钢结构工程冬季低温焊接技术

冯关明，代丽霞

（1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴312000；2.浙江精工钢结构有限公司，浙江绍兴312000）

0 前言

冬季施焊的难题一直困扰着焊接界，对冬季施工的可行性一直处在两可之中，没有准确的定论。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程在进入冬季施工前，进行了一次大规模的低温焊接试验。根据试验结果制定了低温焊接规程。在整个冬季施工过程的应用中，获得了成功，通过本技术的探索施工，基本可以满足华北地区冬季施工的要求，对于缩短建设周期、节约建设成本有重要意义。

1 低温焊接技术特点

建筑钢结构工程低温焊接技术是通过大规模的低温焊接试验和实践应用中总结形成的，主要特点有：

（1）尽量通过提高环境温度，特别是母材本身的温度和加强后热工艺，确保低温焊接成功。

（2）充分重视准确的预热温度、层间温度。低温焊接试验表明，预热温度的差别会带来强度上的差别，特别是厚板焊接，低温环境肯定会影响强度指标。预热温度的降低或不预热以及不控制层间温度必然会降低焊缝的综合指标。这是因为环境温度过低加速了焊缝冷却所致。

（3）优良的抗裂性能成为焊接材料选择的主要标准。冷、热裂纹是低温焊接的主要缺陷，在焊接材料的选择上，除要保证强度外，还要优先考虑抗裂性能。

（4）通过后热、保温缓冷等措施降低焊缝冷却速度，从而减少裂纹的发生。

（5）综合考虑焊接应力对焊缝影响，采取其他工艺措施。

（6）该技术适用于负温（小于等于-15℃）条件下建筑钢结构的室外焊接。主体结构、分部工程（钢结构子分部工程）、焊接分项工程施工和验收。

2 低温焊接技术施工程序

在工程中树立“三全”的管理思想：即全面的质量概念、全过程的质量管理、全员参加的质量管理。本技术具体的关键施工程序如下：

（1）编制焊接专项方案；（2）进行焊接工艺评定；（3）进行焊接材料复检；（4）焊前准备——打磨、预热、焊条烘焙、搭设防风保温棚等；（5）焊中监测——层间温度、焊接手法、焊接规范、AV值、环境温度监测；（6）焊后处理——后热保温缓冷、焊缝清理；（7）焊缝检测——VT、UT。

3 低温焊接技术施工原理

钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断，其脆断机理受温度下降的速率变化而变化，其中有一定的客观规律。

（1）低温焊接条件下，焊缝的冷却速度较常温下增大，直接后果是t8/5下降，晶粒度粗大，冷裂纹的敏感性也相应增加。

（2）在结构拘束度很大的前提下，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。

（3）冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，使冷裂纹的效应增加。延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。

（4）低温下发生脆断的可能性增加，当构件的工作温度低于材料脆性转变温度的情况下，拉应力和焊接残余应力共同作用，结构的静载强度大幅度降低，可能在远低于材料的σs点的外力作用下发生脆断。

（5）预热效果变差，相同的温度，相同的预热时间，低温下的效果远比常温差，同时也影响t8/5。

建筑钢结构低温焊接技术在基于上述规律的基础上通过工艺试验确定工艺参数。但与实际工程相比，焊缝所处的工况完全不同，照搬工艺试验的结果很可能适得其反，甚至造成严重后果。在实际工程中，低温焊接防治冷裂纹的同时，还须防范由于结构拘束度大、冷却速度加大的前提下，焊缝中心产生偏析，在应力作用下产生热裂纹。因此，在工程中应注意以下几条原则：

（1）根据结构特点，合理编排焊接顺序，减少焊接残余应力。

（2）钢材本身应实现正温即要采用各种不同的预热方式提高焊缝周围的环境温度，以此来保证焊缝综合指标。

（3）正确选择预热方式。在预热温度和预热规范确定的前提下，正确选择预热方式对控制裂纹的产生有重要意义。电加热与火焰加热相比具有明显的优势：预热区域受热均匀，能有效防止局部受热造成接头附加应力；升温速度均匀、可控，防止造成母材过热等现象，可达到母材充分均匀预热；对于整体结构焊缝而言，防止受热不均造成构件变形。因此，低温焊接特别是厚板焊接优先采用电加热方式。

（4）由于在正式结构焊接中采取刚性固定的方式，为防止由于氢和应力共同作用在焊缝根部产生延迟裂纹，对于板厚t≥40mm采取焊后紧急后热及保温缓冷措施，后热温度250℃~300℃；对于t＜40 mm采取焊后紧急保温缓冷措施。该措施可以降低焊缝的冷却速度，有助于扩散氢的逸出。

（5）由于氢在焊接熔合区附近的浓度值按马氏体、贝氏体、铁素体组织的变化依次降低，在异种钢焊接时由于热影响区组织形态的不同造成了氢在熔合区附近的浓度值分布不匀，当焊缝中存在应力集中点时，含氢量大的焊缝易出现延迟裂纹。因此在异种钢焊接时应特别注意预热和后热，这是继焊材选定之后决定成败的关键因素。

（6）控制线能量是防止焊接裂纹的有效途径。在低温施工中，SMAW焊接采用AV值控制线能量容易成功。在控制AV≥0.6的前提下，采用控制不同焊接位置的（见图1），实现大电流、薄焊道、多层多道的焊接技术，以提高焊缝热量，防止淬硬组织的产生。

图1 Av值对比图

4 低温焊接技术工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

低温焊接技术工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程

4.2 低温焊接工艺评定

（1）试验材料：根据工程低温焊接材料情况，结合本单位的低温焊接经验，参考《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）中有关焊接工艺评定的相关要求，确定试验材料规格。

（2）焊接方法、焊接材料及焊接位置的选择参考施工现场采用的焊接位置和焊接方法。焊缝金属的性能取决于组织和形态。在焊材的选配上，以满足焊缝金属强韧性要求为指标，通过调整焊缝金属微合金化的程度，同焊接规范相配合使焊缝金属产生针状铁素体而获得理想的焊缝强韧性，从而获得焊接工艺评定试验的成功，确保工程实体质量。

（3）环境温度设定：根据工程所在地点的历年气象资料，同时考虑操作人员在低温环境下的承受能力，确定负温焊接的温度范围。如在国家体育场低温焊接试验中，根据历年气象资料显示北京地区近年的低温平均水平约-15℃，确定-10℃为试验基本温度。在试验期间，增加气温变化幅度±5℃。

（4）预热参数确定：根据理论分析，低温焊接施工着重的要点是预防冷裂纹的出现。预热是防止冷裂纹的有效措施，其目的主要是为了增加热循环的低温参数t100，使之有利于氢的充分扩散溢出。预热温度的选择视施焊环境温度、钢材强度等级、焊件厚度或坡口形式、焊缝金属中扩散氢含量等因素而定，预热温度过高，一方面恶化了施工环境，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，产生冷裂，同时会使板状铁素体形成，因此不是预热温度越高越好。根据《建筑钢结构焊接技术规程》中对于钢材最低预热温度规定Q345GJD（δ=60 mm）最低预热温度为80℃，Q345D（δ=20 mm）可以不预热，但需要烘干焊接区域内的水分。

（5）焊接工艺参数设定：冷却条件的改变影响相变，同时也影响扩散氢的逸出和焊接应力的改变，因此焊接相变特征与焊接裂纹之间有重要的联系。焊接热影响区的组织取决于钢材的化学成分和焊接的冷却条件，热影响区的冷裂纹大多数在马氏体内部产生，焊接区冷却速度过大易产生马氏体组织。控制冷却速度，防止大量产生马氏体有利于防止冷裂纹的产生。在掌握母材焊接热影响区及焊缝的相变化的规律的基础上，根据经验公式计算焊接工艺参数，是低温焊接工艺参数确定的原则。

（6）焊后处理措施：由于液-固态氢溶解度不同，在结晶温度下液态溶氢量是固态时的4倍以上，溶氢较多的半溶化晶界起了“通道”作用，氢很容易沿着该通道从焊缝—熔合区—热影响区扩散。有关学者采用录像的方法拍摄了氢的瞬时逸出动态，深入研究了焊接区域氢的微观分布。发现焊后10 min时氢气泡大量逸出，焊后60 min时，已有相当数量的氢聚集在熔合区附近，特别是在焊缝根部熔合区。由于焊缝根部应力集中，使根部熔合区处拘束应力最大，氢大量扩散聚集之后，根部熔合区极易产生延迟裂纹。在焊接时，采取了焊后紧急保温缓冷的措施。

（7）焊接试板检验。

以国家体育场钢结构工程低温焊接工艺评定为例着重说明低温焊接工艺措施对焊接接头各项性能指标的影响。

按照《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）的相关要求，对试板进行外观和UT检测。外观采用5倍放大镜检查未发现表面气孔、夹渣、未熔合、焊瘤、裂纹等缺陷，外观成型良好，余高0～3 mm，全部合格。依据《钢焊接接头超声检测标准》GB/T11345-89BⅠ合格进行探伤，未发现气孔、夹渣、裂纹等超标缺陷，试板全部合格。通过UT检测，充分说明试验采取的工艺条件即预热措施、焊后保温措施能有效防止焊接裂纹的产生。

通过试验证明，氢的聚集开始于焊接区冷却到150℃~200℃时，在焊后1~2 h氢聚集达到最大值，然后逐渐耗散，氢聚集的位置主要在熔合区有缺口效应的部位，冷却到100℃后焊接区域的残余扩散氢才是真正诱发裂纹的氢含量。焊后采取的紧急保温缓冷措施，减缓焊缝冷却速度，使焊缝温度保持100℃一段时间，有效地保证了焊缝中氢的溢出。由于焊缝表面质量良好，没有应力集中点，熔合区缺口效应程度大大降低甚至消除。同时试板焊接时为自由状态，焊缝周围没有应力场存在。裂纹产生的基本条件不再成立。这就为低温焊接施工提供了理论依据。所有试板综合力学性能检验全部合格。

为了更加直观地比较低温环境对焊接接头综合力学性能的影响，增加Q345GJD（δ=60 mm）低温和常温环境焊接接头力学指标的对比，如表1所示。

表1 不同温度下焊接接头对比

a.试板拉伸试验比较分析。

根据低温焊接试验结果，对比相同材质板厚相近的焊接工艺评定试验结果如图3所示。

图3 试板拉伸试验

由图3可知，在相同的焊接位置、采用相同的焊接方法和焊接材料，在常温和低温环境下，试板抗拉强度全部合格，但Q345GJD（δ=60mm）的屈服强度常温环境比低温环境高约15 MPa。可见，在低温环境下厚板焊接接头强度有下降趋势，说明负温环境对焊接接头的屈服强度是有影响的。

b.试板弯曲试验结果。

试板按照弯心直径30 mm，弯曲角度180°，试板弯曲试验全部合格。

c.试板冲击试验结果分析。

对试板进行取样加工，每组试板在焊缝、熔合线、热影响区三个部位分别取3个冲击试件，按照D级钢-20℃冲击功Akv≥34 kJ的标准，进行冲击试验，试验结果全部合格，冲击试验的结果如图4所示。

图4 冲击值比较

4.3 操作要点

（1）焊工适应性训练及个人防护。

a.焊工在进行低温焊接前，需进行低温焊接技术理论教育和低温焊接适应性训练。低温焊接适应性训练用δ≥25 mm钢板，进行横、立、仰位置的施焊，以UT检测及外观检验合格为标准。

b.焊工在正式焊接前，必须具备个人防寒用品，包括棉鞋、帽子、护膝、手套等，必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。

（2）焊接设备防护。

a.焊机应尽量集中摆放在可移动的焊机防护棚内，防护棚内应设置加热设备，使焊机在正温状态下工作。

b.采用气体保护焊时，气瓶应尽可能集中存放，在气瓶存放棚应设有加热装置，实现正温管理，确保气体随用随有；单机使用时，气瓶必须采取加热保温措施，采用电热毯加热外包岩棉或其他保温材料进行保温保证液态气正常气化，使保护气体稳定通畅。

（3）焊接材料管理。

a.保护气体应使用纯度为99.9%的CO2气体，以保证焊接接头的抗裂性能。

b.严格焊材库的管理，焊条必须按标准进行烘干，烘干次数不得超过2次，在空气中的暴露时间不得超过2 h。

c.焊材库内必须有脱湿设备，焊材管理应符合相关规定。

d.药芯焊丝使用过程中应采取防潮措施，焊机上的焊丝防护罩必须保持完好，未用完的焊丝应及时送回焊材库，以免受潮。

（4）焊接方法及技术措施。

a.预热方式的设定：δ≥30 mm，采用电加热；δ≤25 mm，采用火焰预热。

b.预热温度要求如表2所示。

表2 钢材最低预热温度/℃

c.在拘束度大的情况下，预热温度应提高15℃～30℃。没有特殊说明时，执行上述规定。

d.异种钢焊接，预热温度应执行强度级别高的钢种的预热温度。

e.不同板厚对接，预热温度应执行板厚较厚的钢板预热温度。

f.根据构件的不同形式，确定预热位置和测温点布置，确保预热温度的准确。

g.采用电加热方式进行预热的构件，应进行伴随预热，层间温度不得低于预热温度，Q345钢不超过250℃，Q460E钢不超过200℃。

h.层间温度测温点在焊道的起始点。

i.采用火焰加热的主要目的是烤干焊接区域水气，实现正温焊接。烘烤范围是焊缝两边各50 mm，烘烤温度为20℃～40℃。焊接时需连续施焊。

j.焊接工作结束后，应立即进行紧急后热或保温。δ＜40 mm需紧急保温，采用岩棉包裹焊接接头，自然冷却；δ≥40 mm应进行后热处理，后热温度250℃～350℃，后热时间1～2 h，后采用岩棉保温缓冷。

k.焊接方法及工艺参数执行焊接工艺评定。

l.低温焊接采用接触式测温仪控制预热、后热及层间温度。

（5）焊接环境具体规定。

a.环境温度使用普通温度计监控。

b.低温焊接环境温度范围0～-15℃。低于-15℃，应停止焊接作业。

c.低温焊接时需搭设防风装置。

d.高空焊接作业时，防风装置应严密保温，特别是防风棚底部应密实，防止沿焊道形成穿堂风。

e.雪天及雪后进行作业时，焊缝两端1 m处应设置密封装置，防止雪水进入焊接区域。

5 低温焊接技术主要管理点

5.1 质量管理

施工质量管理如表6所示。

表3 质量管理要点

5.2 安全措施

（1）焊工在正式焊接前，必须装备个人防寒用品，包括棉鞋、帽子、护膝、手套等，必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。

（2）低温焊接对焊工的个人体力消耗较大。倒班时间适当缩短。

（3）低温焊接操作时，应设有专门的监护人，对焊工工作状态进行监控及判断，必要时应采取相应措施保证焊接工作的顺利进行和焊工人身安全。

（4）下雪天气及雪后，进行高空焊接作业，通道应设专人清扫，特别扫除薄冰，以保证焊工的安全通行和保存焊工体力。

（5）严禁在明火附近焊接作业，严禁吸烟。氧气、乙炔、油漆等易燃易爆物料与焊接作业点火源距离不应小于10 m。氧气、乙炔、二氧化碳气使用时相互间距离要大于10 m，并要放在安全处按规定正确使用。

（6）焊接平台上应作好防火措施，防止火花飞溅引燃起火，电焊、气割时，先观察周围环境有无易燃物，并用火花接取器接取火花，防止火灾发生。焊接、切割完毕，应及时清理现场，彻底消除火种，经专人检查确认完全消除危险后，方可离开现场。

（7）使用电加热器时作业平台和专用吊栏上要铺木板，通电时操作人员不得接触构件，翻越构件时必须架梯并与构件隔离，一般情况电加热器停止工作后焊接再开始，必须作伴随加热时，要有特殊措施确保加热器、焊工均与工件绝缘。

美国国家标准AWSD1.1/D1.1M：2006《钢结构焊接规范》规定：-20℃为停止焊接的温度，但又申明采取了相应措施仍然可以焊接，不过这个规定温度每年都有应用规定上的变化。

日本建筑学会JASS6《钢结构工程》规定的最低施焊温度为-5℃。

该技术既保证了焊缝质量、提高了焊缝的一次合格率，又解决了国内焊接界担心冬季施工问题的困扰，为工程界提供了成功经验。