高強鋼高效焊接與切割技術在建筑鋼結構中的運用

楊政

高強鋼高效焊接與切割技術在建筑鋼結構中的運用

楊政

1. 高強鋼在建筑鋼結構中的應用及焊接特點

（1）高強鋼在建筑鋼結構中的應用 目前，建筑行業用鋼標準有《建筑結構用鋼板》(GB/ T19879)，《高層建筑結構用鋼板》（YB4104），一般建筑鋼結構常用的高強鋼是Q345GJ、Q390G J等，常用厚度一般在60mm以內，隨著建筑體的高度和建筑空間跨度的增加，鋼板使用的厚度已經達到了120mm（像高200m、主樓38層的上海金融大廈這樣的超高層建筑，還是Q345為主）。

對于50層乃至100多層的建筑，如果通過增加鋼構件厚度來提高強度和剛度，必然增加建筑體自重，造成對基礎的壓力增大，同時用鋼量和焊接量提高都大大增加了母材、焊接材料和人工的成本。隨著高強鋼冶煉技術的提高、比價減低以及建筑行業焊接工藝水平的提高，設計師們越來越考慮不再增加構件板厚，而是采用Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ及以上級別的高強鋼，Z項性能要求在Z15~Z30，將更廣泛地運用在高地震設防區（設防8度區以上）、超高層建筑（例如寧波環球，蘇州東方之門 ）、超大跨度空間結構（例如鳥巢）及高寒地區特殊結構體系（例如哈爾濱滑雪場）。

（2）高強鋼的焊接特點與難點 超高層建筑鋼柱、牛腿、支撐、環帶桁架（避難層），超大跨度空間結構的桁架梁，豪華型住宅室內游泳池部位的柱與梁等多采用高強鋼材料。這些材料，當碳當量達到0.45～0.5以上時，焊接性較差；牛腿節點部位焊縫密集；對于超大跨度桁架對接時或合攏焊接時，存在較大拘束應力；卸載過程中應力的變化，都會造成焊接困難，焊接性差。

在高強鋼的焊接過程中，需要注意以下幾點：

第一，高強鋼的主要焊接難點是碳當量高加上厚板造成的冷裂紋控制，因此要進行厚板（低溫）焊接下的預熱和焊縫緩冷保溫及后熱。《鋼結構焊接規范》GB50661—2011也有明確的預熱規定，在實踐中，結合節點狀況和受力，一般還應該選高一個預熱檔次。

寧波環球

第二，在建筑高強鋼的焊接中，還要注意定位焊間距和大小、引弧板和引出板的材質及長度要符合規范要求。厚板焊接必須采用多道多層焊，控制焊縫寬深比和層間溫度。

第三，電渣焊的焊縫強度通

常不能達到理想要求，對高強鋼的應用可能會有更大影響。必須高選焊接材料（細化晶粒），做好工藝評定，嚴格執行工藝。

第四，對臨時焊縫、返修焊縫的處理要慎重，嚴格執行返修工藝和返修次數的規定，返修焊縫必須超聲探傷和磁粉探傷雙合格。

第五，焊接效率問題上，盡量采樣雙絲或三絲厚板大熔深埋弧自動焊技術，以減少坡口，提高焊接效率，同時利用后道焊縫對前一道焊縫的回火作用，提高焊縫韌性。或手工打底后雙絲或三絲厚板埋弧焊填充。

第六，高強鋼構件一般都是大構件長構件，這些超大構件的翻轉吊運比較困難，還有就是在工地現場室外（高空）焊接的質量控制也算一個難點。

第七，焊工的技能及責任心非常重要。總體缺乏這方面的培訓機構和人員；對工藝的執行力度，預熱溫度準確性，焊縫區打磨的整潔性等需要責任心，因此要進行責任心與技能雙重培訓和嚴格的監督檢查。

2. 高強鋼焊接材料的應用

建筑領域高強鋼所用到焊接材料的選擇，一般是根據焊接材料廠家的推薦，通過工藝評定來確定。工藝評定要按《鋼結構焊接規范》GB50661—2011執行，一般構件工藝評定5年有效，但對于高強鋼，在建規中多屬于Ⅳ類D級難焊，要求按工程進行工藝評定。當焊接參數發生變化時，就要求重新進行工藝評定。

目前國內的大橋、金橋及大西洋等著名企業的焊接材料可信可靠，只要通過工藝評定，按工藝指導書操作，是可以保證焊縫質量的。一般按等強度原則選擇，同時考慮本公司焊接實際情況，比如采用純CO2還是混合氣，室內焊接還是室外安裝，甚至工人的工資形式（計噸工資，常常出現超規范大電流焊接，那么你的焊絲選擇就要高一檔次）。

建筑行業目前沒有專門的“建筑用焊條（焊絲）”的說法，不像橋梁方面，有的焊材明確為橋用。我們希望焊材廠家能夠開發或命名建筑用焊材，便于直接選用。像鳥巢Q460E母材，就選用了E5515(SMAW)、TM—60(GMAW)、TWE—81K2 (FCAW—G)進行工藝評定和應用。

此外，超低氫焊材的應用，減少消氫工作量及對焊縫的影響也非常需要。

3. 高強鋼自動化焊接技術的應用

在建筑鋼結構行業，焊接自動化技術在高強鋼上的運用實質上是用一般的自動焊技術焊接高強鋼，高強鋼焊接需要的焊道清理、焊縫預熱、保溫和后熱基本上還沒有成為自動焊的一部分，還是和焊接本身分開進行。

我們希望雙絲或三絲埋弧焊能配備上預熱裝置。自動測溫控溫裝置、溫度反饋對焊接的啟動和關閉控制，焊后緩冷裝置，最好還包括焊接消氫，焊后熱處理等形成一個自動控制、使用系統。通過合金元素現場檢測（直讀光譜儀可以即時測定母材的化學成分），計算出碳當量后，計算機系統選擇焊接材料及焊接規范（預熱和后熱）。相信將來的自動化組合可以即時從構件上讀取數據，自動調節，確定焊接參數和預熱后熱參數，并操作執行，形成真正的自動化焊接。

此外，隨著厚板量的增加，窄間隙焊將會得到廣泛應用，可減少焊接熱輸入對材料及焊縫的影響。

4.高強鋼切割技術的應用

建筑用高強鋼，目前基本采用火焰切割和等離子切割。無論哪種，通過對焊接坡口打磨，去除氧化皮，對保證焊縫質量都是必要的。

對于高合金厚板，切割前預熱可以減少割縫淬硬，切割后要保溫緩冷，特別是冬天。夏天不得吹強風（工人為了降溫，會使用軸流風機鼓風），不能澆水。

切割設備具備在切割后表面質量達到可直接焊接，免除打磨及去除氧化皮等功能是我們的期望。

我們還希望將來的高強鋼、超強鋼切割設備能配上預熱裝置，自動測溫控溫裝置、溫度反饋對切割的啟動和關閉控制，割后冷卻速度監控報警，形成一個帶自動控制使用系統的切割設備。

楊政，杭蕭鋼構股份有限公司技術質量總監。