重型熱軋H型鋼在大跨度桁架和鋼梁中的焊接應(yīng)用

隨著熱軋H型鋼應(yīng)用的不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)重型熱軋H型鋼正式市場(chǎng)化，在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于大型公共建筑中。以大跨度樓面桁架的應(yīng)用為例，介紹了重型熱軋H型鋼的焊接方法及焊接過程的工藝措施，通過分析焊接過程中容易出現(xiàn)的各種問題，提出檢測(cè)及解決的方法，為重型熱軋H型鋼進(jìn)一步工程應(yīng)用提供重要借鑒與參考。1序言在洛陽市科技館工程中，五層樓面結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁架空間結(jié)構(gòu)，桁架為H型截面的雙層桁架，跨度54m，在十字交叉處桁架最大跨度75m，鋼材選用牌號(hào)為Q390GJC的重型熱軋H型鋼，最大板厚達(dá)70mm，該重型熱軋H型鋼首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大跨度公共建筑主體結(jié)構(gòu)上。

在超高層或超大跨度的公共建筑中，往往通過各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而重型熱軋H型鋼的應(yīng)用，可獲得更加優(yōu)化的結(jié)構(gòu)性能。熱軋H型鋼相對(duì)于焊接H型鋼而言，其截面尺寸更加標(biāo)準(zhǔn)，材料性能較好，大大降低了焊接與焊縫檢測(cè)工作量，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供便利性。目前，國(guó)內(nèi)熱軋H型鋼的使用量在鋼結(jié)構(gòu)工程中占比較小，主要在工業(yè)建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多[1]，在民用建筑領(lǐng)域還有較大的發(fā)展空間。2390GJC重型熱軋H型鋼技術(shù)指標(biāo)2.1力學(xué)性能與化學(xué)成分Q390GJC鋼力學(xué)性能見表1。由表1可知，材料具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、較高的安全儲(chǔ)備。由鋼材的斷面收縮率性能可看出，選用的重型熱軋H型鋼在頸縮區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的最大塑性變形量?jī)?yōu)于普通鋼材，滿足厚度方向抗撕裂性能。表1Q390GJC鋼力學(xué)性能Q390GJC鋼化學(xué)成分見表2。由表2可知，該鋼中添加了V、Ti、Nb等合金元素，且wV+Ti+Nb=0.1%、碳當(dāng)量CEV=0.45%，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.275%。通過以上指標(biāo)可看出，鋼材抗開裂性優(yōu)良，焊接冷裂紋敏感性好，但在焊接工程中需嚴(yán)格控制預(yù)熱、層間溫度，焊后進(jìn)行保溫處理[2]。表2

Q390GJC鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）2.2焊接材料性能

根據(jù)390GJC鋼的材料成分確定焊接材料，選用氫含量較低的焊接材料，確保與母材強(qiáng)度等強(qiáng)。工程現(xiàn)場(chǎng)選用了T492T1-1C1A型藥芯焊絲，保護(hù)氣體為純度99.98%（露點(diǎn)≤－40℃）的CO2。焊絲的化學(xué)成分見表3，其熔敷金屬的力學(xué)性能見表4。表3焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）表4焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能3焊接工藝3.1焊接方法及設(shè)備

在焊接工作開始前，針對(duì)該工程390GJC鋼的焊接施工特點(diǎn)，按照GB50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[3]進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定焊接方法、焊接材料、焊接道次、坡口形式及預(yù)熱溫度等基本信息。為確定切合實(shí)際的工藝參數(shù)和焊接措施，選取現(xiàn)場(chǎng)具有代表性的母材、焊絲等，由專業(yè)焊接人員在同環(huán)境條件下施焊，焊接完成后進(jìn)行檢測(cè)，并出具焊接工藝評(píng)定報(bào)告。

該工程結(jié)構(gòu)主要是外露型構(gòu)件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，結(jié)合鋼材焊接性能，采用CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。該方法由于熔敷效率高，速度為焊條電弧焊的2～3倍，且焊接時(shí)更加穩(wěn)定，容易脫渣，產(chǎn)生的飛濺較少，因此焊道成形更加美觀。在現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中，更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的用電環(huán)境，適應(yīng)焊接電流、電弧電壓條件范圍廣。根據(jù)鋼材的材料性能以及H型鋼的板厚，確定焊接時(shí)的預(yù)熱溫度為80℃，層間溫度≤200℃，在焊前對(duì)坡口進(jìn)行砂輪打磨，焊接道次間需清理焊渣及飛濺物，主要焊接參數(shù)見表5。表5主要焊接參數(shù)3.2焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

焊接的節(jié)點(diǎn)主要為單邊V形坡口，如圖1所示。坡口采用切割機(jī)加工，用角磨機(jī)修磨。在對(duì)接接頭和T形接頭的兩端安裝引弧板與引出板，在焊條電弧焊或者半自動(dòng)焊時(shí)，尺寸一般50mm×30mm×t（t為板厚），自動(dòng)焊時(shí)一般為120mm×80mm×t，選擇與H型鋼母材性能相近的板材，焊后通過氣割的方式進(jìn)行切割并磨平。a）對(duì)接接頭

b）T形接頭圖1不同接頭的坡口形式根據(jù)15G909-1—2015《鋼結(jié)構(gòu)連接施工圖示（焊接連接）》[4]確定該工程的H型鋼上下翼緣過焊孔的切角構(gòu)造，如圖2所示。熱軋H型鋼下翼緣上平焊坡口側(cè)腹板與翼緣連接焊縫更近，在熱影響區(qū)更容易形成應(yīng)力集中，因此過焊孔大小與加工質(zhì)量對(duì)焊接質(zhì)量影響較大，此次應(yīng)控制過焊孔R(shí)角半徑為45mm。a）對(duì)接接頭坡口

b）T形接頭坡口圖2過焊孔切角構(gòu)造3.3焊接質(zhì)量控制（1）焊接質(zhì)量要求該工程H型鋼構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼接接頭上下各100mm，以及框架梁柱節(jié)點(diǎn)梁的翼緣上下各600mm范圍內(nèi)，均要求全熔透焊接，焊縫等級(jí)為一級(jí)，其他坡口焊縫要求全熔透焊接的質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，部分坡口焊縫及部分外加貼腳焊縫的質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)，角焊縫按三級(jí)焊縫檢測(cè)。焊縫的表面缺陷要100%進(jìn)行檢測(cè)，不能存在裂紋、焊瘤等缺陷。當(dāng)采用重型熱軋H型鋼進(jìn)行組裝焊接時(shí)，僅考慮組裝接頭即可，重型熱軋H型鋼本身為一體鑄造結(jié)構(gòu)，相對(duì)于焊接H型鋼，不僅結(jié)構(gòu)更可靠，而且內(nèi)部應(yīng)力小，對(duì)結(jié)構(gòu)更有利。

焊接作業(yè)前，檢查焊接現(xiàn)場(chǎng)條件是否滿足焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果的要求，尤其是焊絲、保護(hù)氣體等。由于焊接時(shí)溫度較低，所以焊前預(yù)熱及焊后保溫措施應(yīng)嚴(yán)格按照評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在焊接過程中，應(yīng)在試弧板上對(duì)比調(diào)試焊接電流、電弧電壓，確保符合工藝評(píng)定的要求。（2）焊接順序該工程重型熱軋H型鋼焊接主要為桁架桿件現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊縫的焊接。確定焊接順序時(shí)主要是以焊接變形最少為原則，采用對(duì)稱焊接方式，先焊接變形量大的部位，焊接時(shí)平衡加熱量以降低焊接應(yīng)力的不利影響。具體焊接順序如下：①先焊主弦桿的對(duì)接焊縫。②再焊斜腹桿與主弦桿焊縫。③H型鋼的兩條焊縫不同時(shí)焊接。沿中間向兩邊的方向進(jìn)行對(duì)稱跳焊，以減少扭曲變形的發(fā)生。（3）焊前預(yù)熱及保溫措施該工程使用熱軋H型鋼的樓面桁架正好處于冬季施工中，對(duì)于低溫條件下焊接的低合金鋼采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理措施，平衡加熱，使焊接變形和收縮量減小。預(yù)熱及焊后熱處理的溫度按照焊接工藝評(píng)定要求進(jìn)行控制，主要采用電加熱法進(jìn)行焊前預(yù)熱及層間溫度加熱，板厚＜20mm時(shí)也可用火焰加熱。預(yù)熱的溫度采用接觸式熱電偶測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量，焊接接頭兩端板厚不同時(shí)，以厚板確定預(yù)熱溫度。預(yù)熱時(shí)，在焊縫的兩側(cè)進(jìn)行加熱，加熱寬度為焊件待焊處厚度的1.5倍以上，且需＞100mm，在加熱區(qū)域鋼材背面測(cè)溫，測(cè)量點(diǎn)在距電弧經(jīng)過前的焊接點(diǎn)各方向≥75mm處，根據(jù)板厚不同，適當(dāng)提高正面預(yù)熱溫度，從而使全板厚達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度；當(dāng)用火焰加熱器時(shí)正面測(cè)量應(yīng)在加熱停止后進(jìn)行。層間溫度范圍的最低值與預(yù)熱溫度相同，其最高值應(yīng)滿足母材熱影響區(qū)不過熱的要求，焊接層間溫度低于250℃。焊后進(jìn)行消氫熱處理，在焊接完成后立即加熱到300～350℃。保溫時(shí)間按每25mm板厚≥1h確定，達(dá)到保溫時(shí)間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測(cè)溫方法和操作人員培訓(xùn)要求與預(yù)熱相同。焊后如果進(jìn)行焊縫返修，需要在焊接返修處以高于正常預(yù)熱溫度50℃的溫度進(jìn)行預(yù)熱，且預(yù)熱的區(qū)域也需要加寬，以防止產(chǎn)生焊接裂紋。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，鋼結(jié)構(gòu)提升完成預(yù)計(jì)在11月底，為最大限度地減小溫度變化在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，在跨度較大位置的接頭焊接需要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度，選擇在天氣晴朗的中午前后，此時(shí)溫度與該市全年平均氣溫接近。其他環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞2m/s時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膿躏L(fēng)措施或采用抗風(fēng)式焊機(jī)；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞8m/s或相對(duì)濕度≥80%時(shí)，需停止露天焊接。4焊接常見問題及解決措施4.1焊縫檢測(cè)方法

根據(jù)GB50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和GB50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行焊縫檢測(cè)，其中全熔透一級(jí)焊縫全部進(jìn)行超聲波或射線檢測(cè)，二級(jí)焊縫按20%抽樣檢測(cè)。焊縫檢測(cè)時(shí)根據(jù)同一施焊條件的焊縫數(shù)量計(jì)算百分比，對(duì)熱軋H型鋼對(duì)接焊縫周圍的母材也要進(jìn)行檢測(cè)。焊縫檢測(cè)時(shí)需注意焊縫表面是否出現(xiàn)裂紋、氣孔、咬邊、焊高不足等情況，并進(jìn)行記錄。對(duì)于內(nèi)部缺陷通過超聲波進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)焊縫是否存在夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。

4.2焊接裂紋及防止措施

在焊接構(gòu)件施工過程中，焊接裂紋是最難處理的一種缺陷。裂紋較輕微時(shí)還可返修，裂紋較嚴(yán)重時(shí)構(gòu)件只能報(bào)廢。焊接裂紋包含以下幾種類型：弧坑或焊腳或焊縫根部裂紋、焊縫或熔合線或熱影響區(qū)裂紋、表面或內(nèi)部貫穿裂紋、層狀撕裂等[8]。該工程的樓面桁架采用了整體提升的施工方法，在提升前和提升后，針對(duì)上述問題進(jìn)行了全焊縫的檢查。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)在樓面桁架進(jìn)行拼裝焊接的前期始終未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，但在拼裝基本成形后，由于桁架內(nèi)應(yīng)力隨著拼裝過程不斷處于變化的狀態(tài)，在重型熱軋H型鋼R角位置，由于受較大的焊接應(yīng)力影響，所以在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)700余處過焊孔檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)5處從過焊孔位置向腹板延伸的裂紋，裂紋長(zhǎng)度均＜50mm?，F(xiàn)場(chǎng)及時(shí)鉆止裂孔后，對(duì)這些裂紋進(jìn)行修復(fù)處理，并對(duì)所有主焊縫存在疑似裂紋的位置進(jìn)行磁粉和超聲波檢測(cè)，對(duì)焊縫兩側(cè)500mm范圍內(nèi)進(jìn)行二次打磨，對(duì)母材進(jìn)行檢測(cè)，未再發(fā)現(xiàn)相關(guān)缺陷。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，焊縫裂紋出現(xiàn)位置相同，全部出現(xiàn)在熱軋H型鋼的下翼緣與腹板交接位置，且均為坡口側(cè)裂紋。熱軋H型鋼的上翼緣處由于過焊孔的存在，故不易形成應(yīng)力集中。而下翼緣上平焊坡口側(cè)腹板與翼緣連接焊縫更近，在熱影響區(qū)更容易形成應(yīng)力集中。與其他未出現(xiàn)焊縫裂紋的相同桁架位置進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量問題的下翼緣過焊孔存在R角半徑偏小，且存在加工質(zhì)量偏差較大的情況。裂紋產(chǎn)生區(qū)域如圖3所示。圖3裂紋產(chǎn)生區(qū)域針對(duì)重型熱軋H型鋼的焊接，需要嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)定的焊接構(gòu)造措施，設(shè)置規(guī)范的坡口及過焊口，對(duì)于小角度、窄間隙的焊接坡口，容易造成焊縫成形系數(shù)過小的問題，應(yīng)該避免使用這種坡口。焊接過程中應(yīng)盡量減少焊接應(yīng)力對(duì)型鋼的影響，確保焊接材料的化學(xué)成分與焊接母材匹配，同時(shí)對(duì)焊接過程中的電流與速度進(jìn)行控制，焊前要加強(qiáng)預(yù)熱，以此來減緩焊縫在冷卻結(jié)晶過程中的冷卻速度。通過制定合理的焊接順序，使大多數(shù)焊縫在較小的拘束度下焊接，最大限度地減少焊縫收縮拉力；同時(shí)焊后必須要對(duì)焊縫進(jìn)行消氫處理，使焊縫中的氫含量降低，從而有效地減少冷裂紋的出現(xiàn)[4]。

4.3補(bǔ)強(qiáng)措施（1）焊縫表面缺陷主要表現(xiàn)為焊縫表面出現(xiàn)的未焊滿、咬邊、裂紋、電弧擦傷、根部收縮、夾渣、接頭不良及氣孔等，大部分缺陷能夠通過肉眼直接發(fā)現(xiàn)。但是，不同等級(jí)的焊縫質(zhì)量要求也會(huì)不同，通常采取磁粉或滲透檢測(cè)來確定裂縫的大小。針對(duì)焊縫表面缺陷的處理，通常采用打磨機(jī)進(jìn)行打磨或使用鏟鑿、鉆、銑等方法進(jìn)行完善；針對(duì)焊縫尺寸存在不達(dá)標(biāo)或者弧坑未填滿等問題，采取補(bǔ)焊的方法進(jìn)行處理；而對(duì)焊縫表面產(chǎn)生裂紋的問題，則需要采取碳弧氣刨除去裂紋的方法，重新焊接，以此來修復(fù)裂紋[9]。

（2）內(nèi)部缺陷在檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷，必須要對(duì)返修部位的長(zhǎng)度、深度等信息進(jìn)行確認(rèn)，并附加返修方案。在返修前，可用砂輪或碳弧氣刨清除返修部位的滲碳層，使其露出純凈的金屬光澤，以方便仔細(xì)檢查裂紋清除是否徹底。如出現(xiàn)焊縫長(zhǎng)度過長(zhǎng)的情況，可對(duì)其進(jìn)行分段退焊。當(dāng)返修部位出現(xiàn)焊接中斷的情況，則必須采取后熱或者相應(yīng)的保溫措施，再次對(duì)返修部位進(jìn)行焊接時(shí)則需要先進(jìn)行無損檢測(cè)，確認(rèn)無裂紋后才可以進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊時(shí)若預(yù)熱溫度比原焊接預(yù)熱溫度高，且正反面在相同部位時(shí)，不允許進(jìn)行超過兩次的返修。補(bǔ)焊后仍需要進(jìn)行再次檢測(cè)，若返修還有不合格的情況，則必須重新書寫返修方案，在調(diào)查清楚原因后再次進(jìn)行返修。補(bǔ)焊后若檢測(cè)合格，則要詳細(xì)編寫施工記錄和無損檢測(cè)報(bào)告等相關(guān)材料，以便進(jìn)行歸檔留存。在焊接過程中產(chǎn)生變形的構(gòu)件，可以采用溫度≤900℃的熱矯正，使構(gòu)件恢復(fù)正常。若采用熱矯正和機(jī)械矯正同時(shí)進(jìn)行的方法，則必須注意避免出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，在加熱后要注意緩慢冷卻。

（3）過焊孔裂紋處理當(dāng)過焊孔裂紋向翼緣延伸時(shí)，考慮翼緣鋼板厚度較厚，結(jié)構(gòu)部位重要性更大[10]，需進(jìn)行換板處理；當(dāng)過焊孔裂紋向腹板進(jìn)行延伸時(shí)，考慮腹板鋼板厚度較薄，結(jié)構(gòu)部位重要性相對(duì)較小，可采取裂紋修復(fù)的方法進(jìn)行處理。根據(jù)GB50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》相關(guān)要求，精準(zhǔn)確定裂紋的起止點(diǎn)，在起止點(diǎn)位置分別鉆一個(gè)直徑為12～16mm的止裂孔，以此來徹底清除裂紋；同時(shí)在腹板一側(cè)增加一個(gè)規(guī)格為20mm×200mm×300mm的補(bǔ)強(qiáng)板（見圖4），另一側(cè)加工成一個(gè)側(cè)邊斜面角＞10°的凹槽，并在碳弧氣刨后清理掉滲碳層。接著根據(jù)全焊透對(duì)接焊縫的要求，將溫度調(diào)整到100～150℃進(jìn)行預(yù)熱，通過低氫焊接的方法進(jìn)行焊接。焊接結(jié)束后，需要進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)合格后，要在焊縫位置粘貼膠帶對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，方便使用防火涂料后仍然可以進(jìn)行觀察。a）起止點(diǎn)鉆