钢结构焊接技术发展趋势

    一、我国建筑钢结构焊接工程中的典型工程。

    截至目前，我国已建成60多幢高层焊接钢结构建筑；大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用；桥梁钢结构方兴未艾；钢结构住宅在我．国经过近几年的深入研究和开发后，也已进入一个新的发展阶段。

    建筑钢结构设计愈来愈先进、施工技术愈来愈成熟，使建筑钢结构形成了以下特点j

    外观上，结构形状新颖独特，标新立异，不与人雷同，体现了时代个性张扬的特点；

    材料的选用上，趋向于越来越多的使用高强度、大厚度钢材，并且随着材料制造工艺水平的不断提高，铸钢、奥氏体不锈钢、复合钢板也得到越来越多的应用。

    规模上，越来越多的超高层、大跨度世界级超大规模建筑在国内诞生；焊接作为构建钢结构的一种主要的连接方法，在建筑钢结构中发挥了重要的作用。据统计，约50％以上的钢材在投入使用前需要经过焊接加工处理。因此，焊接水平的提高是实现钢结构技术快速发展的关键所在。

    二、从“鸟巢”钢结构焊接工程看建筑钢结构焊接技术的发展方向

    建筑钢结构焊接方式通常有以下几种：SMAW(焊条电弧焊)，主要用于钢结构制作中辅助焊缝的焊接；SAW(埋弧焊)，主要用于钢结构制作中主焊缝的焊接工作；GMAW(CO₂实焊丝气体保护焊)，主要用于现场安装工程、制作工程的主、次焊缝的焊接；FCAW—G(CO₂药芯焊丝气体保护焊)，主要用于现场安装工程、制作工程主、次焊缝的焊接；电渣焊(ESW)，主要用于BOX构件筋板的焊接；栓钉焊(SW)，主要用于劲性构件的栓焊和楼层板的穿透焊。

    “鸟巢”钢结构焊接工程中全部采用了上述方式，在现场的安装工程中主要采用了以下14种技术：Q460－Z35焊接性试验研究新技术；大规模采用电加热预(后)热技术；厚板采用SMAW－GMAW—FCAW—G复合新工艺技术；大面积采用仰焊技术；GMAW、FCAW—G大流量防风技术；钢结构低温焊接技术；铸钢及其异种钢焊接技术；防止冷、热裂纹技术；层状撕裂防止和处理技术；特殊焊缝处理技术；焊接机器人(FCAW—SS)焊接技术的应用；钢筋T型焊接接头压力埋弧焊新工艺；复杂钢结构应力应变控制技术；特殊钢结构合拢技术。

    “鸟巢”钢结构焊接工程所用的14项焊接技术是十分典型的，基本代表了建筑钢结构焊接技术的发展方向，以此为线索，来阐述建筑钢结构焊接技术的发展。

    (一)新钢种焊接性试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点

    2004年，低合金高强钢ASTMA913Gr60(相当于Q420)在北京新保利大厦工程成功使用，经过两年的发展，目前，国内已有数个钢结构工程使用高强钢，如国家体育场(鸟巢)使用国产Q460E—Z35钢，最大板厚110mm，国家游泳中心(水立方)工程使用国产Q420C钢，中央电视台新台址工程更是使用了Q390D、Q420D—Z25、Q460E—Z35级别钢，高强钢在建筑钢结构中的广泛应用，带动了高强钢焊接技术的发展。

    据查，Q460－Z35钢在我国第一次大规模生产和应用，也是世界首次使用厚度为110mm，总重为750t的工程；因此焊接性试验方法具有极大的推广应用价值。Q460－Z35钢焊接性试验的技术路线为新钢种焊接性试验提。供了有益的经验。

    建筑钢结构用高强钢性能获得途径：合金强化；组织强化(如淬火＋回火)；控轧控冷工艺(TMCP)；淬火+自回火控制轧制(QST)。

    1、连铸或连铸连轧工艺的应用

    目前各大钢厂已全部采用连铸或连铸连轧工艺代替钢锭浇铸，并施加电磁搅拌技术，使得过去钢板的偏析与夹层缺陷已经基本绝迹。

    2、冶炼技术得到大幅度的提高

    铁水预处理、复合吹炼、炉外精炼等先进炼钢技术的应用，使钢水中的S、P、O、N、H等杂质已大幅度降低。

    3、控轧控冷(TMCP)技术的应用

    控轧指在更低的温度下轧制，抑制高温奥氏体晶粒长大；控冷即轧后立即加快冷却速度，既避免晶粒长大，又提高形核率、产生强韧性更高的细小贝氏体或针状铁素体，通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。传统的细晶粒钢其晶粒直径＜100μm，而TMCP钢的晶粒可达到10～50μm，超细晶粒钢的晶粒可达0．1～10μm。

    4、低合金和微合金高强钢的发展

    目前用于造船、桥梁、钢结构建筑、压力容器、低温钢、耐热钢、管线钢等都在向“纯净化、低碳、超低碳、微合金化和控轧控冷”方向发展。低合金(合金含量＜5％)和微合金(微合金元素总量＜0．2％)高强钢不仅是我国，也是世界钢铁工业的发展方向。具体特点是：

    ①降碳，是为了改善塑性、韧性和焊接性。碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。因此，新钢种中都严格控制碳含量，有的甚至达到超低碳水平。

②微合金化技术通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、N1)、Al、Re等提高强度、改变组织、细化晶粒、净化基体，使钢实现强韧

    ③高洁净化：通过精炼，清除杂质，净化基体，控制W(S、P、O、N、H)的质量分数。钢中杂质S、P、O、N、H的总质量分数从普通钢的W(S+P+O+N+H)＜0．025％降到经济洁净钢的W(S+P+O+N+H)＜0．012％。

    5、新一代钢铁材料的发展

    新一代钢铁材料的特色是：超洁净度、超均匀性、超细晶粒，在不增加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高一倍。超洁净度是指钢中W(S+P+O+N+H)＜0．008％；超细晶粒是指晶粒直径在0．1～10μm之间；超均匀性是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主导地位。

    任何事物都是“一分为二”的，新钢种也不例外：碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利的影响。不同钢种所出现的焊接性问题不一。在合金结构钢中，随着碳及合金元素含量增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏。

    1．焊接裂纹

    微合金控轧控冷钢碳及杂质含量低，C、S、P等元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。但由于在成形焊接和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力，特别是在采用多丝大线能量埋弧焊时，由于焊缝晶粒过分长大，出现C、S、P局部偏析也容易引起结晶裂纹。随着强度级别的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。线能量小，冷却速度较快，熔敷金属含氢量高，因而会增加冷裂纹的敏感性，强度越高，冷裂问题将越突出。

   2．热影响区的脆化

    热影响区的脆化是细晶钢焊接时常常发生的问题，一般所用的线能量越大，脆化倾向越严重。HAZ的脆化问题主要有粗晶区(CGHAZ)脆化、临界热影响区(ICHAZ)脆化、多层焊时临界粗晶热影响区(IRCGHAZ)脆化、过临界粗晶热影响区脆化(SRCGHAZ)、亚临界粗晶热影响区(SCGHAZ)脆化等。其中，CGHAZ、IRC GHAZ、 和SCGHAZ的脆化是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域。

    为防止热影响区的脆化，采用合适的焊接工艺参数焊接时通过调整焊接工艺参数，减小高温停留时间，避免奥氏体晶粒长大；采用合适的冷却时间t_8/5，使HAZ获得韧化组织。

    3．由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。

    ①焊缝金属的强韧化

焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。对400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性，这对建筑钢结构而言，已经足够了。

    ②热影响区的晶粒长大倾向

    对于超细晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。这不仅会造成HAZ的脆化，而且还会导致HAZ的软化。

    (二)克服焊接常见裂纹是焊接技术的长期工作

    美国国家标准ANSI／AASHTO／AWSD 1．5—96对建筑钢结构的裂纹有明确的阐述：裂纹通常与焊缝和母材中缺陷附近应力增大有关，或者与焊件设计引起的机械缺口附近的应力增大有关。高的残余应力经常存在，而氢脆常常是促使裂纹生成的重要原因，从本质上讲，与焊接有关的裂纹通常为脆性，裂纹边界处很少出现塑性变形。

    裂纹可以分冷裂纹和热裂纹。热裂纹产生于高温，通常在金属熔点附近的温度当金属凝固时形成。冷裂纹可能在焊接完成后的数小时甚至更长时间才形成，通常与氢脆有关。冷裂纹既沿晶扩展，又穿晶扩展。根据裂纹的方向，又可分为纵向裂纹和横向裂纹。所有裂纹都是由拉应力引起，拉应力可以是残余应力、次级应力和作用应力的合力。裂纹的起始和扩展很大程度上受到有应力集中的缺陷存在的影响。

    在建筑钢结构焊接工程中，由于焊接引起的各种裂纹统称焊接裂纹(包括层状撕裂)。焊接裂纹在焊缝金属和HAZ中都可能发生，是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生的最危险缺陷。焊缝裂纹既可能在焊接过程中产生，也可能在焊接完成后的相当时间内产生，有极大的隐蔽性和破坏性，是建筑钢结构焊接工程首要防范的缺陷之一。

    根据以上描述和实践经验的总结，建筑钢结构焊接工程中，焊接裂纹的产生主要有三种形式：1、复杂钢结构体系中的热裂纹；2、冷裂纹；3、厚板工程中的层状撕裂。

    建筑钢结构焊接工程焊接裂纹的产生原因很多，涉及到焊接工程的全过程，涉及到管理和技术两大方面，同时也涉及到管理者和操作工。

    (三)建筑钢结构厚板焊接工程要防“层状撕裂”产生

    随着建筑钢结构设计理念的进步，建筑钢结构以大跨度：大厚度、超高强钢材，夸张、新颖别致的结构体系不断出现，这类钢结构体系(比如：国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程)特殊而复杂，不可避免地出现一些特殊的接头形式，由于钢结构体系设计的需要和设计人员经验不足所致，有的形式是不合理的甚至是错误的，比如：十字和丁字焊接接头的出现增大了产生层状撕裂的可能性。

    同时由于钢结构体系应力应变状况复杂，焊接接头的钢板Z向受力增加，同样产生层状撕裂的危险性增加。在强大的拉应力场作用下，有些工程中采用有Z向性能的钢材、甚至在不厚的钢板上也产生了层状撕裂。作为施工单位在实践经验的积累过程中，具有抗层状撕裂能力的Z向钢材不能完全抵抗层状撕裂的事实，迫使对层状撕裂产生的机理重新思考。

    层状撕裂之所以危险，主要在隐蔽性、破坏性。外观上没有任何迹象，现有的NDT技术难以发现。即使发现了，修复起来也很困难，且成本很高。层状撕裂在焊接过程中即可形成，也可以在焊接结束后启裂和扩展，甚至还可以延迟至使用期间才见到层状撕裂，具有延迟破坏的性质。更为严重的是，发生层状撕裂的结构多为大型厚壁结构，如海洋石油平台、核反应堆压力容器、潜艇外壳等，在建筑钢结构焊接工程中是保证整个结构安全运营的

受力焊接接头。这些焊接接头因层状撕裂造成的事故是灾难性的。日本坂神、美国洛杉矶大地震的钢结构倒塌灾难元凶之一就是层状撕裂。

    层状撕裂的另外一种危险性是很难处理。当结构运营过程中，应力状态发生改变，特别是应力突然变大时仍然可能再次发生层状撕裂。对此所有焊接技术工作者应当引起高度的重视!

    (四)新一代钢种的焊接工艺评定将成为具有否决权的工序

    由于焊接工艺评定的重要性，国内外焊接工程技术管理人员十分重视这一项工作。各国的技术规程、标准，对此作了明确的规定。我国的JGJ81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》第五章对焊接工艺评定作了具体规定，并在建筑钢结构焊接工程中得到认真的贯彻，发挥了极大的作用。

    从理论上分析：建筑钢结构焊接工艺评定是以金属焊接性试验的结论为依据。是一项验证性的工作，主要实现两大目的：验证所拟定的焊接工艺是否正确；评价施工单位是否能焊出符合有关要求的焊接接头。

    自动焊技术有可能成为建筑钢结构焊接工程的技术发展的另一个方向，由于建筑钢结构向厚板、大跨度方向发展，给焊接机器人(自动焊技术、FCAW—GA、FCAW—SA)带来了发展的空间，特别是同防风性能良好的药芯自保护焊技术相组合，可望实现技术上的突破，推动建筑钢结构焊接技术进步。