割技術，不僅成本較為經濟，效率也比較高。

對于目前國內在建筑鋼結構方面的發展，水噴射（或等離子水霧切割）切割技術也是一種不錯的加工方法，不但效率較高，切割質量穩定，切割口完全沒有熱影響區，而且切割金屬粉塵通過水注全部沉降到水域中，對空氣污染程度也較小。

針對高強鋼的切割技術，本人認為將來應該從減少材料的熱循環方面入手。由于焊接是多次進行相同或者相似的熱循環，因此熱循環次數越多，微合金元素燒損也就越嚴重，這對焊接是一個不利的因素。對切割口沒有熱影響區的切割技術是減少熱循環的有利方式，也是市場的迫切需求。

張發榮，湖北精工鋼結構有限公司。