鋼結構工程冬季低溫焊接技術

馮關明，代麗霞

（1.浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000；2.浙江精工鋼結構有限公司，浙江紹興312000）

0 前言

冬季施焊的難題一直困擾著焊接界，對冬季施工的可行性一直處在兩可之中，沒有準確的定論。國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程在進入冬季施工前，進行了一次大規模的低溫焊接試驗。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，通過本技術的探索施工，基本可以滿足華北地區冬季施工的要求，對于縮短建設周期、節約建設成本有重要意義。

1 低溫焊接技術特點

建筑鋼結構工程低溫焊接技術是通過大規模的低溫焊接試驗和實踐應用中總結形成的，主要特點有：

（1）盡量通過提高環境溫度，特別是母材本身的溫度和加強后熱工藝，確保低溫焊接成功。

（2）充分重視準確的預熱溫度、層間溫度。低溫焊接試驗表明，預熱溫度的差別會帶來強度上的差別，特別是厚板焊接，低溫環境肯定會影響強度指標。預熱溫度的降低或不預熱以及不控制層間溫度必然會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。

（3）優良的抗裂性能成為焊接材料選擇的主要標準。冷、熱裂紋是低溫焊接的主要缺陷，在焊接材料的選擇上，除要保證強度外，還要優先考慮抗裂性能。

（4）通過后熱、保溫緩冷等措施降低焊縫冷卻速度，從而減少裂紋的發生。

（5）綜合考慮焊接應力對焊縫影響，采取其他工藝措施。

（6）該技術適用于負溫（小于等于-15℃）條件下建筑鋼結構的室外焊接。主體結構、分部工程（鋼結構子分部工程）、焊接分項工程施工和驗收。

2 低溫焊接技術施工程序

在工程中樹立“三全”的管理思想：即全面的質量概念、全過程的質量管理、全員參加的質量管理。本技術具體的關鍵施工程序如下：

（1）編制焊接專項方案；（2）進行焊接工藝評定；（3）進行焊接材料復檢；（4）焊前準備——打磨、預熱、焊條烘焙、搭設防風保溫棚等；（5）焊中監測——層間溫度、焊接手法、焊接規范、AV值、環境溫度監測；（6）焊后處理——后熱保溫緩冷、焊縫清理；（7）焊縫檢測——VT、UT。

3 低溫焊接技術施工原理

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，焊縫的冷卻速度較常溫下增大，直接后果是t8/5下降，晶粒度粗大，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脆性轉變溫度的情況下，拉應力和焊接殘余應力共同作用，結構的靜載強度大幅度降低，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，同時也影響t8/5。

建筑鋼結構低溫焊接技術在基于上述規律的基礎上通過工藝試驗確定工藝參數。但與實際工程相比，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，甚至造成嚴重后果。在實際工程中，低溫焊接防治冷裂紋的同時，還須防范由于結構拘束度大、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的環境溫度，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，能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＜40 mm采取焊后緊急保溫緩冷措施。該措施可以降低焊縫的冷卻速度，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（見圖1），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。

圖1 Av值對比圖

4 低溫焊接技術工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

低溫焊接技術工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

4.2 低溫焊接工藝評定

（1）試驗材料：根據工程低溫焊接材料情況，結合本單位的低溫焊接經驗，參考《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002）中有關焊接工藝評定的相關要求，確定試驗材料規格。

（2）焊接方法、焊接材料及焊接位置的選擇參考施工現場采用的焊接位置和焊接方法。焊縫金屬的性能取決于組織和形態。在焊材的選配上，以滿足焊縫金屬強韌性要求為指標，通過調整焊縫金屬微合金化的程度，同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性，從而獲得焊接工藝評定試驗的成功，確保工程實體質量。

（3）環境溫度設定：根據工程所在地點的歷年氣象資料，同時考慮操作人員在低溫環境下的承受能力，確定負溫焊接的溫度范圍。如在國家體育場低溫焊接試驗中，根據歷年氣象資料顯示北京地區近年的低溫平均水平約-15℃，確定-10℃為試驗基本溫度。在試驗期間，增加氣溫變化幅度±5℃。

（4）預熱參數確定：根據理論分析，低溫焊接施工著重的要點是預防冷裂紋的出現。預熱是防止冷裂紋的有效措施，其目的主要是為了增加熱循環的低溫參數t100，使之有利于氫的充分擴散溢出。預熱溫度的選擇視施焊環境溫度、鋼材強度等級、焊件厚度或坡口形式、焊縫金屬中擴散氫含量等因素而定，預熱溫度過高，一方面惡化了施工環境，另一方面在局部預熱的條件下，由于產生附加應力，產生冷裂，同時會使板狀鐵素體形成，因此不是預熱溫度越高越好。根據《建筑鋼結構焊接技術規程》中對于鋼材最低預熱溫度規定Q345GJD（δ=60 mm）最低預熱溫度為80℃，Q345D（δ=20 mm）可以不預熱，但需要烘干焊接區域內的水分。

（5）焊接工藝參數設定：冷卻條件的改變影響相變，同時也影響擴散氫的逸出和焊接應力的改變，因此焊接相變特征與焊接裂紋之間有重要的聯系。焊接熱影響區的組織取決于鋼材的化學成分和焊接的冷卻條件，熱影響區的冷裂紋大多數在馬氏體內部產生，焊接區冷卻速度過大易產生馬氏體組織?？刂评鋮s速度，防止大量產生馬氏體有利于防止冷裂紋的產生。在掌握母材焊接熱影響區及焊縫的相變化的規律的基礎上，根據經驗公式計算焊接工藝參數，是低溫焊接工藝參數確定的原則。

（6）焊后處理措施：由于液-固態氫溶解度不同，在結晶溫度下液態溶氫量是固態時的4倍以上，溶氫較多的半溶化晶界起了“通道”作用，氫很容易沿著該通道從焊縫—熔合區—熱影響區擴散。有關學者采用錄像的方法拍攝了氫的瞬時逸出動態，深入研究了焊接區域氫的微觀分布。發現焊后10 min時氫氣泡大量逸出，焊后60 min時，已有相當數量的氫聚集在熔合區附近，特別是在焊縫根部熔合區。由于焊縫根部應力集中，使根部熔合區處拘束應力最大，氫大量擴散聚集之后，根部熔合區極易產生延遲裂紋。在焊接時，采取了焊后緊急保溫緩冷的措施。

（7）焊接試板檢驗。

以國家體育場鋼結構工程低溫焊接工藝評定為例著重說明低溫焊接工藝措施對焊接接頭各項性能指標的影響。

按照《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002）的相關要求，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0～3 mm，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、焊后保溫措施能有效防止焊接裂紋的產生。

通過試驗證明，氫的聚集開始于焊接區冷卻到150℃~200℃時，在焊后1~2 h氫聚集達到最大值，然后逐漸耗散，氫聚集的位置主要在熔合區有缺口效應的部位，冷卻到100℃后焊接區域的殘余擴散氫才是真正誘發裂紋的氫含量。焊后采取的緊急保溫緩冷措施，減緩焊縫冷卻速度，使焊縫溫度保持100℃一段時間，有效地保證了焊縫中氫的溢出。由于焊縫表面質量良好，沒有應力集中點，熔合區缺口效應程度大大降低甚至消除。同時試板焊接時為自由狀態，焊縫周圍沒有應力場存在。裂紋產生的基本條件不再成立。這就為低溫焊接施工提供了理論依據。所有試板綜合力學性能檢驗全部合格。

為了更加直觀地比較低溫環境對焊接接頭綜合力學性能的影響，增加Q345GJD（δ=60 mm）低溫和常溫環境焊接接頭力學指標的對比，如表1所示。

表1 不同溫度下焊接接頭對比

a.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3所示。

圖3 試板拉伸試驗

由圖3可知，在相同的焊接位置、采用相同的焊接方法和焊接材料，在常溫和低溫環境下，試板抗拉強度全部合格，但Q345GJD（δ=60mm）的屈服強度常溫環境比低溫環境高約15 MPa。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。

b.試板彎曲試驗結果。

試板按照彎心直徑30 mm，彎曲角度180°，試板彎曲試驗全部合格。

c.試板沖擊試驗結果分析。

對試板進行取樣加工，每組試板在焊縫、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≥34 kJ的標準，進行沖擊試驗，試驗結果全部合格，沖擊試驗的結果如圖4所示。

圖4 沖擊值比較

4.3 操作要點

（1）焊工適應性訓練及個人防護。

a.焊工在進行低溫焊接前，需進行低溫焊接技術理論教育和低溫焊接適應性訓練。低溫焊接適應性訓練用δ≥25 mm鋼板，進行橫、立、仰位置的施焊，以UT檢測及外觀檢驗合格為標準。

b.焊工在正式焊接前，必須具備個人防寒用品，包括棉鞋、帽子、護膝、手套等，必須具備較長時間抵抗嚴寒的能力和防滑能力。

（2）焊接設備防護。

a.焊機應盡量集中擺放在可移動的焊機防護棚內，防護棚內應設置加熱設備，使焊機在正溫狀態下工作。

b.采用氣體保護焊時，氣瓶應盡可能集中存放，在氣瓶存放棚應設有加熱裝置，實現正溫管理，確保氣體隨用隨有；單機使用時，氣瓶必須采取加熱保溫措施，采用電熱毯加熱外包巖棉或其他保溫材料進行保溫保證液態氣正常氣化，使保護氣體穩定通暢。

（3）焊接材料管理。

a.保護氣體應使用純度為99.9%的CO2氣體，以保證焊接接頭的抗裂性能。

b.嚴格焊材庫的管理，焊條必須按標準進行烘干，烘干次數不得超過2次，在空氣中的暴露時間不得超過2 h。

c.焊材庫內必須有脫濕設備，焊材管理應符合相關規定。

d.藥芯焊絲使用過程中應采取防潮措施，焊機上的焊絲防護罩必須保持完好，未用完的焊絲應及時送回焊材庫，以免受潮。

（4）焊接方法及技術措施。

a.預熱方式的設定：δ≥30 mm，采用電加熱；δ≤25 mm，采用火焰預熱。

b.預熱溫度要求如表2所示。

表2 鋼材最低預熱溫度/℃

c.在拘束度大的情況下，預熱溫度應提高15℃～30℃。沒有特殊說明時，執行上述規定。

d.異種鋼焊接，預熱溫度應執行強度級別高的鋼種的預熱溫度。

e.不同板厚對接，預熱溫度應執行板厚較厚的鋼板預熱溫度。

f.根據構件的不同形式，確定預熱位置和測溫點布置，確保預熱溫度的準確。

g.采用電加熱方式進行預熱的構件，應進行伴隨預熱，層間溫度不得低于預熱溫度，Q345鋼不超過250℃，Q460E鋼不超過200℃。

h.層間溫度測溫點在焊道的起始點。

i.采用火焰加熱的主要目的是烤干焊接區域水氣，實現正溫焊接。烘烤范圍是焊縫兩邊各50 mm，烘烤溫度為20℃～40℃。焊接時需連續施焊。

j.焊接工作結束后，應立即進行緊急后熱或保溫。δ＜40 mm需緊急保溫，采用巖棉包裹焊接接頭，自然冷卻；δ≥40 mm應進行后熱處理，后熱溫度250℃～350℃，后熱時間1～2 h，后采用巖棉保溫緩冷。

k.焊接方法及工藝參數執行焊接工藝評定。

l.低溫焊接采用接觸式測溫儀控制預熱、后熱及層間溫度。

（5）焊接環境具體規定。

a.環境溫度使用普通溫度計監控。

b.低溫焊接環境溫度范圍0～-15℃。低于-15℃，應停止焊接作業。

c.低溫焊接時需搭設防風裝置。

d.高空焊接作業時，防風裝置應嚴密保溫，特別是防風棚底部應密實，防止沿焊道形成穿堂風。

e.雪天及雪后進行作業時，焊縫兩端1 m處應設置密封裝置，防止雪水進入焊接區域。

5 低溫焊接技術主要管理點

5.1 質量管理

施工質量管理如表6所示。

表3 質量管理要點

5.2 安全措施

（1）焊工在正式焊接前，必須裝備個人防寒用品，包括棉鞋、帽子、護膝、手套等，必須具備較長時間抵抗嚴寒的能力和防滑能力。

（2）低溫焊接對焊工的個人體力消耗較大。倒班時間適當縮短。

（3）低溫焊接操作時，應設有專門的監護人，對焊工工作狀態進行監控及判斷，必要時應采取相應措施保證焊接工作的順利進行和焊工人身安全。

（4）下雪天氣及雪后，進行高空焊接作業，通道應設專人清掃，特別掃除薄冰，以保證焊工的安全通行和保存焊工體力。

（5）嚴禁在明火附近焊接作業，嚴禁吸煙。氧氣、乙炔、油漆等易燃易爆物料與焊接作業點火源距離不應小于10 m。氧氣、乙炔、二氧化碳氣使用時相互間距離要大于10 m，并要放在安全處按規定正確使用。

（6）焊接平臺上應作好防火措施，防止火花飛濺引燃起火，電焊、氣割時，先觀察周圍環境有無易燃物，并用火花接取器接取火花，防止火災發生。焊接、切割完畢，應及時清理現場，徹底消除火種，經專人檢查確認完全消除危險后，方可離開現場。

（7）使用電加熱器時作業平臺和專用吊欄上要鋪木板，通電時操作人員不得接觸構件，翻越構件時必須架梯并與構件隔離，一般情況電加熱器停止工作后焊接再開始，必須作伴隨加熱時，要有特殊措施確保加熱器、焊工均與工件絕緣。

美國國家標準AWSD1.1/D1.1M：2006《鋼結構焊接規范》規定：-20℃為停止焊接的溫度，但又申明采取了相應措施仍然可以焊接，不過這個規定溫度每年都有應用規定上的變化。

日本建筑學會JASS6《鋼結構工程》規定的最低施焊溫度為-5℃。

該技術既保證了焊縫質量、提高了焊縫的一次合格率，又解決了國內焊接界擔心冬季施工問題的困擾，為工程界提供了成功經驗。