基于低合金高強度鋼的鋼結構焊接分析

左安文 曹凱中 楊佳陵 朱傳浩 吳德恩 查紅華

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004)

鋼結構具有強度大、韌性高、重量輕、便于施工和后期維護的優點，適合大跨度、高層建筑結構。符合國家“綠色建筑、節能環保、循環利用、住宅產業化、工業化”的理念。鋼結構的構件由型鋼、鋼板通過焊接、鉚釘、螺栓連接構成。生產生活中應用較為廣泛的材質為Q345，Q390。

焊接是現代鋼結構生產中較為常見的連接方法，該連接方法具有結構簡單、用料經濟、制作加工方便、可用于任何形式的構件連接等優點。

較為常見的缺陷是焊接裂紋、焊瘤、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透。其中危害最大的是焊接裂紋，焊接裂紋不僅會導致焊接結構的破壞，使產品報廢甚至造成人員傷亡的事故。因此，在鋼結構生產、安裝過程中，控制焊接缺陷尤其是裂紋控制尤為重要。

1 低合金高強度結構鋼的焊接性

1.1 熱影響區的脆化

產生脆化的原因與鋼材的成分及強化方式有關，但其根本原因有兩點。一是熱輸入過小時，由于熱影響區的馬氏體等淬硬組織比例增大而降低韌性；二是熱輸入過大時，由于晶粒粗化或魏氏體組織產生而降低韌性。

1.2 焊接接頭裂紋

焊接低合金高強度結構鋼時，易在焊縫和熱影響區產生冷、熱裂紋。板材厚度較大、原材料化學成分中含S、P量偏高時產生冷裂紋傾向更為明顯。

2 焊接工藝

2.1 焊接評定

按照國家、行業相關規范的規定進行焊接工藝、焊接技能評定。焊接評定是保證焊接質量的重要措施之一，用于評定和驗證施焊單位是否具備焊接合格產品的能力，為制定焊接工藝書提供可靠依據。

2.2 母材(表1)

表1 化學成分

按碳當量公式Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/5+Mo/5+V/5計算母材碳當量。

Q345：Ceq=0.02+1.70/6+0.50/15+0.30/5+0.10/5+0.15/5=0.447%。

Q390：Ceq=0.02+1.70/6+0.80/15+0.30/5+0.20/5+0.20/5=0.497%。

Q345，Q390碳當量均大于0.45%，鋼材焊接性能偏差，焊接時需要采取嚴格的工藝措施。

2.3 焊接方法

可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、氬弧焊、電渣焊等焊接方法。具體選用何種焊接方法取決于所焊產品的結構、板厚及生產條件等。焊條電弧焊具有設備簡單、施工成本低、操作靈活、適應性強等優點，不僅可以焊接碳素鋼、低合金鋼，還可以焊接高合金鋼及有色金屬，在所有焊接方法中應用最為廣泛。

1.2.4 克氏原螯蝦風味成分分析。采用樣品固相微萃取(SPME)方法。取2 g克氏原螯蝦樣品，置于20 mL的固相微萃取樣品瓶中，利用CTC三合一自動進樣器，在50 ℃加熱振蕩器中將樣品進行萃取30 min，熱解析3 min。

2.4 焊接材料選擇原則

一是根據母材化學成分、力學性能、焊接性能并結合構件結構特點和使用性能綜合考慮；二是在滿足使用條件需求的前提下盡量選用經濟合理的焊接材料。低合金高強度鋼氫致裂紋傾向嚴重，優先采用低氫焊材。

焊條嚴格按照規定進行烘干處理，堿性焊條采用300～350℃、烘干1～2h，酸性焊條采用100～150℃、烘干1～2h。現場配備保溫桶，烘干合格的焊條存放在保溫桶隨用隨取避免焊條回潮。

2.5 接頭制作

接頭形式包括對接接頭、T形接頭、角接接頭。從焊縫受力情況、避免焊接缺陷、焊接母材厚度、經濟性綜合進行焊接坡口、焊縫設計。焊接坡口形式：單面V型-適合板厚16mm左右；雙面V型-適合板厚32mm以下；單面U型-加工難度大，比單面V型坡口節省焊接材料；雙面U型-加工難度大，比雙面V型坡口節省焊接材料。

(1)坡口焊縫尺寸設計

坡口焊縫尺寸設計參照圖1，其中，鈍角α=35°～60°，α太大會增加加工余量、焊接成本和變形；鈍邊高度p一般為1～3mm；根部間隙b一般為2～4mm，太大容易形成虛焊；坡口深度H根據焊縫厚度決定。

圖1 坡口焊縫尺寸設計

(2)角焊縫焊接尺寸設計

根據有效截面大小選擇焊腳尺寸，等邊角焊縫參照圖2，焊腳尺寸K與焊縫有效截面大小a的關系為a=0.707K。

圖2 角焊縫焊接尺寸設計

圖3 非等邊角焊縫

焊腳尺寸K與板厚δ關系參照圖4，若δ1<δ2，則a1+a2≥δ1。

圖4 焊角尺寸K與板厚δ關系

2.6 焊接工藝參數

表2 焊接工藝參數

3 焊接缺陷防止措施

(1)限制鋼材及焊接材料中易偏析的元素和有害雜質含量，減少S，P含量。

(2)選用優質低氫型焊接材料，焊接材料使用前嚴格按照工藝進行烘干處理。

(3)正式作業前進行焊接工藝、焊接技能評定。焊接工藝評定合格后方可指導焊接作業，焊接技能評定合格的焊接工人方可進行焊接作業。

(4)焊前預熱、多層焊接過程中控制好焊接層間溫度、焊后進行熱處理，以消除焊接內應力，改善焊接接頭性能。

(5)選用多層、多道、高線能量進行作業。

(6)加強焊前設備、材料、人員；焊中操作；焊后外觀、尺寸、無損檢驗，杜絕不合格產品進入下一道環節。

4 安全管理

4.1 危險源辨識及防止措施

4.1.1 起重吊裝作業

存在起重設備傾覆、構件墜落傷人、吊裝設備或作業人員未符合相關規定、極端天氣冒險作業等風險。應采取預先編制專項施工方案并進行重量、長度、起吊點、綁扎等安全驗算，施工區域設置安全警示標志，作業設備、人員具有相應證資質證明文件，極端天氣(大風、暴雨、大雪、酷熱等)停止吊裝作業等措施。

4.1.2 高空作業

存在構件、作業人員高空墜落等風險。應采取校核臨時固結點牢固程度、設置生命保險索、佩戴安全防護用品、掛安全網等措施。

4.1.3 焊接、動火作業

存在氧氣乙炔瓶安全距離不夠、臨時用電不符合規范要求、動火作業點距離易燃易爆物品過近等風險。應采取確保氧氣與乙炔瓶距離≥5m，與明火距離≥10m，乙炔瓶設置防回火裝置，臨時用電嚴格執行“一機、一箱、一閘、一漏電保護”的三級配電兩級保護等措施。

4.2 應急響應程序

4.2.1 高空墜落、物體打擊事故應急響應程序

發生高空墜落或物體打擊事故后，應立即啟動應急預案。由應急組長負責現場總指揮，現場人員上報險情并及時撥打事故搶救電話求救，同時采取措施進行應急搶救，如包扎、止血等，防止受傷人員因流血過多導致死亡。應急領導小組人員按照職責分工進行應急響應，盡快將受傷人員送外搶救，派專人在路口迎接救護車輛，按預案程序進行事故現場處理，最大限度減少人員和財產損失。

4.2.2 觸電事故應急響應程序

若發生人員觸電事故，首先應采取措施切斷觸電者與電源的接觸點。對于低壓觸電事故，應立即斷開電源開關、拔下電源插頭或利用具有絕緣手柄的電工鉗、干燥木柄的斧頭、干燥木把的鐵鍬等工具切斷電源，也可采用干燥木板等絕緣物插入觸電者身下以隔離電源。對于高壓觸電事故，采用干燥的衣服、手套、繩索、木板、木棒等絕緣物為工具，拉開或挑開電線，使觸電者脫離電源，切忌直接接觸觸電者。

5 結 論

由型鋼、鋼板通過焊接、鉚釘、螺栓連接構成的鋼結構工程母材一般選用低合金高強度鋼，該類材料塑性、韌性優良，承載動力載荷性能優越，但焊接性能偏差。

控制好焊接質量、做好安全管理工作對保障構件安全、延長建筑物使用壽命、降低建筑物運營成本，避免財產損失、保障生命財產安全等方面具有重要意義。