基于低合金高强度钢的钢结构焊接分析

左安文 曹凯中 杨佳陵 朱传浩 吴德恩 查红华

(中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004)

钢结构具有强度大、韧性高、重量轻、便于施工和后期维护的优点，适合大跨度、高层建筑结构。符合国家“绿色建筑、节能环保、循环利用、住宅产业化、工业化”的理念。钢结构的构件由型钢、钢板通过焊接、铆钉、螺栓连接构成。生产生活中应用较为广泛的材质为Q345，Q390。

焊接是现代钢结构生产中较为常见的连接方法，该连接方法具有结构简单、用料经济、制作加工方便、可用于任何形式的构件连接等优点。

较为常见的缺陷是焊接裂纹、焊瘤、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透。其中危害最大的是焊接裂纹，焊接裂纹不仅会导致焊接结构的破坏，使产品报废甚至造成人员伤亡的事故。因此，在钢结构生产、安装过程中，控制焊接缺陷尤其是裂纹控制尤为重要。

1 低合金高强度结构钢的焊接性

1.1 热影响区的脆化

产生脆化的原因与钢材的成分及强化方式有关，但其根本原因有两点。一是热输入过小时，由于热影响区的马氏体等淬硬组织比例增大而降低韧性；二是热输入过大时，由于晶粒粗化或魏氏体组织产生而降低韧性。

1.2 焊接接头裂纹

焊接低合金高强度结构钢时，易在焊缝和热影响区产生冷、热裂纹。板材厚度较大、原材料化学成分中含S、P量偏高时产生冷裂纹倾向更为明显。

2 焊接工艺

2.1 焊接评定

按照国家、行业相关规范的规定进行焊接工艺、焊接技能评定。焊接评定是保证焊接质量的重要措施之一，用于评定和验证施焊单位是否具备焊接合格产品的能力，为制定焊接工艺书提供可靠依据。

2.2 母材(表1)

表1 化学成分

按碳当量公式Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/5+Mo/5+V/5计算母材碳当量。

Q345：Ceq=0.02+1.70/6+0.50/15+0.30/5+0.10/5+0.15/5=0.447%。

Q390：Ceq=0.02+1.70/6+0.80/15+0.30/5+0.20/5+0.20/5=0.497%。

Q345，Q390碳当量均大于0.45%，钢材焊接性能偏差，焊接时需要采取严格的工艺措施。

2.3 焊接方法

可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊、电渣焊等焊接方法。具体选用何种焊接方法取决于所焊产品的结构、板厚及生产条件等。焊条电弧焊具有设备简单、施工成本低、操作灵活、适应性强等优点，不仅可以焊接碳素钢、低合金钢，还可以焊接高合金钢及有色金属，在所有焊接方法中应用最为广泛。

1.2.4 克氏原螯虾风味成分分析。采用样品固相微萃取(SPME)方法。取2 g克氏原螯虾样品，置于20 mL的固相微萃取样品瓶中，利用CTC三合一自动进样器，在50 ℃加热振荡器中将样品进行萃取30 min，热解析3 min。

2.4 焊接材料选择原则

一是根据母材化学成分、力学性能、焊接性能并结合构件结构特点和使用性能综合考虑；二是在满足使用条件需求的前提下尽量选用经济合理的焊接材料。低合金高强度钢氢致裂纹倾向严重，优先采用低氢焊材。

焊条严格按照规定进行烘干处理，碱性焊条采用300～350℃、烘干1～2h，酸性焊条采用100～150℃、烘干1～2h。现场配备保温桶，烘干合格的焊条存放在保温桶随用随取避免焊条回潮。

2.5 接头制作

接头形式包括对接接头、T形接头、角接接头。从焊缝受力情况、避免焊接缺陷、焊接母材厚度、经济性综合进行焊接坡口、焊缝设计。焊接坡口形式：单面V型-适合板厚16mm左右；双面V型-适合板厚32mm以下；单面U型-加工难度大，比单面V型坡口节省焊接材料；双面U型-加工难度大，比双面V型坡口节省焊接材料。

(1)坡口焊缝尺寸设计

坡口焊缝尺寸设计参照图1，其中，钝角α=35°～60°，α太大会增加加工余量、焊接成本和变形；钝边高度p一般为1～3mm；根部间隙b一般为2～4mm，太大容易形成虚焊；坡口深度H根据焊缝厚度决定。

图1 坡口焊缝尺寸设计

(2)角焊缝焊接尺寸设计

根据有效截面大小选择焊脚尺寸，等边角焊缝参照图2，焊脚尺寸K与焊缝有效截面大小a的关系为a=0.707K。

图2 角焊缝焊接尺寸设计

图3 非等边角焊缝

焊脚尺寸K与板厚δ关系参照图4，若δ1<δ2，则a1+a2≥δ1。

图4 焊角尺寸K与板厚δ关系

2.6 焊接工艺参数

表2 焊接工艺参数

3 焊接缺陷防止措施

(1)限制钢材及焊接材料中易偏析的元素和有害杂质含量，减少S，P含量。

(2)选用优质低氢型焊接材料，焊接材料使用前严格按照工艺进行烘干处理。

(3)正式作业前进行焊接工艺、焊接技能评定。焊接工艺评定合格后方可指导焊接作业，焊接技能评定合格的焊接工人方可进行焊接作业。

(4)焊前预热、多层焊接过程中控制好焊接层间温度、焊后进行热处理，以消除焊接内应力，改善焊接接头性能。

(5)选用多层、多道、高线能量进行作业。

(6)加强焊前设备、材料、人员；焊中操作；焊后外观、尺寸、无损检验，杜绝不合格产品进入下一道环节。

4 安全管理

4.1 危险源辨识及防止措施

4.1.1 起重吊装作业

存在起重设备倾覆、构件坠落伤人、吊装设备或作业人员未符合相关规定、极端天气冒险作业等风险。应采取预先编制专项施工方案并进行重量、长度、起吊点、绑扎等安全验算，施工区域设置安全警示标志，作业设备、人员具有相应证资质证明文件，极端天气(大风、暴雨、大雪、酷热等)停止吊装作业等措施。

4.1.2 高空作业

存在构件、作业人员高空坠落等风险。应采取校核临时固结点牢固程度、设置生命保险索、佩戴安全防护用品、挂安全网等措施。

4.1.3 焊接、动火作业

存在氧气乙炔瓶安全距离不够、临时用电不符合规范要求、动火作业点距离易燃易爆物品过近等风险。应采取确保氧气与乙炔瓶距离≥5m，与明火距离≥10m，乙炔瓶设置防回火装置，临时用电严格执行“一机、一箱、一闸、一漏电保护”的三级配电两级保护等措施。

4.2 应急响应程序

4.2.1 高空坠落、物体打击事故应急响应程序

发生高空坠落或物体打击事故后，应立即启动应急预案。由应急组长负责现场总指挥，现场人员上报险情并及时拨打事故抢救电话求救，同时采取措施进行应急抢救，如包扎、止血等，防止受伤人员因流血过多导致死亡。应急领导小组人员按照职责分工进行应急响应，尽快将受伤人员送外抢救，派专人在路口迎接救护车辆，按预案程序进行事故现场处理，最大限度减少人员和财产损失。

4.2.2 触电事故应急响应程序

若发生人员触电事故，首先应采取措施切断触电者与电源的接触点。对于低压触电事故，应立即断开电源开关、拔下电源插头或利用具有绝缘手柄的电工钳、干燥木柄的斧头、干燥木把的铁锹等工具切断电源，也可采用干燥木板等绝缘物插入触电者身下以隔离电源。对于高压触电事故，采用干燥的衣服、手套、绳索、木板、木棒等绝缘物为工具，拉开或挑开电线，使触电者脱离电源，切忌直接接触触电者。

5 结 论

由型钢、钢板通过焊接、铆钉、螺栓连接构成的钢结构工程母材一般选用低合金高强度钢，该类材料塑性、韧性优良，承载动力载荷性能优越，但焊接性能偏差。

控制好焊接质量、做好安全管理工作对保障构件安全、延长建筑物使用寿命、降低建筑物运营成本，避免财产损失、保障生命财产安全等方面具有重要意义。