隨著(zhù)熱軋H型鋼應用的不斷發(fā)展，國產(chǎn)重型熱軋H型鋼正式市場(chǎng)化，在國內應用于大型公共建筑中。以大跨度樓面桁架的應用為例，介紹了重型熱軋H型鋼的焊接方法及焊接過(guò)程的工藝措施，通過(guò)分析焊接過(guò)程中容易出現的各種問(wèn)題，提出檢測及解決的方法，為重型熱軋H型鋼進(jìn)一步工程應用提供重要借鑒與參考。

 

序言

 

在洛陽(yáng)市科技館工程中，五層樓面結構采用大跨度鋼桁架空間結構，桁架為H型截面的雙層桁架，跨度54m，在十字交叉處桁架跨度75m，鋼材選用牌號為Q390GJC的重型熱軋H型鋼板厚達70mm，該重型熱軋H型鋼應用于國內大跨度公共建筑主體結構上。

 

在高層或超大跨度的公共建筑中，往往通過(guò)各種復雜的空間結構來(lái)實(shí)現建筑的結構設計，而重型熱軋H型鋼的應用，可獲得更加優(yōu)化的結構性能。熱軋H型鋼相對于焊接H型鋼而言，其截面尺寸更加標準，材料性能較好，大大降低了焊接與焊縫檢測工作量，為現場(chǎng)施工提供便利性。目前，國內熱軋H型鋼的使用量在鋼結構工程中占比較小，主要在工業(yè)建筑領(lǐng)域應用較多^[1]，在民用建筑領(lǐng)域還有較大的發(fā)展空間。

 

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390GJC重型熱軋H型鋼技術(shù)指標

 

2.1 力學(xué)性能與化學(xué)成分

 

Q390GJC鋼力學(xué)性能見(jiàn)表1。由表1可知，材料具有較高的屈服強度和抗拉強度、較高的儲備。由鋼材的斷面收縮率性能可看出，選用的重型熱軋H型鋼在頸縮區的應力狀態(tài)產(chǎn)生的塑性變形量?jì)?yōu)于普通鋼材，滿(mǎn)足厚度方向抗撕裂性能。

 

表1 Q390GJC鋼力學(xué)性能

 

Q390GJC 鋼化學(xué)成分見(jiàn)表2 。由表2可知，該鋼中添加了V、Ti、Nb等合金元素，且w_V+Ti+Nb=0.1%、碳當量CEV=0.45%，焊接裂紋敏感性指數P_cm=0.275%。通過(guò)以上指標可看出，鋼材抗開(kāi)裂性?xún)?yōu)良，焊接冷裂紋敏感性好，但在焊接工程中需嚴格控制預熱、層間溫度，焊后進(jìn)行保溫處理^[2]。

 

表2 Q390GJC鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數）（%）

 

 

2.2 焊接材料性能

 

根據390GJC鋼的材料成分確定焊接材料，選用氫含量較低的焊接材料，確保與母材強度等強。工程現場(chǎng)選用了T492T1-1C1A型藥芯焊絲，保護氣體為純度99.98le;－40℃）的CO₂。焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表3，其熔敷金屬的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

 

表3 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分數）（%）

 

 

表4 焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

 

 

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焊接工藝

 

3.1 焊接方法及設備

 

在焊接工作開(kāi)始前，針對該工程390GJC鋼的焊接施工特點(diǎn)，按照GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》^[3]進(jìn)行工藝評定試驗，確定焊接方法、焊接材料、焊接道次、坡口形式及預熱溫度等基本信息。為確定切合實(shí)際的工藝參數和焊接措施，選場(chǎng)具有代表性的母材、焊絲等，由焊接人員在同環(huán)境條件下施焊，焊接完成后進(jìn)行檢測，并出具焊接工藝評定報告。

 

該工程結構主要是外露型構件，根據現場(chǎng)施工條件，結合鋼材焊接性能，采用CO₂藥芯焊絲氣體保護焊進(jìn)行焊接。該方法由于熔敷速度為焊條電弧焊的2～3倍，且焊接時(shí)更加穩定，容易脫渣，產(chǎn)生的飛濺較少，因此焊道成形更加美觀(guān)。在現場(chǎng)焊接過(guò)程中，更加適應現場(chǎng)的用電環(huán)境，適應焊接電流、電弧電壓條件范圍廣。根據鋼材的材料性能以及H型鋼的板厚，確定焊接時(shí)的預熱溫度為80℃，層間溫度≤200℃，在焊前對坡口進(jìn)行砂輪打磨，焊接道次間需清理焊渣及飛濺物，主要焊接參數見(jiàn)表5。

 

表5 主要焊接參數

 

 

3.2 焊接節點(diǎn)構造

 

焊接的節點(diǎn)主要為單邊V形坡口，如圖1所示。坡口采用切割機加工，用角磨機修磨。在對接接頭和T形接頭的兩端安裝引弧板與引出板，在焊條電弧焊或者半自動(dòng)焊時(shí)，尺寸一般50mm×30mm×t（t為板厚），自動(dòng)焊時(shí)一般為120mm×80mm×t，選擇與H型鋼母材性能相近的板材，焊后通過(guò)氣割的方式進(jìn)行切割并磨平。

 

 

a）對接接頭   b）T形接頭

圖1 不同接頭的坡口形式

 

根據15G909-1—2015《鋼結構連接施工圖示（焊接連接）》^[4]確定該工程的H型鋼上下翼緣過(guò)焊孔的切角構造，如圖2所示。熱軋H型鋼下翼緣上平焊坡口側腹板與翼緣連接焊縫更近，在熱影響區更容易形成應力集中，因此過(guò)焊孔大小與加工質(zhì)量對焊接質(zhì)量影響較大，此次應控制過(guò)焊孔R角半徑為45mm。

 

 

a）對接接頭坡口   b）T形接頭坡口

圖2 過(guò)焊孔切角構造

 

3.3 焊接質(zhì)量控制

 

（1）焊接質(zhì)量要求

 

該工程H型鋼構件現場(chǎng)拼接接頭上下各100mm，以及框架梁柱節點(diǎn)梁的翼緣上下各600mm范圍內，均要求全熔透焊接，焊縫等級為其他坡口焊縫要求全熔透焊接的質(zhì)量等級為二級，部分坡口焊縫及部分外加貼腳焊縫的質(zhì)量等級為三級，角焊縫按三級焊縫檢測。焊縫的表面缺陷要100%進(jìn)行檢測，不能存在裂紋、焊瘤等缺陷。當采用重型熱軋H型鋼進(jìn)行組裝焊接時(shí)，僅考慮組裝接頭即可，重型熱軋H型鋼本身為一體鑄造結構，相對于焊接H型鋼，不僅結構更可靠，而且內部應力小，對結構更有利。

 

焊接作業(yè)前，檢查焊接現場(chǎng)條件是否滿(mǎn)足焊接工藝評定試驗結果的要求，尤其是焊絲、保護氣體等。由于焊接時(shí)溫度較低，所以焊前預熱及焊后保溫措施應嚴格按照評定的標準進(jìn)行^[5]。在焊接過(guò)程中，應在試弧板上對比調試焊接電流、電弧電壓，確保符合工藝評定的要求。

 

（2）焊接順序

 

該工程重型熱軋H型鋼焊接主要為桁架桿件現場(chǎng)拼裝焊縫的焊接。確定焊接順序時(shí)主要是以焊接變形少為原則，采用對稱(chēng)焊接方式，先焊接變形量大的部位，焊接時(shí)平衡加熱量以降低焊接應力的不利影響。具體焊接順序如下：①先焊主弦桿的對接焊縫。②再焊斜腹桿與主弦桿焊縫。③H型鋼的兩條焊縫不同時(shí)焊接。沿中間向兩邊的方向進(jìn)行對稱(chēng)跳焊，以減少扭曲變形的發(fā)生。

 

（3）焊前預熱及保溫措施

 

該工程使用熱軋H型鋼的樓面桁架正好處于冬季施工中，對于低溫條件下焊接的低合金鋼采用焊前預熱和焊后熱處理措施，平衡加熱，使焊接變形和收縮量減小^[6]。預熱及焊后熱處理的溫度按照焊接工藝評定要求進(jìn)行控制，主要采用電加熱法進(jìn)行焊前預熱及層間溫度加熱，板厚＜20mm時(shí)也可用火焰加熱。預熱的溫度采用接觸式熱電偶測溫儀進(jìn)行測量，焊接接頭兩端板厚不同時(shí)，以厚板確定預熱溫度。預熱時(shí)，在焊縫的兩側進(jìn)行加熱，加熱寬度為焊件待焊處厚度的1.5倍以上，且需＞100mm，在加熱區域鋼材背面測溫，測量點(diǎn)在距電弧經(jīng)過(guò)前的焊接點(diǎn)各方向≥75mm處，根據板厚不同，適當提高正面預熱溫度，從而使全板厚達到規定的預熱溫度；當用火焰加熱器時(shí)正面測量應在加熱停止后進(jìn)行。層間溫度范圍的值與預熱溫度相同，其值應滿(mǎn)足母材熱影響區不過(guò)熱的要求，焊接層間溫度低于250℃。焊后進(jìn)行消氫熱處理，在焊接完成后立即加熱到300～350℃。保溫時(shí)間按每25mm板厚≥1h確定，達到保溫時(shí)間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測溫方法和操作人員培訓要求與預熱相同。焊后如果進(jìn)行焊縫返修，需要在焊接返修處以高于正常預熱溫度50℃的溫度進(jìn)行預熱，且預熱的區域也需要加寬，以防止產(chǎn)生焊接裂紋。

 

根據現場(chǎng)施工進(jìn)度，鋼結構提升完成預計在11月底，為地減小溫度變化在結構上產(chǎn)生的內力和變形，在跨度較大位置的接頭焊接需要嚴格控制環(huán)境溫度，選擇在天氣晴朗的中午前后，此時(shí)溫度與該市全年平均氣溫接近。其他環(huán)境下，當環(huán)境風(fēng)速＞2m/s時(shí)，應采用適當的擋風(fēng)措施或采用抗風(fēng)式焊機；當環(huán)境風(fēng)速＞8m/s或相對濕度≥80%時(shí)，需停止露天焊接。

 

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焊接常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施

 

4.1 焊縫檢測方法

 

根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收標準》^[7]和GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》^[3]的規定進(jìn)行焊縫檢測，其中全熔透焊縫全部進(jìn)行超聲波或射線(xiàn)檢測，二級焊縫按20%抽樣檢測。焊縫檢測時(shí)根據同一施焊條件的焊縫數量計算百分比，對熱軋H型鋼對接焊縫周?chē)哪覆囊惨M(jìn)行檢測。焊縫檢測時(shí)需注意焊縫表面是否出現裂紋、氣孔、咬邊、焊高不足等情況，并進(jìn)行記錄。對于內部缺陷通過(guò)超聲波進(jìn)行檢測，檢測焊縫是否存在夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。

 

4.2 焊接裂紋及防止措施

 

在焊接構件施工過(guò)程中，焊接裂紋是難處理的一種缺陷。裂紋較輕微時(shí)還可返修，裂紋較嚴重時(shí)構件只能報廢。焊接裂紋包含以下幾種類(lèi)型：弧坑或焊腳或焊縫根部裂紋、焊縫或熔合線(xiàn)或熱影響區裂紋、表面或內部貫穿裂紋、層狀撕裂等^[8]。該工程的樓面桁架采用了整體提升的施工方法，在提升前和提升后，針對上述問(wèn)題進(jìn)行了全焊縫的檢查。經(jīng)檢查，發(fā)現在樓面桁架進(jìn)行拼裝焊接的前期始終未發(fā)現裂紋缺陷，但在拼裝基本成形后，由于桁架內應力隨著(zhù)拼裝過(guò)程不斷處于變化的狀態(tài)，在重型熱軋H型鋼R角位置，由于受較大的焊接應力影響，所以在對現場(chǎng)700余處過(guò)焊孔檢查時(shí)，發(fā)現5處從過(guò)焊孔位置向腹板延伸的裂紋，裂紋長(cháng)度均＜50mm。現場(chǎng)及時(shí)鉆止裂孔后，對這些裂紋進(jìn)行修復處理，并對所有主焊縫存在疑似裂紋的位置進(jìn)行磁粉和超聲波檢測，對焊縫兩側500mm范圍內進(jìn)行二次打磨，對母材進(jìn)行檢測，未再發(fā)現相關(guān)缺陷。

 

經(jīng)研究發(fā)現，焊縫裂紋出現位置相同，全部出現在熱軋H型鋼的下翼緣與腹板交接位置，且均為坡口側裂紋。熱軋H型鋼的上翼緣處由于過(guò)焊孔的存在，故不易形成應力集中。而下翼緣上平焊坡口側腹板與翼緣連接焊縫更近，在熱影響區更容易形成應力集中。與其他未出現焊縫裂紋的相同桁架位置進(jìn)行對比，發(fā)現存在質(zhì)量問(wèn)題的下翼緣過(guò)焊孔存在R角半徑偏小，且存在加工質(zhì)量偏差較大的情況。裂紋產(chǎn)生區域如圖3所示。

 

 

圖3 裂紋產(chǎn)生區域

 

針對重型熱軋H型鋼的焊接，需要嚴格執行預定的焊接構造措施，設置規范的坡口及過(guò)焊口，對于小角度、窄間隙的焊接坡口，容易造成焊縫成形系數過(guò)小的問(wèn)題，應該避免使用這種坡口。焊接過(guò)程中應盡量減少焊接應力對型鋼的影響，確保焊接材料的化學(xué)成分與焊接母材匹配，同時(shí)對焊接過(guò)程中的電流與速度進(jìn)行控制，焊前要加強預熱，以此來(lái)減緩焊縫在冷卻結晶過(guò)程中的冷卻速度。通過(guò)制定合理的焊接順序，使大多數焊縫在較小的拘束度下焊接地減少焊縫收縮拉力；同時(shí)焊后須要對焊縫進(jìn)行消氫處理，使焊縫中的氫含量降低，從而有效地減少冷裂紋的出現^[4]。

 

4.3 補強措施

 

（1）焊縫表面缺陷

 

主要表現為焊縫表面出現的未焊滿(mǎn)、咬邊、裂紋、電弧擦傷、根部收縮、夾渣、接頭不良及氣孔等，大部分缺陷能夠通過(guò)肉眼直接發(fā)現。但是，不同等級的焊縫質(zhì)量要求也會(huì )不同，通常采取磁粉或滲透檢測來(lái)確定裂縫的大小。針對焊縫表面缺陷的處理，通常采用打磨機進(jìn)行打磨或使用鏟鑿、鉆、銑等方法進(jìn)行完善；針對焊縫尺寸存在不達標或者弧坑未填滿(mǎn)等問(wèn)題，采取補焊的方法進(jìn)行處理；而對焊縫表面產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，則需要采取碳弧氣刨除去裂紋的方法，重新焊接，以此來(lái)修復裂紋^[9]。

 

（2）內部缺陷

 

在檢測后發(fā)現的內部缺陷，須要對返修部位的長(cháng)度、深度等信息進(jìn)行確認，并附加返修方案。在返修前，可用砂輪或碳弧氣刨清除返修部位的滲碳層，使其露出純凈的金屬光澤，以方便仔細檢查裂紋清除是否如出現焊縫長(cháng)度過(guò)長(cháng)的情況，可對其進(jìn)行分段退焊。當返修部位出現焊接中斷的情況，則須采取后熱或者相應的保溫措施，再次對返修部位進(jìn)行焊接時(shí)則需要先進(jìn)行無(wú)損檢測，確認無(wú)裂紋后才可以進(jìn)行補焊^[5]。補焊時(shí)若預熱溫度比原焊接預熱溫度高，且正反面在相同部位時(shí)，不允許進(jìn)行超過(guò)兩次的返修。補焊后仍需要進(jìn)行再次檢測，若返修還有不合格的情況，則須重新書(shū)寫(xiě)返修方案，在調查清楚原因后再次進(jìn)行返修。補焊后若檢測合格，則要詳細編寫(xiě)施工記錄和無(wú)損檢測報告等相關(guān)材料，以便進(jìn)行歸檔留存。在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形的構件，可以采用溫度≤900℃的熱矯正，使構件恢復正常。若采用熱矯正和機械矯正同時(shí)進(jìn)行的方法，則須注意避免出現藍脆現象，在加熱后要注意緩慢冷卻。

 

（3）過(guò)焊孔裂紋處理

 

當過(guò)焊孔裂紋向翼緣延伸時(shí)，考慮翼緣鋼板厚度較厚，結構部位重要性更大^[10]，需進(jìn)行換板處理；當過(guò)焊孔裂紋向腹板進(jìn)行延伸時(shí)，考慮腹板鋼板厚度較薄，結構部位重要性相對較小，可采取裂紋修復的方法進(jìn)行處理。

 

根據GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》相關(guān)要求，確定裂紋的起止點(diǎn)，在起止點(diǎn)位置分別鉆一個(gè)直徑為12～16m m的止裂孔，以此來(lái)清除裂紋；同時(shí)在腹板一側增加一個(gè)規格為20mm×200mm×300mm的補強板（見(jiàn)圖4），另一側加工成一個(gè)側邊斜面角＞10°的凹槽，并在碳弧氣刨后清理掉滲碳層。接著(zhù)根據全焊透對接焊縫的要求，將溫度調整到100～150℃進(jìn)行預熱，通過(guò)低氫焊接的方法進(jìn)行焊接。焊接結束后，需要進(jìn)行超聲波和磁粉檢測。經(jīng)檢測合格后，要在焊縫位置粘貼膠帶對其進(jìn)行保護，方便使用防火涂料后仍然可以進(jìn)行觀(guān)察。

 

a）起止點(diǎn)鉆孔止裂

b）背面焊接25mm厚補強板

c）正面刨成斜口、全熔透焊接

d）焊后檢測

圖4 下翼緣裂紋補強處理

 

5結束語(yǔ)

 

重型熱軋H型鋼相比焊接H型鋼應用于工程中不僅大大增加了工程施工的便利性，降低了加工成本，而且結構內部應力更小，質(zhì)量更可靠。在大跨度樓面桁架中，重型熱軋H型鋼的材料性能與力學(xué)性能滿(mǎn)足設計要求，在焊接工程中，應按照焊接工藝評定的要求執行各項標準規定，規范開(kāi)坡口和過(guò)焊口。由于重型熱軋H型鋼應用時(shí)涉及較多厚板焊接，所以焊前預熱和焊后保溫需嚴格執行工藝要求。焊后進(jìn)行無(wú)損檢測，對于產(chǎn)生的缺陷，制定合理的返修補強措施，確保桁架焊接質(zhì)量。