高强钢高效焊接与切割技术在建筑钢结构中的运用

杨政

高强钢高效焊接与切割技术在建筑钢结构中的运用

杨政

1. 高强钢在建筑钢结构中的应用及焊接特点

（1）高强钢在建筑钢结构中的应用 目前，建筑行业用钢标准有《建筑结构用钢板》(GB/ T19879)，《高层建筑结构用钢板》（YB4104），一般建筑钢结构常用的高强钢是Q345GJ、Q390G J等，常用厚度一般在60mm以内，随着建筑体的高度和建筑空间跨度的增加，钢板使用的厚度已经达到了120mm（像高200m、主楼38层的上海金融大厦这样的超高层建筑，还是Q345为主）。

对于50层乃至100多层的建筑，如果通过增加钢构件厚度来提高强度和刚度，必然增加建筑体自重，造成对基础的压力增大，同时用钢量和焊接量提高都大大增加了母材、焊接材料和人工的成本。随着高强钢冶炼技术的提高、比价减低以及建筑行业焊接工艺水平的提高，设计师们越来越考虑不再增加构件板厚，而是采用Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ及以上级别的高强钢，Z项性能要求在Z15~Z30，将更广泛地运用在高地震设防区（设防8度区以上）、超高层建筑（例如宁波环球，苏州东方之门 ）、超大跨度空间结构（例如鸟巢）及高寒地区特殊结构体系（例如哈尔滨滑雪场）。

（2）高强钢的焊接特点与难点 超高层建筑钢柱、牛腿、支撑、环带桁架（避难层），超大跨度空间结构的桁架梁，豪华型住宅室内游泳池部位的柱与梁等多采用高强钢材料。这些材料，当碳当量达到0.45～0.5以上时，焊接性较差；牛腿节点部位焊缝密集；对于超大跨度桁架对接时或合拢焊接时，存在较大拘束应力；卸载过程中应力的变化，都会造成焊接困难，焊接性差。

在高强钢的焊接过程中，需要注意以下几点：

第一，高强钢的主要焊接难点是碳当量高加上厚板造成的冷裂纹控制，因此要进行厚板（低温）焊接下的预热和焊缝缓冷保温及后热。《钢结构焊接规范》GB50661—2011也有明确的预热规定，在实践中，结合节点状况和受力，一般还应该选高一个预热档次。

宁波环球

第二，在建筑高强钢的焊接中，还要注意定位焊间距和大小、引弧板和引出板的材质及长度要符合规范要求。厚板焊接必须采用多道多层焊，控制焊缝宽深比和层间温度。

第三，电渣焊的焊缝强度通

常不能达到理想要求，对高强钢的应用可能会有更大影响。必须高选焊接材料（细化晶粒），做好工艺评定，严格执行工艺。

第四，对临时焊缝、返修焊缝的处理要慎重，严格执行返修工艺和返修次数的规定，返修焊缝必须超声探伤和磁粉探伤双合格。

第五，焊接效率问题上，尽量采样双丝或三丝厚板大熔深埋弧自动焊技术，以减少坡口，提高焊接效率，同时利用后道焊缝对前一道焊缝的回火作用，提高焊缝韧性。或手工打底后双丝或三丝厚板埋弧焊填充。

第六，高强钢构件一般都是大构件长构件，这些超大构件的翻转吊运比较困难，还有就是在工地现场室外（高空）焊接的质量控制也算一个难点。

第七，焊工的技能及责任心非常重要。总体缺乏这方面的培训机构和人员；对工艺的执行力度，预热温度准确性，焊缝区打磨的整洁性等需要责任心，因此要进行责任心与技能双重培训和严格的监督检查。

2. 高强钢焊接材料的应用

建筑领域高强钢所用到焊接材料的选择，一般是根据焊接材料厂家的推荐，通过工艺评定来确定。工艺评定要按《钢结构焊接规范》GB50661—2011执行，一般构件工艺评定5年有效，但对于高强钢，在建规中多属于Ⅳ类D级难焊，要求按工程进行工艺评定。当焊接参数发生变化时，就要求重新进行工艺评定。

目前国内的大桥、金桥及大西洋等著名企业的焊接材料可信可靠，只要通过工艺评定，按工艺指导书操作，是可以保证焊缝质量的。一般按等强度原则选择，同时考虑本公司焊接实际情况，比如采用纯CO2还是混合气，室内焊接还是室外安装，甚至工人的工资形式（计吨工资，常常出现超规范大电流焊接，那么你的焊丝选择就要高一档次）。

建筑行业目前没有专门的“建筑用焊条（焊丝）”的说法，不像桥梁方面，有的焊材明确为桥用。我们希望焊材厂家能够开发或命名建筑用焊材，便于直接选用。像鸟巢Q460E母材，就选用了E5515(SMAW)、TM—60(GMAW)、TWE—81K2 (FCAW—G)进行工艺评定和应用。

此外，超低氢焊材的应用，减少消氢工作量及对焊缝的影响也非常需要。

3. 高强钢自动化焊接技术的应用

在建筑钢结构行业，焊接自动化技术在高强钢上的运用实质上是用一般的自动焊技术焊接高强钢，高强钢焊接需要的焊道清理、焊缝预热、保温和后热基本上还没有成为自动焊的一部分，还是和焊接本身分开进行。

我们希望双丝或三丝埋弧焊能配备上预热装置。自动测温控温装置、温度反馈对焊接的启动和关闭控制，焊后缓冷装置，最好还包括焊接消氢，焊后热处理等形成一个自动控制、使用系统。通过合金元素现场检测（直读光谱仪可以即时测定母材的化学成分），计算出碳当量后，计算机系统选择焊接材料及焊接规范（预热和后热）。相信将来的自动化组合可以即时从构件上读取数据，自动调节，确定焊接参数和预热后热参数，并操作执行，形成真正的自动化焊接。

此外，随着厚板量的增加，窄间隙焊将会得到广泛应用，可减少焊接热输入对材料及焊缝的影响。

4.高强钢切割技术的应用

建筑用高强钢，目前基本采用火焰切割和等离子切割。无论哪种，通过对焊接坡口打磨，去除氧化皮，对保证焊缝质量都是必要的。

对于高合金厚板，切割前预热可以减少割缝淬硬，切割后要保温缓冷，特别是冬天。夏天不得吹强风（工人为了降温，会使用轴流风机鼓风），不能浇水。

切割设备具备在切割后表面质量达到可直接焊接，免除打磨及去除氧化皮等功能是我们的期望。

我们还希望将来的高强钢、超强钢切割设备能配上预热装置，自动测温控温装置、温度反馈对切割的启动和关闭控制，割后冷却速度监控报警，形成一个带自动控制使用系统的切割设备。

杨政，杭萧钢构股份有限公司技术质量总监。