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詳情
重型熱軋H型鋼在大跨度桁架和鋼梁中的焊接應用
隨著熱軋H型鋼應用的不斷發展,國產重型熱軋H型鋼正式市場化,在國內應用于大型公共建筑中。以大跨度樓面桁架的應用為例,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的各種問題,提出檢測及解決的方法,為重型熱軋H型鋼進一步工程應用提供重要借鑒與參考。
隨著熱軋H型鋼應用的不斷發展,國產重型熱軋H型鋼正式市場化,在國內應用于大型公共建筑中。以大跨度樓面桁架的應用為例,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的各種問題,提出檢測及解決的方法,為重型熱軋H型鋼進一步工程應用提供重要借鑒與參考。
序言
在洛陽市科技館工程中,五層樓面結構采用大跨度鋼桁架空間結構,桁架為H型截面的雙層桁架,跨度54m,在十字交叉處桁架跨度75m,鋼材選用牌號為Q390GJC的重型熱軋H型鋼板厚達70mm,該重型熱軋H型鋼應用于國內大跨度公共建筑主體結構上。
在高層或超大跨度的公共建筑中,往往通過各種復雜的空間結構來實現建筑的結構設計,而重型熱軋H型鋼的應用,可獲得更加優化的結構性能。熱軋H型鋼相對于焊接H型鋼而言,其截面尺寸更加標準,材料性能較好,大大降低了焊接與焊縫檢測工作量,為現場施工提供便利性。目前,國內熱軋H型鋼的使用量在鋼結構工程中占比較小,主要在工業建筑領域應用較多[1],在民用建筑領域還有較大的發展空間。
2
390GJC重型熱軋H型鋼技術指標
2.1 力學性能與化學成分
Q390GJC鋼力學性能見表1。由表1可知,材料具有較高的屈服強度和抗拉強度、較高的儲備。由鋼材的斷面收縮率性能可看出,選用的重型熱軋H型鋼在頸縮區的應力狀態產生的塑性變形量優于普通鋼材,滿足厚度方向抗撕裂性能。
表1 Q390GJC鋼力學性能
Q390GJC 鋼化學成分見表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%、碳當量CEV=0.45%,焊接裂紋敏感性指數Pcm=0.275%。通過以上指標可看出,鋼材抗開裂性優良,焊接冷裂紋敏感性好,但在焊接工程中需嚴格控制預熱、層間溫度,焊后進行保溫處理[2]。
表2 Q390GJC鋼化學成分(質量分數)(%)
2.2 焊接材料性能
根據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,確保與母材強度等強。工程現場選用了T492T1-1C1A型藥芯焊絲,保護氣體為純度99.98le;-40℃)的CO2。焊絲的化學成分見表3,其熔敷金屬的力學性能見表4。
表3 焊絲的化學成分(質量分數)(%)
表4 焊絲熔敷金屬的力學性能
3
焊接工藝
3.1 焊接方法及設備
在焊接工作開始前,針對該工程390GJC鋼的焊接施工特點,按照GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》[3]進行工藝評定試驗,確定焊接方法、焊接材料、焊接道次、坡口形式及預熱溫度等基本信息。為確定切合實際的工藝參數和焊接措施,選場具有代表性的母材、焊絲等,由焊接人員在同環境條件下施焊,焊接完成后進行檢測,并出具焊接工藝評定報告。
該工程結構主要是外露型構件,根據現場施工條件,結合鋼材焊接性能,采用CO2藥芯焊絲氣體保護焊進行焊接。該方法由于熔敷速度為焊條電弧焊的2~3倍,且焊接時更加穩定,容易脫渣,產生的飛濺較少,因此焊道成形更加美觀。在現場焊接過程中,更加適應現場的用電環境,適應焊接電流、電弧電壓條件范圍廣。根據鋼材的材料性能以及H型鋼的板厚,確定焊接時的預熱溫度為80℃,層間溫度≤200℃,在焊前對坡口進行砂輪打磨,焊接道次間需清理焊渣及飛濺物,主要焊接參數見表5。
表5 主要焊接參數
3.2 焊接節點構造
焊接的節點主要為單邊V形坡口,如圖1所示。坡口采用切割機加工,用角磨機修磨。在對接接頭和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焊時,尺寸一般50mm×30mm×t(t為板厚),自動焊時一般為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行切割并磨平。
a)對接接頭 b)T形接頭
圖1 不同接頭的坡口形式
根據15G909-1—2015《鋼結構連接施工圖示(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造,如圖2所示。熱軋H型鋼下翼緣上平焊坡口側腹板與翼緣連接焊縫更近,在熱影響區更容易形成應力集中,因此過焊孔大小與加工質量對焊接質量影響較大,此次應控制過焊孔R角半徑為45mm。
a)對接接頭坡口 b)T形接頭坡口
圖2 過焊孔切角構造
3.3 焊接質量控制
(1)焊接質量要求
該工程H型鋼構件現場拼接接頭上下各100mm,以及框架梁柱節點梁的翼緣上下各600mm范圍內,均要求全熔透焊接,焊縫等級為其他坡口焊縫要求全熔透焊接的質量等級為二級,部分坡口焊縫及部分外加貼腳焊縫的質量等級為三級,角焊縫按三級焊縫檢測。焊縫的表面缺陷要100%進行檢測,不能存在裂紋、焊瘤等缺陷。當采用重型熱軋H型鋼進行組裝焊接時,僅考慮組裝接頭即可,重型熱軋H型鋼本身為一體鑄造結構,相對于焊接H型鋼,不僅結構更可靠,而且內部應力小,對結構更有利。
焊接作業前,檢查焊接現場條件是否滿足焊接工藝評定試驗結果的要求,尤其是焊絲、保護氣體等。由于焊接時溫度較低,所以焊前預熱及焊后保溫措施應嚴格按照評定的標準進行[5]。在焊接過程中,應在試弧板上對比調試焊接電流、電弧電壓,確保符合工藝評定的要求。
(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場拼裝焊縫的焊接。確定焊接順序時主要是以焊接變形少為原則,采用對稱焊接方式,先焊接變形量大的部位,焊接時平衡加熱量以降低焊接應力的不利影響。具體焊接順序如下:①先焊主弦桿的對接焊縫。②再焊斜腹桿與主弦桿焊縫。③H型鋼的兩條焊縫不同時焊接。沿中間向兩邊的方向進行對稱跳焊,以減少扭曲變形的發生。
(3)焊前預熱及保溫措施
該工程使用熱軋H型鋼的樓面桁架正好處于冬季施工中,對于低溫條件下焊接的低合金鋼采用焊前預熱和焊后熱處理措施,平衡加熱,使焊接變形和收縮量減小[6]。預熱及焊后熱處理的溫度按照焊接工藝評定要求進行控制,主要采用電加熱法進行焊前預熱及層間溫度加熱,板厚<20mm時也可用火焰加熱。預熱的溫度采用接觸式熱電偶測溫儀進行測量,焊接接頭兩端板厚不同時,以厚板確定預熱溫度。預熱時,在焊縫的兩側進行加熱,加熱寬度為焊件待焊處厚度的1.5倍以上,且需>100mm,在加熱區域鋼材背面測溫,測量點在距電弧經過前的焊接點各方向≥75mm處,根據板厚不同,適當提高正面預熱溫度,從而使全板厚達到規定的預熱溫度;當用火焰加熱器時正面測量應在加熱停止后進行。層間溫度范圍的值與預熱溫度相同,其值應滿足母材熱影響區不過熱的要求,焊接層間溫度低于250℃。焊后進行消氫熱處理,在焊接完成后立即加熱到300~350℃。保溫時間按每25mm板厚≥1h確定,達到保溫時間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測溫方法和操作人員培訓要求與預熱相同。焊后如果進行焊縫返修,需要在焊接返修處以高于正常預熱溫度50℃的溫度進行預熱,且預熱的區域也需要加寬,以防止產生焊接裂紋。
根據現場施工進度,鋼結構提升完成預計在11月底,為地減小溫度變化在結構上產生的內力和變形,在跨度較大位置的接頭焊接需要嚴格控制環境溫度,選擇在天氣晴朗的中午前后,此時溫度與該市全年平均氣溫接近。其他環境下,當環境風速>2m/s時,應采用適當的擋風措施或采用抗風式焊機;當環境風速>8m/s或相對濕度≥80%時,需停止露天焊接。
4
焊接常見問題及解決措施
4.1 焊縫檢測方法
根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》[7]和GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》[3]的規定進行焊縫檢測,其中全熔透焊縫全部進行超聲波或射線檢測,二級焊縫按20%抽樣檢測。焊縫檢測時根據同一施焊條件的焊縫數量計算百分比,對熱軋H型鋼對接焊縫周圍的母材也要進行檢測。焊縫檢測時需注意焊縫表面是否出現裂紋、氣孔、咬邊、焊高不足等情況,并進行記錄。對于內部缺陷通過超聲波進行檢測,檢測焊縫是否存在夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。
4.2 焊接裂紋及防止措施
在焊接構件施工過程中,焊接裂紋是難處理的一種缺陷。裂紋較輕微時還可返修,裂紋較嚴重時構件只能報廢。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裂紋、表面或內部貫穿裂紋、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,針對上述問題進行了全焊縫的檢查。經檢查,發現在樓面桁架進行拼裝焊接的前期始終未發現裂紋缺陷,但在拼裝基本成形后,由于桁架內應力隨著拼裝過程不斷處于變化的狀態,在重型熱軋H型鋼R角位置,由于受較大的焊接應力影響,所以在對現場700余處過焊孔檢查時,發現5處從過焊孔位置向腹板延伸的裂紋,裂紋長度均<50mm?,F場及時鉆止裂孔后,對這些裂紋進行修復處理,并對所有主焊縫存在疑似裂紋的位置進行磁粉和超聲波檢測,對焊縫兩側500mm范圍內進行二次打磨,對母材進行檢測,未再發現相關缺陷。
經研究發現,焊縫裂紋出現位置相同,全部出現在熱軋H型鋼的下翼緣與腹板交接位置,且均為坡口側裂紋。熱軋H型鋼的上翼緣處由于過焊孔的存在,故不易形成應力集中。而下翼緣上平焊坡口側腹板與翼緣連接焊縫更近,在熱影響區更容易形成應力集中。與其他未出現焊縫裂紋的相同桁架位置進行對比,發現存在質量問題的下翼緣過焊孔存在R角半徑偏小,且存在加工質量偏差較大的情況。裂紋產生區域如圖3所示。
圖3 裂紋產生區域
針對重型熱軋H型鋼的焊接,需要嚴格執行預定的焊接構造措施,設置規范的坡口及過焊口,對于小角度、窄間隙的焊接坡口,容易造成焊縫成形系數過小的問題,應該避免使用這種坡口。焊接過程中應盡量減少焊接應力對型鋼的影響,確保焊接材料的化學成分與焊接母材匹配,同時對焊接過程中的電流與速度進行控制,焊前要加強預熱,以此來減緩焊縫在冷卻結晶過程中的冷卻速度。通過制定合理的焊接順序,使大多數焊縫在較小的拘束度下焊接地減少焊縫收縮拉力;同時焊后須要對焊縫進行消氫處理,使焊縫中的氫含量降低,從而有效地減少冷裂紋的出現[4]。
4.3 補強措施
(1)焊縫表面缺陷
主要表現為焊縫表面出現的未焊滿、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現。但是,不同等級的焊縫質量要求也會不同,通常采取磁粉或滲透檢測來確定裂縫的大小。針對焊縫表面缺陷的處理,通常采用打磨機進行打磨或使用鏟鑿、鉆、銑等方法進行完善;針對焊縫尺寸存在不達標或者弧坑未填滿等問題,采取補焊的方法進行處理;而對焊縫表面產生裂紋的問題,則需要采取碳弧氣刨除去裂紋的方法,重新焊接,以此來修復裂紋[9]。
(2)內部缺陷
在檢測后發現的內部缺陷,須要對返修部位的長度、深度等信息進行確認,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,以方便仔細檢查裂紋清除是否如出現焊縫長度過長的情況,可對其進行分段退焊。當返修部位出現焊接中斷的情況,則須采取后熱或者相應的保溫措施,再次對返修部位進行焊接時則需要先進行無損檢測,確認無裂紋后才可以進行補焊[5]。補焊時若預熱溫度比原焊接預熱溫度高,且正反面在相同部位時,不允許進行超過兩次的返修。補焊后仍需要進行再次檢測,若返修還有不合格的情況,則須重新書寫返修方案,在調查清楚原因后再次進行返修。補焊后若檢測合格,則要詳細編寫施工記錄和無損檢測報告等相關材料,以便進行歸檔留存。在焊接過程中產生變形的構件,可以采用溫度≤900℃的熱矯正,使構件恢復正常。若采用熱矯正和機械矯正同時進行的方法,則須注意避免出現藍脆現象,在加熱后要注意緩慢冷卻。
(3)過焊孔裂紋處理
當過焊孔裂紋向翼緣延伸時,考慮翼緣鋼板厚度較厚,結構部位重要性更大[10],需進行換板處理;當過焊孔裂紋向腹板進行延伸時,考慮腹板鋼板厚度較薄,結構部位重要性相對較小,可采取裂紋修復的方法進行處理。
根據GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》相關要求,確定裂紋的起止點,在起止點位置分別鉆一個直徑為12~16m m的止裂孔,以此來清除裂紋;同時在腹板一側增加一個規格為20mm×200mm×300mm的補強板(見圖4),另一側加工成一個側邊斜面角>10°的凹槽,并在碳弧氣刨后清理掉滲碳層。接著根據全焊透對接焊縫的要求,將溫度調整到100~150℃進行預熱,通過低氫焊接的方法進行焊接。焊接結束后,需要進行超聲波和磁粉檢測。經檢測合格后,要在焊縫位置粘貼膠帶對其進行保護,方便使用防火涂料后仍然可以進行觀察。
a)起止點鉆孔止裂
b)背面焊接25mm厚補強板
c)正面刨成斜口、全熔透焊接
d)焊后檢測
圖4 下翼緣裂紋補強處理
5結束語
重型熱軋H型鋼相比焊接H型鋼應用于工程中不僅大大增加了工程施工的便利性,降低了加工成本,而且結構內部應力更小,質量更可靠。在大跨度樓面桁架中,重型熱軋H型鋼的材料性能與力學性能滿足設計要求,在焊接工程中,應按照焊接工藝評定的要求執行各項標準規定,規范開坡口和過焊口。由于重型熱軋H型鋼應用時涉及較多厚板焊接,所以焊前預熱和焊后保溫需嚴格執行工藝要求。焊后進行無損檢測,對于產生的缺陷,制定合理的返修補強措施,確保桁架焊接質量。
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