鋼結構工程冬季低溫焊接技術的應用分析

何永釗

（十一冶建設集團有限責任公司 廣西柳州 545007）

鋼結構工程冬季低溫焊接技術的應用分析

何永釗

（十一冶建設集團有限責任公司 廣西柳州 545007）

鋼結構工程在目前的建筑工程的結構設計中應用逐步廣泛，焊接施工也逐步被需要。但有時受到工期的約束，冬季施工的情況不可避免，由于氣溫較低，焊接的技術、質量都受到影響，因此，低溫焊接技術應當進行研討。本文在分析冬季施工影響的技術上，對低溫焊接施工技術做出了應用分析。

鋼結構工程；冬季施工；低溫焊接

1 引言

由于氣溫較低，冬季施工時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量是亟待解決的問題。在目前我國冬季施工的案例中，國家體育場是一次成功的典范，是一次對冬季低溫焊接技術的成功探索。目前所研究出的低溫焊接技術已經基本滿足了冬季施工的條件，對于我國北方地區的冬季施工項目有著重大意義。

2 鋼結構工程冬季施工的不利條件

2.1 焊接接頭脆性斷裂

焊接接頭出現脆性斷裂是最常見也是危害性最高的不利情況，其釀成的后果不可估量，在沒有明顯的塑性變形的情況下，應力不高于設計應力時發生的。斷裂面較為平整，且具備金屬光澤。目前影響斷裂的應力因素主要有三種，即應力狀態、溫度以及材料。

2.1.1 應力狀態

在單軸式及雙軸式的拉應力下，材料呈現塑性；但是在三向應力下，材料不會發生塑性變形，反而呈現脆性。在實際中，由于設計結構不當、工藝不佳，在幾何不連續的狀態下會出現局部三軸狀態的缺口效應。因此，發生脆性斷裂一般都是由于缺口處的應力集中較為嚴重。

2.1.2 溫度

雖然發生脆性斷裂的缺口一致，但在不同的溫度條件下，其破壞的形式也會發生變化，由燕興破壞轉變成為脆性破壞。當溫度繼續降低，降至某一臨界點，則會出現塑性至脆性的變化，這個臨界點的溫度就被稱之為脆性轉變溫度。因此可以得出結論，脆性轉變溫度越高，說明該結構的脆性傾向越嚴重。

2.1.3 材料狀態

材料狀態的影響因素包括化學成分、材料厚度以及晶粒度。

（1）化學成分

鋼中含有的碳、鎳、氧、氫、硫、磷等元素會增加鋼的脆性，因此，在鋼中添加適量的錳等元素會適當的減少鋼的脆性。

（2）材料厚度

材料在斷口處易產生三向應力，由此使材料的脆性增加。經實驗研究不同材料板厚度的不同應力狀態對脆性破壞的影響，表明40mm長的缺口的材料板在應力為σs/2的情況下，脆性轉變溫度隨材料板的厚度逐步上升；當厚度高于30mm時，脆性轉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，對于這種材料類型，其晶粒度越細，材料的脆性轉變溫度就會越低。

2.2 出現淬硬組織

在冬季施工時的低溫焊接技術下，在進行焊接的接縫冷卻速度要更快，其產生的結果就是影響二次結晶的參數t8/5出現下降，隨后出現淬硬組織，鋼材料的硬度不斷增加，從而導致冷裂紋的敏感度隨之增加。

2.3 出現結晶裂紋

以結構約束為前提，低溫焊接的接縫處冷卻速度較快，接縫處的一次結晶的區域偏析增加。因此，再在較強的應力作用下，接縫中心就會出現結晶裂紋。

2.4 預熱效果變差

在相同的預熱時間的條件下，低溫的環境其預熱效果會較差。

3 低溫焊接技術特點

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

（2）低溫焊接技術必須采用準確的預熱溫度及層間溫度。由于預熱溫度會直接影響強度，尤其是較為厚的鋼材。預熱溫度不能達標或不及時控制準確的層間溫度會降低焊接縫隙處的強度。

（3）低溫焊接必須采用具備優良抗裂性能的焊接材料。低溫焊接易出現冷裂紋及熱裂紋，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快，必須采取保溫緩冷及后熱等升溫措施，從而降低裂紋發生的概率。

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

4 低溫焊接技術工藝流程

圖1 低溫焊接技術工藝流程圖

5 低溫焊接技術的評價

5.1 焊接材料

應充分根據鋼結構工程低溫焊接技術的材料的情況，并結合施工單位所擁有的低溫焊接的經驗，根據《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002），其對低溫焊接的技術作出了相關要求，從而確定了焊接材料的各項指標及規格。

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強韌度的要求，不斷調整焊接縫隙處的金屬微合金化的程度，從而與焊接規范相配合，然后是焊接縫隙處的金屬出現針狀鐵素體，最終強化焊接縫隙處的強度，從而確保焊接質量，提高工程整體質量。

5.3 環境溫度設定

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

5.4 預熱參數確定

根據相關理論，冬季低溫焊接技術施工的重點就是要防止出現冷裂紋、熱裂紋。而其中，防止冷裂紋出現的有效措施就是充分預熱，主要目的就是增加了熱循環的低溫參數t100，從而使氫可以充分的擴散并且溢出。而預熱溫度的確定因素主要有鋼材的強度等級、焊件的厚度或坡口形式、焊接縫隙金屬中的擴散氫含量及進行施工的環境溫度等。雖然預熱很重要，但如果預熱溫度過高，會產生不利的局部預熱的情況，從而產生附加的應力，催生出冷裂紋。同時，板狀鐵素體也由此形成。因此，預熱的溫度需要在適當的溫度區間之內，并不是越高越有利。根據《建筑鋼結構焊接技術規程》，其中對于鋼材有了最低預熱溫度的規定，最低預熱溫度為80℃。

5.5 焊接工藝參數設定

冷卻條件的變化會影響著相變，同時也會影響氫的擴散溢出以及焊接應力的變化。因此可以得出，焊接的相變特征與焊接出現的冷裂紋及熱裂紋之間有著千絲萬縷的關系。鋼材的化學成分以及焊接技術的冷卻條件決定著焊接技術熱影響區的組織，而熱影響區所產生的冷裂紋主要存在于馬氏體內部，在低溫條件下，焊接縫隙的冷卻速度過快就會導致馬氏體組織的產生。因此，為了防止馬氏體產生，要充分控制冷卻的速度，也會防止冷裂紋的產生。低溫焊接的工藝參數確定原則需要根據經驗公式進行計算。

5.6 焊接后處理措施

由于氫的液態、固態的溶解度不同，在結晶溫度的條件下，液態氫的溶解量是固態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，氫就會沿著這種通道，隨著焊接縫隙至熔合區域至熱影響區的路線進行不斷的擴散。相關的研究學者采取了錄像的方式進行觀察，拍攝到了氫的溢出動態瞬間，由此深入的研究了焊接區域的氫的微觀分布。通過這種研究，我們發現，在焊接后的10min時，氫氣以氣泡的形式大量溢出；焊接后的60min時，在熔合區已經聚集了大量的氫，尤其使在焊接縫隙的根部熔合區。

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

6 安全措施

（1）操作人員在進行低溫焊接之前，必須準備個人防寒物品以保證人身安全。防寒物品主要有棉鞋、護膝、手套、帽子等物品，還要保證個人體質能夠長時間御寒。

（2）縮短操作人員的工作時間，防止其長時間暴露在低溫環境中，保存操作人員的體力。

（3）在進行低溫焊接時，應設立專業的監護人員，對焊接工作的進度進行及時的監控和盤對，并采取相應的措施來保證低溫焊接工作能夠順利進行，工作人員能夠足夠安全。

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

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

（6）在焊接的工作環境上必須有防火的措施，避免由于焊接產生的火花飛濺而引起明火。在進行氣割。電焊時，應先觀察附近是否有易燃易爆物品，并及時使用火花接取器，預防火災。在工作完畢后，要及時清理現場，徹底消除火災隱患，經專業檢查確認安全后，才可離開現場。

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

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

[2]邱為志，蘆廣平.建筑鋼結構工程低溫焊接施工研究[J].焊接技術，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，任項目部副經理。