建筑钢结构高强钢高效焊接技术

张发荣

建筑钢结构高强钢高效焊接技术

张发荣

1. 高强钢焊接特点与难点

目前我国的高层、超高层钢结构、大型场馆转换结构、大跨度承接结构以及抗震烈度较高的钢结构建筑中，高强钢的应用较为普遍。尤其在高层和超高层建筑的避难层结构中，高强钢的应用较为广泛，此外，其钢材的焊接性要求比普通低合金钢高。

在高强钢的焊接应用过程中，需面临和克服的焊接技术难点主要有：

（1）高强钢的焊接性影响 ①焊接过程中粗晶区的脆化。在焊接接头中，晶粒脆化对接头的性能影响较大，因此，重点防治接头中临界热影响区脆化、多层焊时临界粗晶热影响区脆化、过临界粗晶热影响区脆化及亚临界粗晶热影响区脆化极为重要。②热影响区晶粒长大倾向。对于高强钢而言，焊接时焊接热影响区会出现严重的晶粒长大倾向，此类问题不仅会造成焊接热影响区组织的脆化，同时还会造成热影响区组织的软化，对焊接结构不利。

（2）高强钢焊接需要注意的问题 ①减少热循环次数。主要通过在钢结构的下料切割工艺中采用新技术、减少或取消碳弧气刨以及采用“不清根”焊接技术等三项举措来达到。②科学确定高强钢预热温度。确定高强钢预热温度不能一概而论，钢材及其规格不同，采用的方法不同，均可获得较为理想的结果。但高强钢焊接预热温度确定正规的技术路线必须服从焊接应用理论，必须进行新钢种焊接性试验；同时推荐应用国际通行的SHCCT图和微观金相来加以判断和分析。③高强钢减少焊接HAZ停留时间。高强钢焊接不宜摆动，采用“多层多道错位焊接技术”来获得优质的焊接接头。④采用小热输入、大熔深的焊接方法进行焊接，达到减少微合金元素的烧损，增加焊接HAZ熔深的目的。

2. 高强钢高效焊接对焊接材料的需求

虽然相对于低合金钢而言，高强钢在使用结构上突显出了诸

多优势，但在焊接材料使用上却较低合金钢要求更为苛刻。高强钢在焊接材料上基本上选用ER50级和ER55级焊接材料，对于强度级别更高的高强钢，其焊材在符合强度配比的情况下，选用的强度配比随之加强。如：在屈强比≥0.85的高强钢的焊接中，为防止抗拉强度＞800MPa的调质钢焊接冷裂纹，要采取相应的预热和后热措施，选用低氢型和超低氢型焊接材料，由于钢材和焊材研究进程不同步，抗拉强度在800MPa以上的钢种，不得考虑选择低强匹配的焊材。

对于今后高强钢焊接材料的研发，主题思想为高强钢焊缝金属合金化，即把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去。

3. 高强钢自动化焊接技术的应用与发展

目前由于我国建筑钢结构产品结构的多样化，除集成化钢结构建筑外，国内钢结构建筑尚未达到构件单一化的标准，大部分企业都呈现出以人力生产为主的局面。但根据行业的发展前景和市场的迫切需求，符合行业市场化和自动化的机器将会逐步取代人进行生产操作。

根据建筑钢结构的发展趋势，可以预言：高强钢的出现，钢结构行业大规模使用机器人自动焊将势在必行。机器人对各种设备、人员素质及科技成果的开发与应用（含焊接工艺）都提出了很高要求。在高强钢焊接中，保证电弧电压（或焊接热输入）的稳定，机器人自动焊完全可以排除人为因素的干扰，最大程度地实现电弧电压的稳定，从而保证高强钢焊接质量（见图1、图2）。这对钢结构行业来说，无疑是一场技术革命，也必将大幅度地推动焊接技术进步。此外，实现高强钢的自动化焊接，无疑对焊接生产信息化提出了更高的需求。不仅对焊接操作人员技能水平、职业素质等方面提出了要求，而且对焊接技术人员在工艺规划（WCAPP）、焊接生产施工管理、焊接生产质量管理以及焊接专家系统支持等方面也提出了更高的要求。

4. 高强钢的切割技术的发展现状

目前建筑钢结构的制造加工中，下料切割工艺中常采用的切割技术有以下几种：

（1）水喷射切割（或等离子水雾切割） 这种技术是采用300MPa以上带磨料的高压水切割钢板，由于切割口完全没有热影响区，故避免了一次热循环；这种技术适合中、薄板高强钢的下料切割，国内也有专业的生产厂家，且技术已比较成熟。

图1 建筑钢结构直角弯焊接试验

图2 多层多道焊演示

（2）水下等离子切割 切割口几乎没有热影响区，国内外大量采用。

（3）机械加工 几乎没有热影响区，但切割的长度和厚度有一定的限制，使用性有限制，对于常用的零件加工比较方便。

（4）火焰（或等离子）切割 此种方法切割后需机械磨除切割面淬硬层，可以减少下料切割工序热循环的影响，但受人的干扰因素大，质量问题时有发生。在我国的大部分钢结构制造加工厂采用机械加工和火焰（或等离子）切割技术，不仅成本较为经济，效率也比较高。

对于目前国内在建筑钢结构方面的发展，水喷射（或等离子水雾切割）切割技术也是一种不错的加工方法，不但效率较高，切割质量稳定，切割口完全没有热影响区，而且切割金属粉尘通过水注全部沉降到水域中，对空气污染程度也较小。

针对高强钢的切割技术，本人认为将来应该从减少材料的热循环方面入手。由于焊接是多次进行相同或者相似的热循环，因此热循环次数越多，微合金元素烧损也就越严重，这对焊接是一个不利的因素。对切割口没有热影响区的切割技术是减少热循环的有利方式，也是市场的迫切需求。

张发荣，湖北精工钢结构有限公司。