低溫焊接技術(shù)

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1、建筑鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)工程中的低溫焊接(即在冬季施工)一直是學(xué)術(shù)界和工程界共同關(guān)注的課題。鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接對(duì)焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷，控制不好就會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降甚至造成不安全隱患，因此受到各方面的高度重視。但根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程冬季施工的理論規(guī)律，可以確定冬季施焊的兩大關(guān)鍵：一是盡量避免三向應(yīng)力狀態(tài)下施焊；二是努力提高焊接環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際溫度。本文以低溫焊接技術(shù)在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的成功應(yīng)用為例，探討國內(nèi)焊接界關(guān)于冬季施工的困擾，并為工程界提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。一、工程特點(diǎn)國家體育場(chǎng)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程是奧運(yùn)

2、工程的突出代表，結(jié)構(gòu)用鋼總量約53000t，涉及6個(gè)高強(qiáng)鋼鋼種，為全焊接結(jié)構(gòu)。造型獨(dú)特新穎，為雙曲面馬鞍形結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變控制復(fù)雜。鋼結(jié)構(gòu)焊接施工跨越冬季，有1萬t以上的鋼結(jié)構(gòu)在冬季施焊安裝，且多為厚板焊接。這對(duì)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)合攏(合攏溫度為14℃±4℃，合攏溫度為20～23℃)和整體卸載，以及焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)具有決定性作用。而且場(chǎng)館構(gòu)件多為復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、彎扭構(gòu)件，焊接過程的防風(fēng)容易實(shí)施，但保溫措施很難實(shí)施且成本高。事關(guān)重大，舉世矚目，因此對(duì)低溫焊接技術(shù)和施工工作提出了相當(dāng)高的要求。二、低溫焊接試驗(yàn)分析及結(jié)果為了保證國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，滿足進(jìn)度

3、要求，我們進(jìn)行了嚴(yán)格的低溫焊接試驗(yàn)，包括工程中涉及的焊接材料、規(guī)格及其焊接位置。1.低溫焊接試驗(yàn)分析(1)環(huán)境溫度的變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響不是決定性的。改變環(huán)境溫度，特別是母材本身的溫度和加強(qiáng)后熱是低溫焊接成功的基本保證。(2)預(yù)熱溫度的差別會(huì)帶來強(qiáng)度上的差異，特別是厚板焊接，低溫環(huán)境影響強(qiáng)度指標(biāo)是肯定的。所以，應(yīng)充分重視環(huán)境溫度的提高和準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度。(3)預(yù)熱溫度的降低必然降低焊縫的綜合指標(biāo)，原因是環(huán)境溫度過低加速了焊縫冷卻。(4)焊接熱循環(huán)傳導(dǎo)方式?jīng)Q定了薄板(20mm)受低溫環(huán)境影響較厚板(60mm)小。(5)Q345GJD鋼抗裂性能良好。2.低溫

4、焊接試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接試驗(yàn)研究的目標(biāo)，匯總所有試驗(yàn)及檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)果。(1)冬季施工極限溫度　國家體育場(chǎng)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程冬季施工的最低溫度為－15℃。美國AWSD1.1中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接溫度限制為－20℃，并說明只要采取措施還可以在更低的溫度下施焊，這說明鋼材和美國的焊材抵抗低溫的能力是足夠的。我們?cè)诘蜏卦囼?yàn)的過程中也發(fā)現(xiàn)，氣溫對(duì)焊接工藝的正確實(shí)施影響不大。但是，在15℃的環(huán)境中工作時(shí)間稍長(zhǎng)，工人的操作技術(shù)便走形，保證不了焊縫成形質(zhì)量。同時(shí)測(cè)溫儀、送絲機(jī)工作也不正常，為此我們將最低溫度設(shè)定為－15℃。(2)低溫環(huán)境對(duì)焊接接

5、頭綜合性能的影響　從試驗(yàn)研究的分析可知，接頭的抗拉強(qiáng)度在低溫環(huán)境中降低是肯定的，控制不好很可能低于鋼材本身的抗拉強(qiáng)度而使焊接接頭不合格。(3)預(yù)熱溫度和施工環(huán)境　準(zhǔn)確均勻的預(yù)熱溫度和良好的施工環(huán)境，是“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，而緊急后熱措施是低溫焊接試驗(yàn)成功的保證。三、低溫焊接試驗(yàn)成果應(yīng)用原則工藝試驗(yàn)和正式工程相比，焊縫所處的工況完全不同，照搬工藝試驗(yàn)結(jié)果很可能適得其反，甚至造成不良后果。在工程實(shí)際中，低溫焊接防治冷裂紋的同時(shí)，還須防范由于結(jié)構(gòu)拘束度大，在冷卻速度加大的前提下焊縫中心產(chǎn)生偏析，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的熱裂紋。因此，在工程中應(yīng)注意以

6、下應(yīng)用原則。(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理編排焊接順序，減少和盡可能均布焊接殘余應(yīng)力。(2)鋼材本身應(yīng)實(shí)現(xiàn)正溫，即要采用各科-不同的預(yù)熱方式提高焊縫閽圍小環(huán)境溫度，以此來保證焊縫綜合指標(biāo)。(3)正確選擇預(yù)熱方式。在預(yù)熱溫度和預(yù)熱規(guī)范確定的前提下，正確選擇預(yù)熱方式對(duì)控制裂紋的產(chǎn)生具有重要的意義。電加熱與火焰加熱相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：預(yù)熱區(qū)域受熱均勻，有效防止局部受熱造成的接頭附加應(yīng)力；升溫速度均勻、可控，防止造成母材過熱等現(xiàn)象，可達(dá)到母材充分均勻預(yù)熱；對(duì)于整體結(jié)構(gòu)焊縫而言，防止受熱不均造成構(gòu)件變形。因此，低溫焊接特別是厚板焊接應(yīng)優(yōu)先采用電加熱方式。(4)由于在正

7、式結(jié)構(gòu)焊接巾采取剛性固定的方式，為防止由于氫和應(yīng)力共同作用在焊縫根部產(chǎn)生延遲裂紋，對(duì)于δ≥40mm的厚板施焊時(shí)應(yīng)采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施，后熱溫度為250～300℃；對(duì)于δ＜40mm的厚板施焊時(shí)應(yīng)采取焊后緊急保溫緩冷措施。該措施可以減緩焊縫的冷卻速度，有助于擴(kuò)散氫的逸出。(5)由于氫在焊接熔合區(qū)附近的濃度值，按馬氏體、貝氏體和鐵素體組織的變化依次降低。在異種鋼焊接時(shí)，由于熱影響區(qū)組織形態(tài)的不同造成了氫在熔合區(qū)附近的濃度值分布不勻。當(dāng)焊縫中存在應(yīng)力集中點(diǎn)時(shí)，含氫量大的焊縫易出現(xiàn)延遲裂紋。因此，在異種鋼焊接時(shí)應(yīng)特別注意預(yù)熱和后熱，這是繼焊材選定之后決

8、定成敗的關(guān)鍵因素。(6)控制熱輸入量是防止焊接裂紋的有效途徑。在低溫施工中，SMAW焊接采用A