重型熱軋H型鋼在大跨度桁架和鋼梁中的焊接應(yīng)用

呂偉鋒，尚文彪，張宏杰，包忠峰

1.上海寶冶集團(tuán)有限公司 上海 200941

2.長三角鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會 上海 200040

1 序言

在洛陽市科技館工程中，五層樓面結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁架空間結(jié)構(gòu)，桁架為H型截面的雙層桁架，跨度54m，在十字交叉處桁架最大跨度75m，鋼材選用牌號為Q390GJC的重型熱軋H型鋼，最大板厚達(dá)70mm，該重型熱軋H型鋼首次應(yīng)用于國內(nèi)大跨度公共建筑主體結(jié)構(gòu)上。

在超高層或超大跨度的公共建筑中，往往通過各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而重型熱軋H型鋼的應(yīng)用，可獲得更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，材料性能較好，大大降低了焊接與焊縫檢測工作量，為現(xiàn)場施工提供便利性。目前，國內(nèi)熱軋H型鋼的使用量在鋼結(jié)構(gòu)工程中占比較小，主要在工業(yè)建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多[1]，在民用建筑領(lǐng)域還有較大的發(fā)展空間。

2 390GJC重型熱軋H型鋼技術(shù)指標(biāo)

2.1 力學(xué)性能與化學(xué)成分

Q390GJC鋼力學(xué)性能見表1。由表1可知，材料具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、較高的安全儲備。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(qū)的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的最大塑性變形量優(yōu)于普通鋼材，滿足厚度方向抗撕裂性能。

表1 Q390GJC鋼力學(xué)性能

Q 3 9 0 G J C鋼化學(xué)成分見表2。由表2可知，該鋼中添加了V 、Ti、N b等合金元素，且wV+Ti+Nb=0.1%、碳當(dāng)量CEV=0.45%，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.275%。通過以上指標(biāo)可看出，鋼材抗開裂性優(yōu)良，焊接冷裂紋敏感性好，但在焊接工程中需嚴(yán)格控制預(yù)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?jǐn)?shù)） （%）

2.2 焊接材料性能

根據(jù)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(qiáng)度等強(qiáng)。工程現(xiàn)場選用了T492T1-1C1A型藥芯焊絲，保護(hù)氣體為純度99.98%（露點≤-40℃）的CO2。焊絲的化學(xué)成分見表3，其熔敷金屬的力學(xué)性能見表4。

表3 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

3 焊接工藝

3.1 焊接方法及設(shè)備

在焊接工作開始前，針對該工程390GJC鋼的焊接施工特點，按照GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)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(yù)熱溫度等基本信息。為確定切合實際的工藝參數(shù)和焊接措施，選取現(xiàn)場具有代表性的母材、焊絲等，由專業(yè)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(jié)構(gòu)主要是外露型構(gòu)件，根據(jù)現(xiàn)場施工條件，結(jié)合鋼材焊接性能，采用CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。該方法由于熔敷效率高，速度為焊條電弧焊的2～3倍，且焊接時更加穩(wěn)定，容易脫渣，產(chǎn)生的飛濺較少，因此焊道成形更加美觀。在現(xiàn)場焊接過程中，更加適應(yīng)現(xiàn)場的用電環(huán)境，適應(yīng)焊接電流、電弧電壓條件范圍廣。根據(jù)鋼材的材料性能以及H型鋼的板厚，確定焊接時的預(yù)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(shù)見表5。

表5 主要焊接參數(shù)

3.2 焊接節(jié)點構(gòu)造

焊接的節(jié)點主要為單邊V形坡口，如圖1所示。坡口采用切割機(jī)加工，用角磨機(jī)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焊時，尺寸一般為50mm×30mm×t（t為板厚），自動焊時一般為120mm×80mm×t，選擇與H型鋼母材性能相近的板材，焊后通過氣割的方式進(jìn)行切割并磨平。

圖1 不同接頭的坡口形式

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

圖2 過焊孔切角構(gòu)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(gòu)件現(xiàn)場拼接接頭上下各100mm，以及框架梁柱節(jié)點梁的翼緣上下各600mm范圍內(nèi)，均要求全熔透焊接，焊縫等級為一級，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(dāng)采用重型熱軋H型鋼進(jìn)行組裝焊接時，僅考慮組裝接頭即可，重型熱軋H型鋼本身為一體鑄造結(jié)構(gòu)，相對于焊接H型鋼，不僅結(jié)構(gòu)更可靠，而且內(nèi)部應(yīng)力小，對結(jié)構(gòu)更有利。

焊接作業(yè)前，檢查焊接現(xiàn)場條件是否滿足焊接工藝評定試驗結(jié)果的要求，尤其是焊絲、保護(hù)氣體等。由于焊接時溫度較低，所以焊前預(yù)熱及焊后保溫措施應(yīng)嚴(yán)格按照評定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5]。在焊接過程中，應(yīng)在試弧板上對比調(diào)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(xiàn)場拼裝焊縫的焊接。確定焊接順序時主要是以焊接變形最少為原則，采用對稱焊接方式，先焊接變形量大的部位，焊接時平衡加熱量以降低焊接應(yīng)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焊接。沿中間向兩邊的方向進(jìn)行對稱跳焊，以減少扭曲變形的發(fā)生。

（3）焊前預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)熱及層間溫度加熱，板厚＜20mm時也可用火焰加熱。預(yù)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，以厚板確定預(yù)熱溫度。預(yù)熱時，在焊縫的兩側(cè)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(qū)域鋼材背面測溫，測量點在距電弧經(jīng)過前的焊接點各方向≥75mm處，根據(jù)板厚不同，適當(dāng)提高正面預(yù)熱溫度，從而使全板厚達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度；當(dāng)用火焰加熱器時正面測量應(yīng)在加熱停止后進(jìn)行。層間溫度范圍的最低值與預(yù)熱溫度相同，其最高值應(yīng)滿足母材熱影響區(qū)不過熱的要求，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℃。保溫時間按每25mm板厚≥1h確定，達(dá)到保溫時間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測溫方法和操作人員培訓(xùn)要求與預(yù)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(yù)熱溫度50℃的溫度進(jìn)行預(yù)熱，且預(yù)熱的區(qū)域也需要加寬，以防止產(chǎn)生焊接裂紋。

根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度，鋼結(jié)構(gòu)提升完成預(yù)計在11月底，為最大限度地減小溫度變化在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，在跨度較大位置的接頭焊接需要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度，選擇在天氣晴朗的中午前后，此時溫度與該市全年平均氣溫接近。其他環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞2m/s時，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膿躏L(fēng)措施或采用抗風(fēng)式焊機(jī)；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞8m/s或相對濕度≥80%時，需停止露天焊接。

4 焊接常見問題及解決措施

4.1 焊縫檢測方法

根據(jù)GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[3]的規(guī)定進(jìn)行焊縫檢測，其中全熔透一級焊縫全部進(jìn)行超聲波或射線檢測，二級焊縫按20%抽樣檢測。焊縫檢測時根據(jù)同一施焊條件的焊縫數(shù)量計算百分比，對熱軋H型鋼對接焊縫周圍的母材也要進(jìn)行檢測。

焊縫檢測時需注意焊縫表面是否出現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊、焊高不足等情況，并進(jìn)行記錄。對于內(nèi)部缺陷通過超聲波進(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(gòu)件施工過程中，焊接裂紋是最難處理的一種缺陷。裂紋較輕微時還可返修，裂紋較嚴(yán)重時構(gòu)件只能報廢。焊接裂紋包含以下幾種類型：弧坑或焊腳或焊縫根部裂紋、焊縫或熔合線或熱影響區(qū)裂紋、表面或內(nèi)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，針對上述問題進(jìn)行了全焊縫的檢查。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)在樓面桁架進(jìn)行拼裝焊接的前期始終未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，但在拼裝基本成形后，由于桁架內(nèi)應(yīng)力隨著拼裝過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(yīng)力影響，所以在對現(xiàn)場700余處過焊孔檢查時，發(fā)現(xiàn)5處從過焊孔位置向腹板延伸的裂紋，裂紋長度均＜50mm?，F(xiàn)場及時鉆止裂孔后，對這些裂紋進(jìn)行修復(fù)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(cè)500mm范圍內(nèi)進(jìn)行二次打磨，對母材進(jìn)行檢測，未再發(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，焊縫裂紋出現(xiàn)位置相同，全部出現(xiàn)在熱軋H型鋼的下翼緣與腹板交接位置，且均為坡口側(cè)裂紋。熱軋H型鋼的上翼緣處由于過焊孔的存在，故不易形成應(yīng)力集中。而下翼緣上平焊坡口側(cè)腹板與翼緣連接焊縫更近，在熱影響區(qū)更容易形成應(yīng)力集中。與其他未出現(xiàn)焊縫裂紋的相同桁架位置進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問題的下翼緣過焊孔存在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(qū)域如圖3所示。

圖3 裂紋產(chǎn)生區(qū)域

針對重型熱軋H型鋼的焊接，需要嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)定的焊接構(gòu)造措施，設(shè)置規(guī)范的坡口及過焊口，對于小角度、窄間隙的焊接坡口，容易造成焊縫成形系數(shù)過小的問題，應(yīng)該避免使用這種坡口。焊接過程中應(yīng)盡量減少焊接應(yīng)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，同時對焊接過程中的電流與速度進(jìn)行控制，焊前要加強(qiáng)預(yù)熱，以此來減緩焊縫在冷卻結(jié)晶過程中的冷卻速度。通過制定合理的焊接順序，使大多數(shù)焊縫在較小的拘束度下焊接，最大限度地減少焊縫收縮拉力；同時焊后必須要對焊縫進(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(xiàn)[4]。

4.3 補(bǔ)強(qiáng)措施

（1）焊縫表面缺陷 主要表現(xiàn)為焊縫表面出現(xiàn)的未焊滿、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肉眼直接發(fā)現(xiàn)。但是，不同等級的焊縫質(zhì)量要求也會不同，通常采取磁粉或滲透檢測來確定裂縫的大小。針對焊縫表面缺陷的處理，通常采用打磨機(jī)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(dá)標(biāo)或者弧坑未填滿等問題，采取補(bǔ)焊的方法進(jìn)行處理；而對焊縫表面產(chǎn)生裂紋的問題，則需要采取碳弧氣刨除去裂紋的方法，重新焊接，以此來修復(fù)裂紋[9]。

（2）內(nèi)部缺陷 在檢測后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷，必須要對返修部位的長度、深度等信息進(jìn)行確認(rèn)，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(xì)檢查裂紋清除是否徹底。如出現(xiàn)焊縫長度過長的情況，可對其進(jìn)行分段退焊。當(dāng)返修部位出現(xiàn)焊接中斷的情況，則必須采取后熱或者相應(yīng)的保溫措施，再次對返修部位進(jìn)行焊接時則需要先進(jìn)行無損檢測，確認(rèn)無裂紋后才可以進(jìn)行補(bǔ)焊[5]。補(bǔ)焊時若預(yù)熱溫度比原焊接預(yù)熱溫度高，且正反面在相同部位時，不允許進(jìn)行超過兩次的返修。補(bǔ)焊后仍需要進(jìn)行再次檢測，若返修還有不合格的情況，則必須重新書寫返修方案，在調(diào)查清楚原因后再次進(jìn)行返修。補(bǔ)焊后若檢測合格，則要詳細(xì)編寫施工記錄和無損檢測報告等相關(guān)材料，以便進(jìn)行歸檔留存。在焊接過程中產(chǎn)生變形的構(gòu)件，可以采用溫度≤900℃的熱矯正，使構(gòu)件恢復(fù)正常。若采用熱矯正和機(jī)械矯正同時進(jìn)行的方法，則必須注意避免出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，在加熱后要注意緩慢冷卻。

（3）過焊孔裂紋處理 當(dāng)過焊孔裂紋向翼緣延伸時，考慮翼緣鋼板厚度較厚，結(jié)構(gòu)部位重要性更大[10]，需進(jìn)行換板處理；當(dāng)過焊孔裂紋向腹板進(jìn)行延伸時，考慮腹板鋼板厚度較薄，結(jié)構(gòu)部位重要性相對較小，可采取裂紋修復(fù)的方法進(jìn)行處理。

根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》相關(guān)要求，精準(zhǔn)確定裂紋的起止點，在起止點位置分別鉆一個直徑為12～16m m的止裂孔，以此來徹底清除裂紋；同時在腹板一側(cè)增加一個規(guī)格為20mm×200mm×300mm的補(bǔ)強(qiáng)板（見圖4），另一側(cè)加工成一個側(cè)邊斜面角＞10°的凹槽，并在碳弧氣刨后清理掉滲碳層。接著根據(jù)全焊透對接焊縫的要求，將溫度調(diào)整到100～150℃進(jìn)行預(yù)熱，通過低氫焊接的方法進(jìn)行焊接。焊接結(jié)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(hù)，方便使用防火涂料后仍然可以進(jìn)行觀察。

圖4 下翼緣裂紋補(bǔ)強(qiáng)處理

5 結(jié)束語

重型熱軋H型鋼相比焊接H型鋼應(yīng)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(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)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)性能滿足設(shè)計要求，在焊接工程中，應(yīng)按照焊接工藝評定的要求執(zhí)行各項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，規(guī)范開坡口和過焊口。由于重型熱軋H型鋼應(yīng)用時涉及較多厚板焊接，所以焊前預(yù)熱和焊后保溫需嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求。焊后進(jìn)行無損檢測，對于產(chǎn)生的缺陷，制定合理的返修補(bǔ)強(qiáng)措施，確保桁架焊接質(zhì)量。