建筑鋼結構高性能鋼焊接技術

段 斌

(中冶建筑研究總院有限公司焊接所，北京 100088)

0 前言

目前國內建筑鋼結構行業采用的結構鋼強度區間為最高460 MPa，最低通常不低于195 MPa。隨著建筑鋼結構的發展，建筑結構用鋼正朝著超高強和超低強兩個方向發展。超高強度鋼的采用可在一定程度上降低用鋼量，減小構件尺寸。而超低強鋼則主要應用于有抗震設防要求的建筑物中的關鍵節點，利用其良好的韌性和塑性性能，通過塑性變形吸收地震造成的沖擊功，達到保證建筑結構整體安全的功能。

目前國內常用建筑結構鋼的相關標準中所給出的低碳鋼或低合金高強鋼的最高屈服強度不超過690 MPa，最低屈服強度不小于175 MPa。從工程實際需求出發，希望在關鍵部位能夠采用超高或超低強度的鋼材，相關國家科技支撐項正在進行這方面的研究開發。

1 建筑用高性能鋼的特點

衡量結構用鋼材性能的主要指標有:屈服強度(ReH、ReL)、抗拉強度(Rm)、屈強比(ReL/Rm)、延伸率(A)、斷面收縮率(Z)、沖擊韌性(AKV)、可焊性。

通常希望得到綜合性能良好的鋼材，如強度高、韌塑性好、可焊性好等。隨著強度增高，鋼材的碳當量會增加，可焊性變差，焊接難度加大。這一點從《鋼結構焊接規范》GB50661－2011第三章表3.0.1鋼結構工程焊接難度等級可以看出(見表1)。

當鋼材強度大于420 MPa或碳當量大于0.5時，鋼材可焊性變差，在鋼結構焊接規范中將其歸入難焊等級。

對于有抗震要求的結構用鋼材，還需關注其屈強比和韌、塑性指標。在國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011－2010中明確規定鋼結構的鋼材應符合下例規定:

(1)鋼材的屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不應大于0.85。

表1 鋼結構工程焊接難度等級

(2)鋼材應有明顯的屈服臺階，且伸長率不小于20%。

(3)鋼材應有良好的焊接性和沖擊韌性。

隨著鋼材強度的增加，不僅塑性、韌性、可焊性降低，屈強比的劣化更加明顯，當為了獲得較好的綜合性能而采用TMCP鋼時，屈強比的變化更加顯著。

2 高性能鋼的應用現狀及發展趨勢

2004年，低合金高強鋼ASTM A913 Gr60(相當于Q420)在北京新保利大廈工程成功使用，經過幾年的發展，國內已有數個鋼結構工程使用高強鋼，如國家體育場(鳥巢)使用國產Q460E－Z35鋼，國家游泳中心(水立方)工程使用國產Q420C鋼，中央電視臺新臺址工程更是使用了Q390D、Q420D－Z25、Q460E－Z35級別鋼，高強鋼在建筑鋼結構中的廣泛應用，帶動了高強鋼焊接技術的發展。與此同時，建筑鋼結構中厚鋼板得到越來越多的使用，如北京新保利大廈工程使用的軋制H型鋼翼板厚度達到125 mm(ASTM A913 Gr60)，國家體育場(鳥巢)工程用鋼最大板厚達110 mm(Q460E－Z35)。但在屈服強度低于175 MPa鋼材的使用方面目前國內尚無先例。

國內外在高強鋼的使用方面一般均將其最高屈服強度限制在690 MPa，如美國《鋼結構焊接規范》AWSD1.1第1.2條規定“本規范是為厚度等于或大于1/8 in［3 mm］最低規定屈服強度等于或小于100 kis［690 MPa］的碳鋼或低合金鋼的焊接鋼結構而專門制定的，本規范或能適用于指導其適用范圍以外的結構制造”。國標《鋼結構焊接規范》GB50661－2011第四章表4.0.5常用國內鋼材類中也做出了類似的規定，詳見表2。

表2 國內常用鋼材分類

對于超低強度鋼的采用在國內外的標準中均未涉及。鑒于實際工程的需要，在超低強高性能鋼的應用研究方面應從鋼材及配套焊材的開發入手。無論是工作難度和工作量似乎都遠低于已具有現成鋼材和配套焊材的高強度用鋼。

3 高性能鋼的焊接技術

3.1 高性能鋼的選用原則

根據國標《鋼結構焊接規范》GB50661－2011第4.0.3條的要求“選用的鋼材應具備完善的焊接性資料、指導性焊接工藝、熱加工和熱處理工藝參數、相應鋼材的焊接接頭性能數據等資料;新材料應經專家論證、評審和焊接工藝評定合格后，方可在工程中采用”。在此所涉及的高性能鋼及配套焊接材料無論是屈服強度大于460 MPa或是低于175 MPa均在此列，因此在工程正式采用前應具備相關的技術資料。

上述技術資料的獲取主要有兩種渠道:一是生產廠家提供;二是應由具有資質與能力的第三方進行相關的試驗驗證。無論采用何種方法，所提供的技術資料中至少應包括如下試驗項目的結果:鋼材的檢驗;焊接材料性能檢驗;焊接冷裂紋敏感性試驗;碳當量;焊接連續冷卻組織轉變圖(CCT圖);熱影響區最高硬度試驗;斜Y坡口(小鐵研)焊接裂紋試驗;焊接冷裂紋插銷試驗;鋼板熱切割試驗;熱矯正試驗;時效敏感性試驗;焊接工藝評定。

3.2 高性能鋼的焊接特點

(1)焊接方法的選擇。

在國標《鋼結構焊接規范》GB50661－2011第一章第1.0.2條中規定“本規范適用于工業與民用鋼結構工程中承受靜荷載或動荷載、鋼材厚度大于等于3 mm的結構焊接。本規范適用的焊接方法包括焊條電弧焊、氣體保護電弧焊、藥芯焊絲自保護焊、埋弧焊、電渣焊、氣電立焊、栓釘焊及其組合。”但對于高性能鋼材的焊接要盡可選擇焊接熱輸入量(Q=IU/v)較低的焊接方法，如焊條電弧焊、氣體保護焊、單絲埋弧焊等。根據實驗，普通碳素鋼或低合金高強鋼耐受焊接熱輸入量的上線大約為50 kJ/cm。而不同的焊接工藝方法其熱入量變化范圍較大，具體數值如表3所示。

由表3可知，氣電立焊、電渣焊及某些情況下的埋弧焊，其焊接熱輸入量遠大50 kJ/cm，應嚴禁采用。

為使焊縫金屬的性能達到母材的要求，特別是對于高性能鋼，及常用鋼材的D或E級更應嚴格控制焊接熱輸入量，否則會降低焊縫接頭的韌性。

表3 各種焊接方法熱輸入

比較直觀的控制焊接熱輸入量的方法是:控制單道焊縫的寬度。當采用焊條電弧焊時，其單道焊縫的寬度不應大于所用焊條直徑的4倍;采用直徑為1.2 mm的氣保焊時，其單道焊縫的寬度應控制在20 mm以內;當采用埋弧焊時應嚴禁采用單熔池雙絲焊，且盡量采用常用規范參數的下限值。

(2)焊接材料的選配原則。

對于高性能鋼焊接材料的選擇與一般結構鋼并無本質性的區別主要以下原則為主:

a.等強匹配。焊接材料熔敷金屬的強度、塑性、沖擊韌性大于等于母材標準規定的最低值。焊接接頭(焊縫及熱影響區)各項性能全面達到母材標準規定的最低值。

b.兼顧焊縫塑性。厚板焊接時按厚度效應后的強度選配焊材，節點拘束度大時可在1/4板厚以下配用低強焊材。

c.滿足沖擊韌性要求。必須重點選擇焊材的韌性使焊縫及熱影響區韌性達到鋼材的標準要求，控制焊接材料中碳、硫、磷、氮、氫、氧含量，選用優質堿性低氫焊材。

4 結論

對于高性能鋼的焊接，應根據鋼材本身的強化機理和供貨狀態，綜合考慮其性能要求，合理選擇焊接材料和試驗方法對其焊接性做出評價，制訂合理的焊接工藝，以指導實際施工。