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國家體育場鋼結構工程低溫焊接技術應用研究

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    李久林 蘆廣平 沈李強 曹曉春 陳才發 萬里程

    摘要：國家體育場鋼結構工程為進行冬季施工，組織了一次規模很大的低溫焊接試驗。根據試驗結果制定了低溫焊接規程。在整個冬季施工過程的應用中，獲得了成功，不僅保證了焊縫質量而且提高了焊縫的一次合格率。本文應用部分試驗資料介紹低溫焊接技術開發與應用的全部過程，供同行參考。
    關鍵詞：低溫焊接 脆性斷裂


    1. 課題選擇
    鋼結構工程中的低溫焊接（冬季施工）歷來是學術界、工程界共同關注的課題。尤其在北京奧運場館鋼結構施工中，引起了各方面的高度注意。這是因為冬季施工的低溫環境會使焊接質量受到直接影響，控制不好會造成焊接質量的下降甚至造成安全隱患。
    鋼結構低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是出現裂紋和工作狀態下發生脆斷，其脆斷機理受溫度下降的速率變化而變化，其中有一定的客觀規律。
    （1）低溫焊接條件下，較常溫比較焊縫的冷卻速度加快，直接后果是t8/5下降，晶粒度隨之粗大，因此冷裂紋的敏感性也相應增加。
    （2）在結構拘束度很大的前提下，冷卻速度過快，極易造成焊縫金屬偏析，在較強的拉應力場作用下，在焊縫的偏析處即焊縫中心部分發生結晶裂紋，是熱裂紋的一種形式。
    （3）冷裂紋的延遲效應增加，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解度降低，冷卻的速度變快，氫透出的時間變短，因此殘留在金屬的比例增大，使冷裂紋的效應增加。延遲效應同殘留在金屬中的氫含量成正比。
    （4）低溫下發生脆斷的可能性增加，當構件的工作溫度低于材料的脆性轉變溫度的情況下，在拉應力和焊接殘余應力共同作用下，結構的靜載強度大幅度的降低，極大可能在遠低于材料的σs 點的外力作用下發生脆斷。
    （5）預熱效果變差，相同的溫度，相同的預熱時間，低溫下的效果遠比常溫差，同樣也影響t8/5。
    根據以上分析，決定了低溫焊接試驗的基本內容。
    2. 低溫焊接試驗結果分析
    通過對14組試件進行低溫下的焊接試驗分析如下：
    2.1 試驗環境溫度及天氣情況

    2.2 試板外觀及超聲檢測結果分析
    按照《建筑鋼結構焊接技術規程》中相關要求，對試板進行外觀和UT檢測。外觀采用5倍放大鏡檢查未發現表面氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤、裂紋等缺陷，外觀成型良好，余高0-3mm，全部合格。依據《鋼焊接接頭超聲檢測標準》GB/T11345-89BⅠ合格進行探傷，未發現氣孔、夾渣、裂紋等超標缺陷，試板全部合格。 通過UT檢測，充分說明試驗采取的工藝條件即預熱措施、焊后保溫措施對防止焊接裂紋產生的有效性。
    2.3 試板力學性能檢測結果分析
    所有試板綜合力學性能檢驗全部合格。為了更加直觀比較低溫環境對焊接接頭綜合力學性能的影響，增加Q345GJDδ=60mm低溫和常溫環境焊接接頭力學指標的對比。

    （1）試板拉伸試驗比較分析
    根據低溫焊接試驗結果，對比相同材質板厚相近的焊接工藝評定試驗結果如圖1所示：

    如上圖(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，在常溫和低溫環境下，試板抗拉強度全部合格，但Q345GJDδ=60mm的屈服強度常溫環境比低溫環境高約15Mpa。可見，在低溫環境下厚板焊接接頭強度有下降趨勢，說明負溫環境對焊接接頭的屈服強度是有影響的。
    （2）試板彎曲試驗結果
    試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，試板彎曲試驗全部合格。
    （3）試板沖擊試驗結果分析
    對試板進行取樣加工，每組試板對焊縫、熔合線、熱影響區三個部位分別取3個沖擊試件，按照D級鋼-20℃沖擊功Akv≥34J的標準，進行沖擊試驗，試驗結果全部合格。試驗結果如圖2所示：

    3. 低溫焊接探索性試驗結果初步分析
    3.1 試驗項目設定
    為了直接揭示低溫焊接對焊接接頭性能的影響，根據常溫焊接工藝評定的結果，選擇焊接質量最不穩定的立焊位置，采用藥芯焊絲和實芯焊絲兩種，對厚板和薄板進行不預熱和預熱兩種工藝的試驗，兩組探索性試驗如下表所示：

    該兩組試驗的環境溫度、焊接參數、焊后的保溫措施同低溫焊接的前14組試驗相同。
    3.2抗拉強度試驗結果分析

    通過圖（3）可見，低溫環境下焊接，預熱措施可以明顯提高焊接接頭的抗拉強度，預熱對焊接接頭強度保證是有效的。
    3.3 側彎試驗結果分析
    試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，進行試板側彎試驗，低溫試件全部不合格。Q345D側彎全部合格。
    根據試樣分析，造成不合格的原因有：
    （1）取樣的方法同標準取樣方法有出入，試樣過寬；
    （2）從彎曲的斷面來看，起裂位置在板厚中部焊縫中心位置上，這是由于焊縫寬度較寬，坡口較大，加之未預熱，使焊縫冷卻加快造成焊縫中心因偏析而韌性降低所致，這就是側彎不合格的根本原因。
    從側彎試驗結果分析，焊接前雖未正規預熱，但采用火焰加熱消除水氣，實質上焊縫也為正溫焊接，只不過同正規預熱溫度相差較大，致使冷卻速度加快而造成不合格，可以肯定的說：低溫焊接如在預熱溫度上控制不好，必定對焊縫綜合指標產生不利影響。
    3.4 沖擊試驗結果分析
    根據標準試驗方法取樣，進行-20℃低溫沖擊試驗，試驗結果全部合格。（對比如圖4、圖5所示）



    硬度值全部合格，主要原因歸結為：（1）焊接工藝適當，克服了低溫對焊縫的不利影響，特別是緊急保溫對提高焊縫和HAZ的抗裂能力起到了十分有利的作用；（2）鋼種本身的淬硬傾向較小，抗裂性能良好。
    4. 結論
    根據低溫焊接試驗結果和初步分析，我們得出如下結論：
    （1）低溫焊接試驗結果告訴我們，環境溫度變化對焊接質量的影響不是決定性的。改變環境溫度，特別是母材本身的溫度和加強后熱是低溫焊接成功的基本方法。
    （2）低溫焊接試驗結果表明，預熱溫度的差別會帶來強度上的差別，特別是厚板焊接，低溫環境影響強度指標是肯定的。所以，應充分重視環境溫度的提高和準確的預熱溫度。
    （3）探索性試驗表明，預熱溫度的降低或不預熱必然降低焊縫的綜合指標。這是因為環境溫度過低加速了焊縫冷卻所致。
    （4）薄板低溫焊接試驗結果表明，焊接熱循環傳導方式區別決定了薄板（20mm）受低溫環境影響較厚板（60mm）小。
    （5）試驗結果表明，Q345GJD鋼抗裂性能良好。5. 低溫焊接試驗成果應用原則
    工藝試驗和正式工程相比，焊縫所處的工況完全不同，照搬工藝試驗的結果很可能適得其反，甚至造成后果。因為在工程實際中，低溫焊接防治冷裂紋的同時，還須防范由于結構拘束度大，在冷卻速度加大的前提下，焊縫中心產生偏析，在應力作用下產生的熱裂紋。
    因此，在工程中應注意以下幾條原則：
    （1）根據結構特點，合理編排焊接順序，減少焊接殘余應力。
    （2）鋼材本身應實現正溫即要采用各種不同的預熱方式提高焊縫周圍小環境溫度，以此來保證焊縫綜合指標。
    （3）正確選擇預熱方式。在預熱溫度和預熱規范確定的前提下，正確選擇預熱方式對控制裂紋的產生有重要的意義。電加熱與火焰加熱相比具有明顯的優勢：預熱區域受熱均勻，有效防止局部受熱造成接頭附加應力；升溫速度均勻、可控，防止造成母材過熱等現象，可達到母材充分均勻預熱；對于整體結構焊縫而言，防止受熱不均造成構件變形。因此，低溫焊接特別是厚板焊接優先采用電加熱方式。
    （4）由于在正式結構焊接中采取剛性固定的方式，為防止由于氫和應力共同作用在焊縫根部產生延遲裂紋，對于板厚t≥40mm采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施，后熱溫度250~300℃；對于t＜40mm采取焊后緊急保溫緩冷措施。該措施可以減緩焊縫的冷卻速度，有助于擴散氫的逸出。
    （5）由于氫在焊接熔合區附近的濃度值按馬氏體、貝氏體、鐵素體組織的變化依次降低，在異種鋼焊接時由于熱影響區組織形態的不同造成了氫在熔合區附近的濃度值分布不勻，當焊縫中存在應力集中點時，含氫量大的焊縫易出現延遲裂紋。因此在異種鋼焊接時應特別注意預熱和后熱，這是繼焊材選定之后決定成敗的關鍵因素。
    （6）控制線能量是防止焊接裂紋的有效途徑。在低溫施工中，SMAW焊接采用AV值控制線能量容易成功。在控制AV≥0.6的前提下，采用控制不同焊接位置的AV，實現大電流，薄焊道，多層多道的焊接技術，以提高焊縫熱量，防止淬硬組織的產生。
    6．結束語
    大量焊接鋼結構失效事故表明，低溫是導致脆斷的主要原因，特別是結構中存在著缺陷（缺口效應）則脆斷效應更嚴重。當溫度低于材料的臨界轉變溫度時，在遠小于σs的作用下，鋼材的σs提高并接近于σb，出現完全無屈服的斷裂。這就是我們進行低溫焊接試驗的根本原因。試驗結果給我們帶來了很多啟示，為我們冬季施工提供了理論依據和操作指南。試驗是完全成功的，在工程應用中也取得了優異成績，這些將給后續工程和我們國家規程的修訂提供寶貴資料。
    本次試驗獲得成功，是集體智慧的結晶，在此對為低溫試驗提供技術指導、參與低溫試驗的全體工作人員表示深深的謝意。
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