歐標S460N正火鋼焊接工藝研究及其應用

孫海港，梁科峰

精工鋼結構（上海）有限公司 上海 201199

1 序言

阿爾及利亞杜維拉體育場是一個能容納4萬人的多功能體育場，主要用于組織國家級賽事。體育場平面投影呈橢圓形，長軸跨度240m，短軸跨度200m，總建筑面積29800m2。杜維拉體育場屋蓋鋼結構共計4049t，鋼結構屋蓋沿著體育場周圍看臺布置，為空間管桁架體系，由30榀倒三角懸臂主桁架及之間的次桁架組成。主桁架總長度52.5m，最大懸挑長度38.1m。主桁架通過30組四叉柱支撐在混凝土梁上，四叉柱與主桁架通過抗震鉸支座相連接，在每榀主桁架尾部設有2根搖擺柱，拉結在混凝土斜梁頂端（見圖1）。

圖1 四叉柱所處位置

四叉柱的圓管規格為φ500mm×40mm，材質等級為S460NH，執行標準為EN 10210：2019《非合金鋼和細晶粒鋼熱軋結構空心型材》；30mm、40m m厚鋼板材質等級S460N，執行標準為E N 10025-3：2019《熱軋結構鋼產品-第3部分：正火/正火軋制可焊細晶粒結構鋼的交貨技術條件》，屈服強度為440MPa，抗拉強度為540～720MPa，-20℃的沖擊吸收能量要求為40J。

銷軸連接節點與四叉柱焊接連接，以滿足工程要求。因為S460N鋼碳當量達到0.48%，所以大于標準值0.45%，碳當量越高，則淬硬和冷裂紋傾向越大，焊接性就越差[1，2]，從而影響結構安全。采用φ1.2mm的實芯焊絲CO2氣體保護焊、藥芯焊絲CO2氣體保護焊進行試驗，以滿足本工程要求。

2 焊接工藝研究

2.1 項目焊接工藝評定任務分析和擬定

結合本項目S460N鋼的截面范圍，為了保證此次焊接工藝評定能覆蓋該項目所有S460N鋼的焊接，特制定以下工藝評定任務（見表1），焊接材料選用φ1.2mm的品牌1。

表1 杜維拉體育場焊接工藝評定任務

采用φ1.2 mm的藥芯焊絲（焊接方法為136），型號為ISO 17632-A-T46 3 1Ni PC1H10，牌號為CHT81Ni1，保護氣體采用CO2，碳當量為0.49%。熔覆金屬屈服強度≥460MPa，抗拉強度為530～680M P a，伸長率≥20%，-20℃沖擊吸收能量≥47J。

2.2 坡口形式及試件制備

根據工廠焊接實踐經驗，管-管對接、板-板對接均選用帶襯墊單邊35°坡口焊縫，以降低焊接難度，增加焊縫一次無損檢測合格率。因為項目大多數腹桿與弦桿角度＞38°，所以支管連接二面角角度采用38°。

2.3 鋼材的理化性能

鋼板所用材質為S460N（H）（后綴H是空心型材的意思），屬于正火軋制鋼，其化學成分和力學性能分別見表2、表3。

表2 S460N（H）鋼的化學成分（質量分數） （%）

表3 S460N（H）鋼的力學性能

碳當量CE＝0.4%～0.6%，鋼材易于淬硬，焊接時需要預熱才能防止冷裂紋[3]。P、S雜質的含量很低，不易產生熱裂紋。焊接時主要問題是必須避免產生冷裂紋，確保焊接接頭的低溫沖擊性能。因此，焊接時必須控制熱輸入 。

2.4 焊接材料的選擇

S460N鋼在選擇焊接材料時主要是為了匹配沖擊性能的要求，結合中國焊接材料廠家的實際情況，采用“等強匹配”原則選用φ1.2mm的實芯焊絲（135），型號為ISO 14341-A-G 46 4 C1 Z，牌號為CHW-60C1，保護氣體采用CO2。根據歐標碳當量的計算公式CE ＝[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]×100%，CHW60C1的碳當量為0.41%。熔覆金屬屈服強度≥470MPa，抗拉強度為530～680MPa，伸長率≥20%，-20℃沖擊吸收能量≥47J。

2.5 圓管對接焊接參數

圓管對接焊接參數見表4。當環境溫度＜5℃時，焊后用保溫棉對焊縫進行保溫。

表4 圓管對接焊接參數

3 試件檢測方案和檢測結果

3.1 試件檢測方案

根據BS EN ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規程及評定- 焊接工藝評定試驗-第1部分：鋼的電弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的電弧焊》的規定，全熔透對接工藝評定的焊縫需要進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和宏觀腐蝕等破壞性試驗[4]。試件取樣按照BS EN ISO 15614-1：2017規定進行。

3.2 檢測結果

杜維拉體育場項目焊接工藝評定試驗，根據BS EN ISO 15614-1：2017進行各項無損檢測和破壞性試驗，結果見表5。部分試驗金相顯微組織如圖2所示。

表5 試件檢測結果

圖2 部分試驗金相顯微組織

由表5可知，杜維拉體育場項目的8項焊接工藝評定（ADS-01～ADS-08）中，各項試件檢測結果均符合試驗標準要求，只是ADS-01、ADS-04有出現斷裂在焊縫上的情況，其余均斷在母材上，各項試驗均符合BS EN ISO 15614-1：2017的評定要求，可據此編寫焊接工藝評定及焊接工藝規程。

由圖2可看出，不管是對接還是支管連接，實際焊縫的鈍角區和直角過度區（趾部、側部、過渡區）均達到了全熔透，高于本項目要求的半熔透（熔深＝支管厚度-3mm）加角焊縫的要求。

4 研究結果與應用

（1）本研究完全覆蓋杜維拉體育場項目S460N鋼各焊接接頭形式的焊縫 根據焊接評定試驗完全覆蓋項目S460N鋼的焊接接頭形式，包括20～80mm的板板對接；管徑＞φ188.5mm、管壁厚度＞8mm、焊縫間隙達30m m的管-管對接，以及支管管徑＞φ216mm、支管厚度10～40mm的支管連接，據此編制了焊接工藝規程，成功應用于杜維拉體育場工程中，對同等級材料的工藝評定具有參考借鑒意義。

（2）杜維拉體育場項目工藝評定的可優化項點

1）因為焊接工藝評定時，選取的支管與主管的夾角為38°，根據BS EN ISO 15614：2017標準，只能覆蓋支管連接焊縫支管與主管夾角＞38°的情況，不涉及支管連接角度＜38°的情況。

2）因為該項目中，S460N鋼大部分分布在距地面高度6m范圍以內，CO2氣體保護焊的設備均方便可達，故未考慮焊條電弧焊。如果后續項目中存在距地面高度＞10m的情況，只需攜帶焊把線及焊條即可靈活操作的焊條電弧焊可能是較好的選擇。

3）采用品牌1的CHW-S9埋弧焊焊接效率能達到CO2氣體保護焊的3～5倍，即使在價格稍高于CO2氣體保護焊的情況下，提高的工效可以覆蓋人工工時的成本，能采用時應是最優選擇。因為本項目S460N鋼大多用于桁架節點部位，埋弧焊無法施展開來，故實際構件焊接工作中未采用。

4）支管連接的全熔透焊縫，由于對焊工技能要求高，且大量的無損檢測等待時間影響加工工效，這些都直接影響成本，因此只有對質量要求苛刻、成本不敏感的項目，可采用氬氣或氬氣+CO2氣體混合保護的實芯熔化極電弧焊打底，實芯焊絲CO2氣體保護焊填充的情況下，才可能做到鈍角區和直角過渡區（趾部、側部、過渡區）的全熔透。