钢结构中厚板的焊接技术

钢结构中厚板的焊接技术
从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，建筑钢结构在国民经济建设中占有非常重要的地位。

钢结构由于自身的诸多优点，包括自重轻、建设周期短、适应性强、造型美观、维护方便等，其应用越来越广泛。

钢结构的发展与钢产量紧密相关。

我国已经成为世界产钢大国，2006年中国生产钢已达4.1亿t，其中钢结构的产量高达1.4亿t，能源、交通、冶金、机械、化工、电力、建筑及基础设施建设等领域的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。

我国轻钢钢结构、空间钢结构、高层钢结构、桥梁钢结构和住宅钢结构等工业与民用建筑，如雨后春笋般涌现，遍布全国。

与此同时，建筑钢结构中厚钢板得到越来越大量的使用，如北京新保利大厦工程使用的轧制H型钢翼板厚度达到125mm（ASTMA913Gr60），国家体育场（鸟巢）工程用钢最大板厚达110mm（Q460E-Z35），大量钢结构工程采用厚钢板，促进了厚钢板焊接技术的发展，同时也丰富了建筑用钢的范围。

厚板焊接
厚板、超厚板焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大，焊后应力和变形大。

焊接施焊过程中，易产生热裂纹与冷裂纹。

厚板在焊接前，钢板的板温较低，在开始焊时，电弧的温度高达1250～1300℃，厚板在板温冷热骤变的情况下，温度分布不均匀，使得焊缝热影响区容易产生淬硬——马氏体组织，焊缝金属变脆，产生冷裂纹的倾向增大，为避免此类情况发生，厚板焊前必须进行加热。

在实际生产制造过程中，应对焊接过程进行控制，以防止焊接裂纹的产生。

1. 定位焊：定位焊是厚板施工过程中最容易出现问题的部位。

由于厚板在定位焊时，定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，对材质造成损坏。

解决的措施是厚板在定位焊时，提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。

2. 多层多道焊：在厚板焊接过程中，坚持的一个重要的工艺原则是多层多道焊，严禁摆宽道。

这是因为厚板焊缝的坡口较大，单道焊缝无法填满截面内的坡口，摆宽道焊接造成的结果是，母材对焊缝拘束应力大，焊缝强度相对较弱，容易引起焊缝开裂或延迟裂纹的发生。

而多层多道焊有利的一面是：前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个“预热”的过程；后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个“后热处理”的过
程，有效地改善了焊接过程中应力分布状态，利于保证焊接质量。

3. 焊接过程中的检查：厚板焊接不同于中薄板，需要几个小时乃至几十小时才能施焊完成一个构件，因此加强对焊接过程的中间检查，显得尤为重要，便于及时发现问题，中间检查不能使施工停止，而是边施工、边检查。

如在清渣过程中，认真检查是否有裂纹发生。

及时发现，及时处理。

4. 厚板对接焊后，应立即将焊缝及其两侧各100～150mm范围内的局部母材进行加热，加热时采用红外线电加热板进行。

加热温度到250～350℃后用石棉铺盖进行保温，保温2～6h后空冷。

这样的后热处理可使因焊前清洁工作不当或焊剂烘焙不当而渗入熔池的扩散氢迅速逸出，防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。

厚钢的超声波检测应在焊后48h或更长时间进行。

如进度允许，也可在构件出厂前再次进行检测，确保构件合格，以免延迟裂纹对工件的破坏。

厚板焊接变形与焊接应力的控制
在焊接过程中，厚板对接焊后的变形主要是角变形。

实际生产中，为控制变形，往往先焊正面的一部分焊道，翻转工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻转工件，
这样如此往复。

一般来说，每次翻身焊接三至五道后即可翻身，直至焊满正面的各道焊缝。

同时在施焊时要随时观察其角变形情况，注意随时准备翻身焊接，以尽可能地减少焊接变形及焊缝内应力。

另外，设置胎模夹具，对构件进行约束来控制变形，此类方法一般适用于异形厚板结构，由于厚板异形结构造型奇特、断面、截面尺寸各异，在自由状态下，尺寸精度难以保证，这就需要根据构件的形状，制作胎模夹具，将构件处于固定的状态下进行装配、定位、焊接，进而来控制焊接变形。

选择与控制合理的焊接顺序，即是防止焊接应力的有效措施，亦是防止焊接变形的最有效的方法之一。

根据不同的焊接方法，制定不同的焊接顺序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法；编制合理的焊接顺序的方针是“分散、对称、均匀、减小拘束度”。

构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。

一般在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。

对于刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。

在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。

因此焊接应力的控制与消除构件在制作过程中显得十分重要。

控制应力的目标是降低应力的峰值并使其均匀分布。

在焊接较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

在焊接过程中为了减少焊接热输入流失过快，避免焊缝在结晶过程中产生裂纹，当板厚达到一定厚度时，焊前应进行预热，对焊缝周边一定范围内进行加热，加热温度视板厚及母材碳当量（CE）而定。

当构件上某一条焊缝经预热施焊时，构件焊缝区域温度非常高，伴随着焊缝施焊的进展，该区域内必定产生热胀冷缩的现象，而该区域仅占构件截面中很小一部分，此外的部分母材均处于冷却（常温）状态，由此对焊接区域产生巨大的刚性拘束，造成很大应力，甚至产生裂纹。

若此时在焊缝区域的对称部位进行加热，温度略高于预热温度，且加热温度始终伴随着焊接全程，则上述应力状况会大为减小，构件变形亦会大大改观。

虽然采取一定措施可控制焊接应力，但是大多数厚板构件焊完后仍然存在相当大的应力，需在构件完工后在其焊缝背部或焊缝二侧进行烘烤以消除残余应力。

我国建筑钢结构的焊接技术已有了长足进步和发展，在物理、化学、冶金、材料、电子、计算机、自动控制等学科迅猛发展的今天，随着新技术、新材料、新设备、新工艺的不断涌现，我国建筑钢结构制造与安装焊接技术，必将得到更快更好的发展。

新型技术如：新型数字化智能化弧焊逆变电源，激光焊接与切割，超高压电子束焊接，焊接机器人系统，钢结构生产的4C控制技术，即计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助加工（CAM）、计算机辅助检测（CAT）、计算机辅助评价（CAE）等将逐步涉足建筑钢结构领域，使建筑钢结构的焊接技术水平提升到一个新的层次。

(作者：河北金环钢结构工程有限公司安建文)。