潮湿环境高强钢焊接工艺及工程应用

喻朝飞

230103197511066810

摘要：近年来，随着经济的加快发展，国内钢结构工程飞速发展，高强结构钢得到了越来越广泛的应用。焊接作为钢结构最主要的连接方式，其施工质量直接关系到结构安全。高强钢焊接质量对环境更为敏感，尤其是施工现场环境复杂多变，多雨、高湿、低温等恶劣天气伴随着焊接施工，时常超出规范的环境限值，对工程开展和质量造成严重影响。海口中心地处热带沿海城市，常年多雨潮湿，大气湿度时常超出90%，该工程钢柱采用了大量Q420、Q390钢材，板厚最大100mm，其中Q420级别钢材应用16000t，为国内建筑高强钢用量之最。

关键词：潮湿环境;高强钢焊接工艺;工程应用

引言

高强度钢通常指屈服强度≥390MPa、抗拉强度为500~1200MPa，并考虑焊接性而生产制造的钢材。抗拉强度≥1200MPa一般称为超高强度钢。高强度钢分为轧制后经调质处理的调质钢和不经调质处理的非调质钢。调质钢和非调质钢在力学性能、焊接性和接头性能方面有很大的差异。非调质钢的抗拉强度≤600MPa；而调质钢的抗拉强度≥600MPa。在GB/T1591—2018《低合金高强度结构钢》标准中设立的Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等8个牌号属高强钢范畴。

1减少高强钢焊接热循环次数的关键环节

（1）在钢结构的下料工艺中采用新技术传统燃气下料切割是钢结构焊接接头的第一次热循环。研究中发现：在切割带淬硬倾向钢材时，切割表面形成近1mm的淬硬层，对焊接及其不利。在研究高强钢焊接性试验中，认为以下4种方式可避免和减少下料切割工序热循环的影响。1）水切割：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，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，在国外已被大量采用。2）水下等离子切割：切割口几乎没有热影响区，已被国内外大量采用。3）机械加工：几乎没有热影响区。4）火焰切割后机械磨除淬硬层：可以减少下料切割工序热循环的影响。目前，在我国大量采用此种技术，但由于受人为干扰因素大，所以质量问题时有发生。（2）减少或取消碳弧气刨碳弧气刨的热循环形式虽然不同于焊接，但碳弧气刨瞬间热输入比普通焊接大很多。在钢材气刨热影响区中，仍然是和焊接相似的热循环，同时气刨表面硬度增加，焊缝会有渗碳层出现；碳弧气刨噪声、粉尘、比焊接明亮数倍的弧光，也会形成综合污染，影响环境和焊工健康，同时造成极大浪费，增加工程成本。综上所述，在高强钢焊接性试验的研究中，提出了“减少或取消碳弧气刨”的观点。因此，碳弧气刨技术在高强钢的焊接工程中，正在逐渐缩小应用范围。减少或消除碳弧气刨的途径是在钢结构制作、安装工程中，采用“不清根”焊接技术。例如：双面双弧同步同向打底成形技术，焊接试验如图3所示。该技术是一项专门技术，可取代技术难度较高的单面焊双面成形技术，广泛应用在全熔透对接立焊缝、全熔透T形角焊缝，以及特殊条件下的平焊对接焊缝。由于焊缝在打底成形之后直接进行填充、盖面，取消了碳弧气刨清根工序，大大提高了工效，同时降低了工人单面焊双面成形技术难度，保证了焊接质量，因此具有极大的推广应用价值。

2焊接过程控制

（1）焊接环境检测。空气湿度过大,在焊接过程中,液态金属吸收大量的氢,一部分在熔池凝固过程中容易逸出,一部分由于熔池冷却速度过快来不及逸出,而被留在固态焊缝中,导致焊缝开裂。因此焊接前必须用湿度仪对焊接区域湿度进行检查,湿度高于90%不允许焊接,需延长电加热时间,降低湿度后方可施焊。（2）焊接层道数的选择。焊接层道数的选择不仅会影响焊接生产率,同时对焊缝的质量也会产生影响。焊接开始时必须连续施焊直至完成,中途不得停止。焊接过程中严格执行多层多道焊、窄焊道薄焊层的焊接方法。层数增多有利于提高焊缝的塑形和韧性,因为后一道焊缝相当于对前一道焊缝进行了回火处理,而且随着层道数的增加,每道焊缝所用的线能量也必然降低,因此焊后组织比较细,塑韧性比较好。层道数并不是越多越好,随着焊接层道数的增加,焊接生产率下降,焊接变形也比较大。本工法规定每一层焊道厚度≤4mm。（3）焊接操作手法和焊枪角度。焊接时在焊缝起点前方50mm处的引弧板上引燃电弧,采用往复式运弧手法进行焊接施工。熄弧时,电弧不允许在接头处熄灭,而是应将电弧引至超越接头处50mm的熄弧板熄弧,并填满弧坑。在进行填充焊接前清除首层焊道上的凸起部分及引弧造成的多余部分,清除粘连在坡壁上的飞溅物及粉尘,检查坡口边缘有无未熔合及凹陷夹角,如有必须用角向磨光机除去。根据GB50661-2011《钢结构焊接规范》的规定,CO2气体保护焊气体流量宜控制在20～25L/min,焊丝干伸长12～15mm,焊枪角度控制在±30°。填充层焊接面层时,应注意均匀留出1.5～2mm的深度,盖面时能够看清坡口边。盖面时宜采取小电流、小电压,焊接速度均匀,使焊缝外观成型良好,避免咬边、焊瘤、未焊满、表面气孔等表面缺陷。

3快速压缩脉冲电弧适合高强钢焊接

众所周知：GMAW是理论上的无氢焊接，具有抗裂性强、熔深大、抗疲劳及焊接效率高等优点；然而，GMAW焊接时电弧稳定性差、飞溅大，工艺性差，焊工掌握困难，所以焊缝成形较差。为了克服GMAW缺点，目前在国内外，特别在欧洲正在深入研究高强钢的富氩气体保护焊接技术，并取得重大突破。在我国，人们开始使用双元-三元气体保护，以改善喷射过渡形式，确实取得了一定效果，GMAW的飞溅大大减少，焊缝成形质量大幅度提高。但是研究发现：随着Ar比例的增加，焊缝的熔深逐渐下降、熔敷效率提高不大，说明单纯在保护气体上作文章显然是不够的，应当考虑采用性能优良的设备，配以己经成功的二元气体，这是高强钢焊接试验研究的基本思想，也是目前唯一正确的技术路线。有关研究证实：由于CO2气体在弧柱中的吸热分解反应，对焊接电弧有强烈冷却作用，与氩弧焊比较，其焊接电弧弧柱区窄，电弧斑点尺寸小。随着保护气体的CO2含量增加，焊接宽度明显降低，电弧面积明显收缩，一般说来，在焊接过程中，在相同焊接参数的前提下，电弧面积越小，电弧密度也就越大；同时也发现：CO2比例越高，焊接电流越大，电弧面积收缩越小；比例差距越大，焊接HAZ熔深也随之增大。根据表2结论，要增加焊接HAZ的熔深，就必须增加CO2的含量，最好是100%采用CO2作为保护气体，然而电弧的稳定性会变差，飞溅变大，合金成分不成比例烧损也随之增加。于是，人们在需要焊接HAZ熔深和电弧稳定性之间陷入迷茫，难以作出选择。

结语

潮湿环境下高强钢焊接工艺有效地解决了高湿多雨气候对高强钢焊接造成的不利影响，提高了焊接一次合格率，在保证焊接质量的同时在加快了工程进度，确保了工期目标如期完成。大幅推进了工程项目的顺利开展，节省了施工工期，采用具体的焊接参数指导施工，避免了资源的过度投入，具有良好的经济效益，并推动了高强钢焊接在不利气候条件下的顺利开展。

参考文献

[1]戴为志，高良.钢结构焊接技术培训教程[M].北京：化学工业出版社，2018.

[2]戴为志，刘景凤.建筑钢结构焊接技术——“鸟巢”焊接工程实践[M].北京：化学工业出版社，2017.

[3]戴为志.高强钢必然带来焊接技术上的一场革命[J].金属加工（热加工），2019（2）：14.