低溫條件下的鋼箱梁焊接技術(shù)

（中交四公局第一工程有限公司，北京 100020）

一、概述

低溫焊接是我國北方地區(qū)開展鋼結(jié)構(gòu)施工無法回避的問題。在溫度較低的環(huán)境下進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接接頭容易產(chǎn)生淬硬組織，焊縫內(nèi)部的擴散氫也容易滯留，繼而使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冷裂紋，影響焊接施工的整體質(zhì)量。目前，國內(nèi)外規(guī)范對焊接施工臨界溫度并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)時只能根據(jù)實際情況做出符合客觀情況的正確決策。

本文對北部地區(qū)某大橋鋼箱梁進(jìn)行了研究分析，該大橋采用的是Q345E型鋼材，研究中通過設(shè)計制作不同溫度條件下的實驗板材，再對實驗板材焊接接頭的化學(xué)成分以及硬度、低溫沖擊等力學(xué)性能進(jìn)行分析，最后通過對比實驗結(jié)論得出更適合低溫條件的焊接措施，有效保障了低溫條件下的鋼箱梁焊接質(zhì)量，同時為北方地區(qū)同類型焊接操作提供了參考。

二、實驗方法

本研究的實驗材料為Q345E型鋼材，厚度分別為12毫米、14毫米、16毫米、20毫米和30毫米，實驗溫度條件分三個區(qū)間：-15℃至-5℃、-5℃至5℃、5℃以上。本次實驗選取的42組板材厚度均控制在20厘米，長度均為60厘米，以確保焊接接頭冷卻的速度不受影響。實驗采用無拘束對接焊的方式，各板材的焊接坡口形式、施焊位置等如表1所示。

表1.各實驗板材焊接方法

三、實驗結(jié)果

對42組實驗板材進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，板材表面均未出現(xiàn)裂紋，焊接接頭的熔合情況符合理想效果。隨后，分析42組實驗板材的硬度、低溫沖擊等力學(xué)性能，總結(jié)不同溫度條件及保護(hù)措施對上述參數(shù)的影響。

（一）化學(xué)成分分析

實驗板材全部采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和埋弧自動焊蓋面結(jié)合的方法焊接，表2為不同焊接方法的焊接材料及各項參數(shù)對比。

表2.焊接材料及參數(shù)

在實驗開始前，對鋼材料進(jìn)行出廠品質(zhì)校驗，GFL-71N i型鋼材采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的方法焊接，CJQ-1+SJ103M型鋼材采用埋弧焊蓋面的方法焊接。表3為不同焊接材料的化學(xué)成分出廠參數(shù)報告。

表3.焊材化學(xué)成分出廠報告

對比42組實驗板材與不同金屬焊接后的元素含量發(fā)現(xiàn)，不同實驗板材中的金屬元素含量都較為穩(wěn)定，實驗板材焊縫金屬碳、錳、硅、硫、磷、鎳的含量依次為：0.06%、0.49%、1.46%、0.014%、0.005%、0.34%，各元素的含量與規(guī)范要求差異較小。

（二）表面硬度

除30毫米厚的實驗板材外，分別在12毫米、14毫米、16毫米、20毫米的實驗板材接頭橫斷面的上下緣以及從焊縫區(qū)至熱影響區(qū)的不同部分挑選38個點進(jìn)行表面維氏硬度的測量。實驗板材上緣至下緣的硬度測量數(shù)值在分布上是相同的，但焊縫區(qū)、熔合區(qū)的硬度值則要略高于熱影響區(qū)。通過對比不同組別的實驗板材硬度值分布后發(fā)現(xiàn)，從整體上看，其分布規(guī)律是一致的，但如果處于不同的溫度條件，則會出現(xiàn)差異。預(yù)熱溫度對板材表面硬度的最小值與平均值影響較小，但在預(yù)熱溫度逐步提升后，板材的表面硬度最大值會呈現(xiàn)下降趨勢，這說明提高預(yù)熱溫度能有效降低低溫條件下焊接接頭的淬硬度。

（三）力學(xué)性能

結(jié)合國內(nèi)的相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，本文對不同組別的實驗板材分別進(jìn)行了接頭及焊縫金屬的力學(xué)性能檢驗，主要包括拉伸、側(cè)彎以及低溫沖擊等實驗。實驗結(jié)果表明，42組實驗板材的接頭在抗拉強度、側(cè)彎方面的指標(biāo)都可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊縫金屬在屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等方面的表現(xiàn)強于Q345E型鋼材的力學(xué)性能。焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域在沖擊吸收能量的數(shù)值方面均能夠達(dá)標(biāo)，但熱影響區(qū)域中有極少數(shù)數(shù)據(jù)值是偏低的，不排除該區(qū)域有局部焊接不達(dá)標(biāo)的可能性。

四、低溫焊接工藝措施

本文通過實驗研究，得出了幾點提升低溫條件下鋼箱梁焊接技術(shù)工藝的策略。

（一）搭設(shè)防風(fēng)保溫棚

在焊接作業(yè)的各區(qū)域搭建具有防風(fēng)保溫功能的棚帳，即在鋼箱梁下部搭設(shè)木跳板或者腳手架，并在兩側(cè)和底部包裹10厘米厚的巖棉氈，以起到保溫作用。

（二）采用電加熱設(shè)備預(yù)熱

在正式焊接前，用電加熱設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱處理，條件不允許的情況下，也可以用火焰加熱，防止處于低溫環(huán)境下的鋼材焊接接頭因淬硬度降低而出現(xiàn)裂紋。

（三）合理控制層間溫度

一般情況下，可將層間溫度維持在20～150℃，要求預(yù)熱溫度高于層間溫度，并以250℃為溫度上限。盡量一次性完成接頭的焊接工作，然后再重新加熱焊縫，此時的加熱溫度應(yīng)比焊接前的預(yù)熱溫度提高20～30℃左右。待焊接作業(yè)完成后，要立刻用巖棉將焊接接頭包裹好做保溫處理。

（四）合理規(guī)劃施工場地

合理規(guī)劃施工場地，避免各類材料亂堆亂放。在拼接結(jié)構(gòu)部件時，避免強硬操作。在組裝結(jié)構(gòu)部件時，要對所有焊縫的組裝公差進(jìn)行合理調(diào)整，使其分布均勻。除此以外，還需要施工人員嚴(yán)格按照焊接要求規(guī)范操作，以保障焊接的整體質(zhì)量。

五、結(jié)語

本文對不同厚度的板材在不同溫度下的接試情況進(jìn)行了實驗對比，還對低溫焊接下板材的各項力學(xué)性能進(jìn)行了梳理總結(jié)，為改善低溫條件下鋼箱梁的焊接工藝提供了有效數(shù)據(jù)支撐。此外，還分享了低溫條件下開展鋼箱梁焊接施工的要點，為同類型施工提供了參考借鑒。