建筑鋼結構行業發展對焊機及焊材的需求趨勢

中國工程建設焊接協會副秘書長 戴為志

曾幾何時，神州大地的鋼結構工程轟轟烈烈，創造了一個又一個奇跡，促使我國的鋼結構大踏步進入了成熟期，迅速成為名符其實的鋼結構大國；然而，在奧運、世博鋼結構工程的高峰期之后，建筑鋼結構技術進步向何處去？發展趨勢又是什么？人們不得不面對鋼結構行業十分嚴峻的局面，去分析現狀、思考我們的工作。

分析思考問題的切入點就是焊接和焊接相關的人和事。眾所周知：鋼結構的生命和靈魂就是焊接；焊接，作為構建鋼結構的一種主要的連接方法，在建筑鋼結構中發揮了重要的作用。據統計，50%以上的鋼材在投入使用前需要經過焊接加工處理，所以人們越來越重視焊接技術的發展，重視焊接技術人才的培訓，于是也就有了我們談論建筑鋼結構技術發展趨勢的社會基礎。

一、建筑鋼結構行業發展形勢

當今，焊接技術水平不斷發展提高，為高效優質生產焊接結構提供了重要基礎。

焊接冶金理論日益發展完善，推動了工程材料的改進和配套焊接材料的完善，已可保證焊接質量能完全滿足產品的設計要求。

焊接結構理論的發展，使得設計更具有合理性，而焊接結構的緊密性和較大的剛度，可使焊接結構能更準確地符合設計規定，更適于承受疲勞載荷以及沖擊和劇烈振動等工作條件，可以適應各種類型結構的要求。

焊接連接技術與焊接科學的形成，是多學科交融和相互滲透的結果。新鋼材、焊材的發展帶來連接技術新概念，促進新型焊接設備的發展，推動新技術的應用，同時也促進了新鋼材、焊材的發展。

1.建筑鋼結構體系向多元化方向發展

同“奧運”、“世博”時代不同的是，建筑鋼結構體系已經完全跳出了“場館”類結構體系；超高層建筑日益增加，高度越來越高，結構越來越復雜，鋼材的強度越來越高?？臻g桁架結構（管桁架、BH桁架、BOX桁架）、張弦梁結構、弦支穹頂結構、網架結構等體系，以各種新穎獨特的結構形式大量出現在機場、車站、碼頭等公共場合之中。

對建筑鋼結構系統而言，最重要的是控制鋼結構體系的初始應力狀態，然而鋼結構體系初始應力狀態撲朔迷離，既有安裝應力、溫差引起的應力，又有焊接殘余應力，組成和分布十分復雜，定量分析十分困難。

由于建筑鋼結構體系中存在數千個節點，對每個節點都進行有限元分析是不現實的，大面積的定量計算也是很難做到的。比如說：由于太陽輻射照度引起結構溫升的計算方法在相關規范中并沒有明確提及，可以參考的經驗較少，因此溫度應力計算采用的各種參數、室外風速取值很難確定。此外，漫反射、空氣流動性差等影響因素，在各類構件熱傳導計算邊界條件中考慮比較困難，目前只能根據工程經驗確定，但有一點可以肯定，施工過程中有效控制結構體系的焊接應力應變，能夠實現建筑鋼結構系統的最佳初始應力狀態。因此，目前對建筑鋼結構體系的初始應力只能定性，不能定量，換句話說：只能憑借經驗和局部的計算進行分析。從這個意義上講，高強鋼厚板焊接和控制建筑鋼結構的初始應力狀態，是行業的兩個重大難點，相比之下，后者難于前者。

但是必須指出：控制焊接殘余應力的主攻方向是防止焊接接頭的應力過分集中。而焊接殘余變形，會導致組裝應力的增加，進而轉換為危害鋼結構安全運營的焊接殘余應力集中，所以防止焊接殘余應力集中十分重要。工程實踐中必須采用有效對策。

結構體系的變化，必然要向制作、安裝，特別是焊接工藝提出更高的要求，必然推動焊接技術的進步。

2.大規模采用高強鋼必然帶來焊接相關產業的技術革命

2012年8月1日開始執行的GB50661-2011《鋼結構焊接規范》拉開了建筑鋼結構大規模采用高強鋼的序幕。目前為止，建筑鋼結構行業主體用鋼是低合金高強鋼，這類鋼的生產和使用在我國迅速發展并逐漸進入高強鋼領域。在GB/T 1591-1994標準中設立Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共5個牌號；在GB/T 16270-1996《高強度結構鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690共6個牌號。

所謂高強鋼（高性能鋼）就是考慮焊接性，生產的屈服強度>400MPa、抗拉強度>500MPa、屈強比≥0.85的可焊鋼材；抗拉強度≥1200MPa的鋼材一般分類叫超高強鋼。

根據以上闡述，GB50661《鋼結構焊接規范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經進入到高強鋼（高性能鋼）的范疇。

（1）微合金控軋鋼(TMCP) 在微合金鋼熱軋過程中，通過對金屬加熱溫度、軋制溫度、變形量、變形速率、終軋溫度和軋后冷卻工藝等諸參數的合理控制，使軋件的塑性變形與固態相變相結合，以獲得良好的組織，提高鋼材的強硬性，使其成為具有優異綜合性能的鋼。通?？煞譃閵W氏體再結晶區（≥950℃）、奧氏體未結晶區（950℃~Ar3點）和奧氏體與鐵素體兩相區（Ar3以下終軋）三種不同的控軋溫度生產的微合金鋼。

（2）微合金控軋控冷鋼 在軋制過程中，通過冷卻裝置，在軋制線上對熱軋后軋件的溫度和冷卻速度進行控制，即利用軋件軋后的余熱進行在線熱處理生產的鋼。這種鋼具有更好的性能，特別是強度，又可省去再加熱、淬火等熱處理工藝。用較少的合金含量可生產出強度和韌性更高、焊接性好的鋼。在控制冷卻中，主要控制軋件的軋制開始和終了溫度、冷卻速度和冷卻的均勻程度。

由于這類鋼在成分和熱軋工藝上的特點，根據國外采用這類鋼的焊接方面的經驗，仍有以下潛在問題需要注意：一是冷裂紋的危險性；二是熱影響區中局部脆化區對韌性的影響；三是焊接接頭軟化。

針對新鋼種的特點，焊接工藝有了很大的提高和進步；對焊接材料、設備，提出了新的要求。為防止熱影響區的脆化，焊接時通過調整合適的焊接參數，減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大；采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

二、建筑鋼結構厚板、高強鋼的焊接對設備、焊材的需求

眾所周知、企業技術進步的三大要素是：工藝裝備；人員素質；科技成果的開發與應用。對鋼結構焊接工程而言，推行企業的技術進步首先是設備和焊材；而焊接工藝就是焊接設備、材料研制的靈魂。

建筑鋼結構焊接工程在拼裝和安裝階段采用：GMAW、FCAW-G（F、H、V）；SMAW（O）技術，由于是厚板長焊縫、露天作業，所以對焊機有很高的技術要求：焊機能夠承受大規范、快速、長時間、不間斷的焊接，焊機在上述工況下，在50～70m內不產生影響焊接參數的電流（壓）降，且各項指標穩定可靠；同時焊機還要承受酷暑、嚴寒、風吹雨打和因頻繁轉場而發生的碰撞，且性能不變；因此，要求焊接設備具有良好的適應性，可靠性，先進性，經濟性以及高的自動化程度，同時要求焊材同鋼材匹配，其熔敷金屬的化學成分逐漸向母材接近。

1.高強鋼焊接對SAW及機器人自動焊設備的要求

由于建筑鋼結構工程構件不固定的原因，使鋼結構焊接生產的自動化的難度很大。為了提高工效，人們想方設法提高現有自動焊設備的熔敷效率，先后開發了SAW雙絲雙弧焊機（粗絲、細絲）、SAW雙絲單弧焊機（細絲）、SAW三絲三?。毥z）焊機，如圖1～圖2所示。

圖1 SAW雙絲單?。毥z）

圖2 SAW雙絲雙?。ù纸z、細絲）

（1）粗絲、細絲自動焊設備的應用 SAW雙絲雙?。ù纸z）焊機的出現，對提高生產效率的確起到不小作用。但是，由于焊絲直徑大，電流密度較細絲小，焊接速度較慢，對母材的焊接熱輸入顯然相比細絲焊機大，因此在對屈服強度超過400MPa帶有淬硬傾向的鋼材焊接時要慎重。而SAW雙絲雙弧、單?。毥z）焊機正好彌補了這個不足，由于電流密度大、溫度高、焊接速度快，因此對母材的熱輸入小，特別適合高強鋼的焊接，如圖3所示。

圖3 SAW雙絲單弧（細絲）焊機焊接實況

利用雙絲雙弧焊可提高焊縫及熔合區韌性，獲得理想的焊縫強度。試驗證實：焊絲為f2mm的雙絲雙弧焊機焊接的焊接接頭質量，優于焊絲為f2mm單絲單弧焊機得到的焊接接頭質量，更優于焊絲為f5mm單絲單弧焊機得到的焊接接頭質量。另外，雖然雙絲雙弧焊的總熱輸入E比單絲單弧焊要大得多，但是焊接生產率要高得多，使熔合區及熱影響區的熱輸入反而相對較小，因此韌性也相當高，這是由于細絲熔敷率的提高和雙絲雙弧焊熱量分散并形成狹長的溫度場所致。由此看出，雙絲雙弧焊機將成為今后提高焊接接頭綜合性能的途徑。

（2）新型多頭、多絲SAW焊機的研制開發 根據雙絲雙?。毥z）SAW焊機工作原理，相關部門應當著手研究一種高效、低熱輸入的多頭多絲焊機。理論和實踐均證實：在SAW雙絲雙?。▎位。┘毥z焊機的基礎上，開發研究多絲、多弧高效低熱輸入焊機是完全可能的。國外在這方面有很大進展，如圖4所示。希望能盡快用到同國外產品相比的多絲多頭SAW焊機。

圖4 國外的多絲多頭SAW焊機

（3）建筑鋼結構焊接的自動化 自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現自動化、程序化的焊接施工方法。這種自動焊技術對于操作人員的焊接技術水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀，焊接過程穩定，焊接效率高等優勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結構工程建設中，自動焊具有很大的應用空間。

據查，目前世界工業發達國家焊接自動化程度已高達80%，因此在工效和質量上都有很大的優勢。而在我國按焊條電弧焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結構朝大型化、重型化、高參數精密化方向發展，焊接手工操作的低效率和質量的不穩定往往成為生產效率的提高和產品質量穩定性的最大障礙。為適應高強、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現鋼結構技術快速發展的關鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經成為一項客不容緩的重要任務。

焊接機器人是指具有三個和三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機器。機器人自動焊接首要條件是工件相對固定，然而建筑鋼結構焊接工程很難做到這一點。在箱型桿件的焊接中有工廠耗重資進口了伊薩的雙頭自動焊機，大大提高了焊接質量和生產率。而要進一步實現箱型桿件的高水平機器人自動焊，就需要適應厚板、長焊縫帶有智能化的爬行機器人。國外已經有了能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調節焊接參數，自動進行焊接直到全部焊完的“迷你”型機器人，這正是我們建筑鋼結構所需要的機器人。國內雖然已經進入示教機器人領域，但同國外相比尚有一定差距。

2. 高強鋼焊接對焊材的具體需求

由于冶金技術取得長足進步，新鋼種層出不窮。與鋼材技術進步相比，焊材的研究開發過程中存在較嚴重的差距：首先是研發進度上的不同步，不能滿足焊接質量和工藝上的要求，在國產匹配中，有鋼材沒焊材；其次是有的焊材的韌性指標遠遠低于等強母材的指標。由于在對雜質元素的控制上，焊縫中的雜質明顯高于母材，這些不對等的指標或要求主要源于焊材本身性能上的差距，達不到母材的技術要求，所以在鋼結構焊接工程中，不得以降低標準而為之。借鑒鋼鐵冶金上的技術成就，焊材研發的技術進步也應該充分考慮熔池純凈化、晶粒細化、微合金化和組織調控方法，比如：在SAW焊接中，采用微合金化的焊絲配堿性燒結焊劑使焊材與母材合理匹配，能獲得綜合性能良好的焊接接頭。

有研究表明，在高強鋼的焊接中，應用金屬粉芯焊絲氣體保護焊來代替工廠焊接中的焊條電弧焊和CO2氣保護焊能夠顯著提高焊縫性能，通過調整金屬粉芯焊絲中Mo、B、Ti、Re的含量可以在大熱輸入下將針狀鐵素體含量由20%增加到90%，因而可使脆性轉變溫度由0℃降到-60℃。

目前，在高強鋼的焊接中，焊接工藝和技術上已經有一些階段性成果。

（1）低強匹配 焊縫強度低于母材的匹配叫做低強匹配，并保證焊縫強度不低于母材強度的0.86。例如：采用590MPa級的焊材焊接780MPa的鋼材，能夠獲得良好的焊接質量。

（2）異質焊材匹配 焊接9Ni鋼時選用鎳基合金焊接材料，效果不錯。

（3）采用多層多道錯位焊接技術 能獲得理想晶粒度和良好的沖擊韌性指標。

（4）推廣采用導電性能好、飛濺少、工藝性能好、污染少的新型焊材無鍍銅焊絲 無鍍銅焊絲是我國乃至世界焊材的發展方向，焊絲工藝性好；抗銹能力強；小電流時導電率比鍍銅焊絲好；熔敷金屬有良好的低溫沖擊性能；焊接過程中不堵塞導電嘴而使焊接順利進行全自動貼角焊工藝；全自動不清根板對接工藝；全自動不清根角接工藝；成本低；因此是一種理想焊接材料。

上述方法對解決目前高強鋼焊材“無米之炊”是可以借鑒的。

縱觀建筑鋼結構全行業，推行焊接技術進步的壓力和難度都很大，但是在實現中華民族復興的偉大事業中，隨著時間的推移，焊接工藝的日趨成熟、先進，必將推動設備、焊材的研制，會出現更多的新設備和新焊材；同時，我國的焊接技術也必將產生質的飛躍！