建筑钢结构行业发展对焊机及焊材的需求趋势

中国工程建设焊接协会副秘书长 戴为志

曾几何时，神州大地的钢结构工程轰轰烈烈，创造了一个又一个奇迹，促使我国的钢结构大踏步进入了成熟期，迅速成为名符其实的钢结构大国；然而，在奥运、世博钢结构工程的高峰期之后，建筑钢结构技术进步向何处去？发展趋势又是什么？人们不得不面对钢结构行业十分严峻的局面，去分析现状、思考我们的工作。

分析思考问题的切入点就是焊接和焊接相关的人和事。众所周知：钢结构的生命和灵魂就是焊接；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，50%以上的钢材在投入使用前需要经过焊接加工处理，所以人们越来越重视焊接技术的发展，重视焊接技术人才的培训，于是也就有了我们谈论建筑钢结构技术发展趋势的社会基础。

一、建筑钢结构行业发展形势

当今，焊接技术水平不断发展提高，为高效优质生产焊接结构提供了重要基础。

焊接冶金理论日益发展完善，推动了工程材料的改进和配套焊接材料的完善，已可保证焊接质量能完全满足产品的设计要求。

焊接结构理论的发展，使得设计更具有合理性，而焊接结构的紧密性和较大的刚度，可使焊接结构能更准确地符合设计规定，更适于承受疲劳载荷以及冲击和剧烈振动等工作条件，可以适应各种类型结构的要求。

焊接连接技术与焊接科学的形成，是多学科交融和相互渗透的结果。新钢材、焊材的发展带来连接技术新概念，促进新型焊接设备的发展，推动新技术的应用，同时也促进了新钢材、焊材的发展。

1.建筑钢结构体系向多元化方向发展

同“奥运”、“世博”时代不同的是，建筑钢结构体系已经完全跳出了“场馆”类结构体系；超高层建筑日益增加，高度越来越高，结构越来越复杂，钢材的强度越来越高。空间桁架结构（管桁架、BH桁架、BOX桁架）、张弦梁结构、弦支穹顶结构、网架结构等体系，以各种新颖独特的结构形式大量出现在机场、车站、码头等公共场合之中。

对建筑钢结构系统而言，最重要的是控制钢结构体系的初始应力状态，然而钢结构体系初始应力状态扑朔迷离，既有安装应力、温差引起的应力，又有焊接残余应力，组成和分布十分复杂，定量分析十分困难。

由于建筑钢结构体系中存在数千个节点，对每个节点都进行有限元分析是不现实的，大面积的定量计算也是很难做到的。比如说：由于太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在相关规范中并没有明确提及，可以参考的经验较少，因此温度应力计算采用的各种参数、室外风速取值很难确定。此外，漫反射、空气流动性差等影响因素，在各类构件热传导计算边界条件中考虑比较困难，目前只能根据工程经验确定，但有一点可以肯定，施工过程中有效控制结构体系的焊接应力应变，能够实现建筑钢结构系统的最佳初始应力状态。因此，目前对建筑钢结构体系的初始应力只能定性，不能定量，换句话说：只能凭借经验和局部的计算进行分析。从这个意义上讲，高强钢厚板焊接和控制建筑钢结构的初始应力状态，是行业的两个重大难点，相比之下，后者难于前者。

但是必须指出：控制焊接残余应力的主攻方向是防止焊接接头的应力过分集中。而焊接残余变形，会导致组装应力的增加，进而转换为危害钢结构安全运营的焊接残余应力集中，所以防止焊接残余应力集中十分重要。工程实践中必须采用有效对策。

结构体系的变化，必然要向制作、安装，特别是焊接工艺提出更高的要求，必然推动焊接技术的进步。

2.大规模采用高强钢必然带来焊接相关产业的技术革命

2012年8月1日开始执行的GB50661-2011《钢结构焊接规范》拉开了建筑钢结构大规模采用高强钢的序幕。目前为止，建筑钢结构行业主体用钢是低合金高强钢，这类钢的生产和使用在我国迅速发展并逐渐进入高强钢领域。在GB/T 1591-1994标准中设立Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共5个牌号；在GB/T 16270-1996《高强度结构钢热处理和控轧钢板、钢带》中设立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690共6个牌号。

所谓高强钢（高性能钢）就是考虑焊接性，生产的屈服强度>400MPa、抗拉强度>500MPa、屈强比≥0.85的可焊钢材；抗拉强度≥1200MPa的钢材一般分类叫超高强钢。

根据以上阐述，GB50661《钢结构焊接规范》所述材料表中，从Ⅲ类钢材开始已经进入到高强钢（高性能钢）的范畴。

（1）微合金控轧钢(TMCP) 在微合金钢热轧过程中，通过对金属加热温度、轧制温度、变形量、变形速率、终轧温度和轧后冷却工艺等诸参数的合理控制，使轧件的塑性变形与固态相变相结合，以获得良好的组织，提高钢材的强硬性，使其成为具有优异综合性能的钢。通常可分为奥氏体再结晶区（≥950℃）、奥氏体未结晶区（950℃~Ar3点）和奥氏体与铁素体两相区（Ar3以下终轧）三种不同的控轧温度生产的微合金钢。

（2）微合金控轧控冷钢 在轧制过程中，通过冷却装置，在轧制线上对热轧后轧件的温度和冷却速度进行控制，即利用轧件轧后的余热进行在线热处理生产的钢。这种钢具有更好的性能，特别是强度，又可省去再加热、淬火等热处理工艺。用较少的合金含量可生产出强度和韧性更高、焊接性好的钢。在控制冷却中，主要控制轧件的轧制开始和终了温度、冷却速度和冷却的均匀程度。

由于这类钢在成分和热轧工艺上的特点，根据国外采用这类钢的焊接方面的经验，仍有以下潜在问题需要注意：一是冷裂纹的危险性；二是热影响区中局部脆化区对韧性的影响；三是焊接接头软化。

针对新钢种的特点，焊接工艺有了很大的提高和进步；对焊接材料、设备，提出了新的要求。为防止热影响区的脆化，焊接时通过调整合适的焊接参数，减小高温停留时间，避免奥氏体晶粒长大；采用合适的t8/5，使HAZ获得韧化组织。

二、建筑钢结构厚板、高强钢的焊接对设备、焊材的需求

众所周知、企业技术进步的三大要素是：工艺装备；人员素质；科技成果的开发与应用。对钢结构焊接工程而言，推行企业的技术进步首先是设备和焊材；而焊接工艺就是焊接设备、材料研制的灵魂。

建筑钢结构焊接工程在拼装和安装阶段采用：GMAW、FCAW-G（F、H、V）；SMAW（O）技术，由于是厚板长焊缝、露天作业，所以对焊机有很高的技术要求：焊机能够承受大规范、快速、长时间、不间断的焊接，焊机在上述工况下，在50～70m内不产生影响焊接参数的电流（压）降，且各项指标稳定可靠；同时焊机还要承受酷暑、严寒、风吹雨打和因频繁转场而发生的碰撞，且性能不变；因此，要求焊接设备具有良好的适应性，可靠性，先进性，经济性以及高的自动化程度，同时要求焊材同钢材匹配，其熔敷金属的化学成分逐渐向母材接近。

1.高强钢焊接对SAW及机器人自动焊设备的要求

由于建筑钢结构工程构件不固定的原因，使钢结构焊接生产的自动化的难度很大。为了提高工效，人们想方设法提高现有自动焊设备的熔敷效率，先后开发了SAW双丝双弧焊机（粗丝、细丝）、SAW双丝单弧焊机（细丝）、SAW三丝三弧（细丝）焊机，如图1～图2所示。

图1 SAW双丝单弧（细丝）

图2 SAW双丝双弧（粗丝、细丝）

（1）粗丝、细丝自动焊设备的应用 SAW双丝双弧（粗丝）焊机的出现，对提高生产效率的确起到不小作用。但是，由于焊丝直径大，电流密度较细丝小，焊接速度较慢，对母材的焊接热输入显然相比细丝焊机大，因此在对屈服强度超过400MPa带有淬硬倾向的钢材焊接时要慎重。而SAW双丝双弧、单弧（细丝）焊机正好弥补了这个不足，由于电流密度大、温度高、焊接速度快，因此对母材的热输入小，特别适合高强钢的焊接，如图3所示。

图3 SAW双丝单弧（细丝）焊机焊接实况

利用双丝双弧焊可提高焊缝及熔合区韧性，获得理想的焊缝强度。试验证实：焊丝为f2mm的双丝双弧焊机焊接的焊接接头质量，优于焊丝为f2mm单丝单弧焊机得到的焊接接头质量，更优于焊丝为f5mm单丝单弧焊机得到的焊接接头质量。另外，虽然双丝双弧焊的总热输入E比单丝单弧焊要大得多，但是焊接生产率要高得多，使熔合区及热影响区的热输入反而相对较小，因此韧性也相当高，这是由于细丝熔敷率的提高和双丝双弧焊热量分散并形成狭长的温度场所致。由此看出，双丝双弧焊机将成为今后提高焊接接头综合性能的途径。

（2）新型多头、多丝SAW焊机的研制开发 根据双丝双弧（细丝）SAW焊机工作原理，相关部门应当着手研究一种高效、低热输入的多头多丝焊机。理论和实践均证实：在SAW双丝双弧（单弧）细丝焊机的基础上，开发研究多丝、多弧高效低热输入焊机是完全可能的。国外在这方面有很大进展，如图4所示。希望能尽快用到同国外产品相比的多丝多头SAW焊机。

图4 国外的多丝多头SAW焊机

（3）建筑钢结构焊接的自动化 自动焊是一种借助于机械和电气等方法使焊接过程实现自动化、程序化的焊接施工方法。这种自动焊技术对于操作人员的焊接技术水平要求较低，焊接过程中受人为因素的影响小，并且具有焊缝成形美观，焊接过程稳定，焊接效率高等优势。在厚壁、长焊缝、多位置焊接的建筑钢结构工程建设中，自动焊具有很大的应用空间。

据查，目前世界工业发达国家焊接自动化程度已高达80%，因此在工效和质量上都有很大的优势。而在我国按焊条电弧焊和自动焊消耗的焊材估算，名义上焊接自动化程度为30%，相比之下存在很大差距。随着建筑焊接结构朝大型化、重型化、高参数精密化方向发展，焊接手工操作的低效率和质量的不稳定往往成为生产效率的提高和产品质量稳定性的最大障碍。为适应高强、厚板、长焊缝的特殊要求，焊接水平特别是自动焊水平的提高是实现钢结构技术快速发展的关键所在，因此，迅速提高我国焊接自动化程度已经成为一项客不容缓的重要任务。

焊接机器人是指具有三个和三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具（焊枪）的机器。机器人自动焊接首要条件是工件相对固定，然而建筑钢结构焊接工程很难做到这一点。在箱型杆件的焊接中有工厂耗重资进口了伊萨的双头自动焊机，大大提高了焊接质量和生产率。而要进一步实现箱型杆件的高水平机器人自动焊，就需要适应厚板、长焊缝带有智能化的爬行机器人。国外已经有了能够自动检测焊接坡口形状、长度、厚度，并自动调节焊接参数，自动进行焊接直到全部焊完的“迷你”型机器人，这正是我们建筑钢结构所需要的机器人。国内虽然已经进入示教机器人领域，但同国外相比尚有一定差距。

2. 高强钢焊接对焊材的具体需求

由于冶金技术取得长足进步，新钢种层出不穷。与钢材技术进步相比，焊材的研究开发过程中存在较严重的差距：首先是研发进度上的不同步，不能满足焊接质量和工艺上的要求，在国产匹配中，有钢材没焊材；其次是有的焊材的韧性指标远远低于等强母材的指标。由于在对杂质元素的控制上，焊缝中的杂质明显高于母材，这些不对等的指标或要求主要源于焊材本身性能上的差距，达不到母材的技术要求，所以在钢结构焊接工程中，不得以降低标准而为之。借鉴钢铁冶金上的技术成就，焊材研发的技术进步也应该充分考虑熔池纯净化、晶粒细化、微合金化和组织调控方法，比如：在SAW焊接中，采用微合金化的焊丝配碱性烧结焊剂使焊材与母材合理匹配，能获得综合性能良好的焊接接头。

有研究表明，在高强钢的焊接中，应用金属粉芯焊丝气体保护焊来代替工厂焊接中的焊条电弧焊和CO2气保护焊能够显著提高焊缝性能，通过调整金属粉芯焊丝中Mo、B、Ti、Re的含量可以在大热输入下将针状铁素体含量由20%增加到90%，因而可使脆性转变温度由0℃降到-60℃。

目前，在高强钢的焊接中，焊接工艺和技术上已经有一些阶段性成果。

（1）低强匹配 焊缝强度低于母材的匹配叫做低强匹配，并保证焊缝强度不低于母材强度的0.86。例如：采用590MPa级的焊材焊接780MPa的钢材，能够获得良好的焊接质量。

（2）异质焊材匹配 焊接9Ni钢时选用镍基合金焊接材料，效果不错。

（3）采用多层多道错位焊接技术 能获得理想晶粒度和良好的冲击韧性指标。

（4）推广采用导电性能好、飞溅少、工艺性能好、污染少的新型焊材无镀铜焊丝 无镀铜焊丝是我国乃至世界焊材的发展方向，焊丝工艺性好；抗锈能力强；小电流时导电率比镀铜焊丝好；熔敷金属有良好的低温冲击性能；焊接过程中不堵塞导电嘴而使焊接顺利进行全自动贴角焊工艺；全自动不清根板对接工艺；全自动不清根角接工艺；成本低；因此是一种理想焊接材料。

上述方法对解决目前高强钢焊材“无米之炊”是可以借鉴的。

纵观建筑钢结构全行业，推行焊接技术进步的压力和难度都很大，但是在实现中华民族复兴的伟大事业中，随着时间的推移，焊接工艺的日趋成熟、先进，必将推动设备、焊材的研制，会出现更多的新设备和新焊材；同时，我国的焊接技术也必将产生质的飞跃！