建筑钢结构焊接工艺评定的现状与探索(论文)

1、建筑钢结构焊接工艺评定的现状与探索王自根摘要:针对目前行业中焊接工艺评定普遍存在的套形式走过场现象,提出了存在的问题,建议在工艺评定中用构件的焊接性代替材料的焊接性。并对工艺评定的拓展进行粗浅的探索。关键词:构件的焊接性,焊接残余应力,结构拘束性,模拟实际构件的试件钢结构的焊接工艺评定主要是为确定正确的焊接工艺而进行的。由于焊接结构的千变万化,在焊接生产前进行焊接工艺的试验与确定是必要的。在JGJ812002建筑钢结构焊接技术规程(以下简称规程中,对焊接工艺评定的要求基本上是借鉴JB4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定而来。但建筑钢结构的形状各异,尺寸范围大,特别是重钢结构,高层大框架、

2、大跨度、重荷载钢结构,其钢板厚、质量大、刚性大、拘束度大、接头型式多而复杂的特点,而锅炉压力容器则相对钢板薄、刚性小、拘束度小、接头型式简单,但在材质上相对品种多、强度高、耐蚀性高、碳当量高。两者所要进行的焊接工艺评定的大方向不同,所以用钢制压力容器焊接工艺评定的内容来进行钢结构的工艺评定工作有不妥之处,并已不能满足现在建筑钢结构焊接工艺的需要。为此有必要对我国目前建筑钢结构焊接工艺评定的现状进行回顾,并对今后焊接工艺评定的内容的拓展进行新的探索。一.我国建筑钢结构焊接工艺评定的现状尽管在GB5020595钢结构工程施工及验收规范中已开始提出对钢构件出厂时要提交的资料中要有焊接工艺评定报告的要

3、求。但在我国一般只是在重点工程和有监理的工程才提出工艺评定的要求。小工程本身在用材上是通用性钢材,在结构上轻、小,只要有合格的焊工,一般不存在焊接工艺上的问题,加上由于没有专业监理,对工艺评定也不作专门要求了。在超高层、大跨度、大厚度、大拘束度等重、大型钢结构的重点工程中对其焊接工艺评定基本是按规程的要求进行的,但由于试件的工艺评定所代表的内容存在局限性,片面性,评定只偏重于材料的焊接性,甚至是材质的焊接性,忽视了工艺评定中对构件的脆性与断裂失效破坏的防止。因是强制性要求,施工单位多数不是自觉自愿做的,而是被迫做的。不是施工单位自身的对工程质量负责而自觉要进行的工作。而是为评定而评定,加上工艺

4、评定要求自身存在的问题,使评定多数是套形式走过场。二.目前焊接工艺评定中存在的问题1.由于规程中要求“按本规程的规定施焊试件、切取试样”,这就等于间接的规定了所用的基本焊接参数。所以它所评定的工艺还有多少实际上意义呢?焊接工艺评定的目的是为了对实际的焊接工艺进行评定,真正在工程是需要的是实际构件的焊接工艺。而目前工艺评定中的焊接工艺评定指导书是针对试件而制定的,它与实际焊件的焊接工艺是不同的。而真正的焊接工艺它应包括焊件的装配、定位焊、焊接、矫正、预热、后热等包括措施在内的全过程工艺。所以从实质上来讲不是实际焊件的焊接工艺的评定。2.试件厚度允许复盖的焊件板厚问题,在规程中,气保焊、手弧焊和埋

5、弧焊的试件厚度复盖范围在0.752t,它和压力容器的要求基本相同,对较薄的板件,拘束性小的构件尚可,但对于厚板为主的大型钢构件性质就完全不同,由于试件与实际的构件的焊接热循环与焊后残余应力的大不相同,使对焊接区产生裂纹的的敏感程度大不一样。所以可代表2倍板厚的观点至少可以说对防止焊接结构的脆性破坏与疲劳破坏是不利的,它与断裂力学在焊接上的观点是相违背的。3.试板所代表的主要是材料,而不是构件,因构件的大小(尺寸与质量在规范中并没有强调。由于试板(按规程要求的尺寸较小,而且因无拘束作用(只有定位焊点的拘束而使焊缝基本上是自由收缩,使其产生的残余应力远小于实际构件焊后的残余应力。4.焊接工艺评定的

6、试件尺寸在规程中作出了规定,不管工程结构大小,对接接头只分板厚<25和25两种,并规定了试板尺寸。而没有提出对试件应与实际构件要力求接近的要求。三.构件的焊接性更适用于建筑钢结构的焊接工艺评定在建筑钢结构行业,在GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范中已明确要求对首次使用的钢材、焊材、焊接方法等进行焊接工艺评定。在2003年后执行的JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程中在对于建筑钢结构进行焊接工艺评定作为强制性条文来要求。所以对钢结构的焊接工艺评定的形式与内容不断进行探索、修改与更新是势在必行。对现在钢结构行业中的焊接工艺评定中存在的问题进行改革,在行业内进行对焊接工艺

7、评定的要求进行必要的探讨,以加速其更实际、更科学、更先进。在我国焊接工艺的评定主要还是以对结构的材料为主来进行,而对结构的尺寸和形状对焊接工艺的影响没有要求。对焊接性的理解还有误区,即没有对材质、材料、构件其焊接性加以实质上的区别。而实际上不同的对象焊接性的内容是不同的。对材质来说焊接性主要以碳当量C eq或焊接裂缝缝敏感度P ce的大小来衡量,而材质在有一定形状尺寸时才称为材料。构件或结构是由被焊接件(母材组焊在一起的总成。而构件在焊接与实际使用过程中造成结构失稳事故中最严重的是裂纹与断裂,特别是脆断。钢材的焊接性的好坏不单是由钢中碳当量来体现,还要看由钢材的大小厚薄。当构件较薄、小时,构件

8、的焊接性可以以钢材的碳当量为主,但当构件较厚、大时,其焊接性就主要取决于接头的冷却速度、形状系数(应力集中、结构拘束度、焊接残余应力等。构件的抵抗裂纹能力在一定程度上讲主要的还是构件的本身结构特点所决定的,而材料的碳当量的大小只是影响的因素之一。构件(结构的焊接性应包含以下几方面的内容:一是金属材料的焊接性,二是结构焊接可靠性。三是焊接生产的工艺可行性。四是构件焊后适应使用要求的程度。金属材料的焊接性指材料在一定的几何尺寸及焊接接头在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度,尤其是抵抗裂纹产生的能力。而碳当量只是在同种条件下来衡量材料的焊接性好坏的一个指标。结构的焊接可靠性,主要是指在

9、构件的结构由于厚板效应、应力集中性、结构刚性及拘束性给构件在焊接过程中避免产生较大的应力与应变,尤其是避免产生较大残余应力的性能。它依靠焊接工艺的科学、先进、合理、可行来实现。焊接生产的工艺可行性主要包括对焊接加工的适应性,工艺可达性(包括焊接操作、焊前预热、后热、消除残余应力等,控制焊接变形的工艺可行性等。构件焊后适应使用要求的程度主要指结构在使用期限内焊接接头的安全可靠性,其中不发生脆性断裂、疲劳断裂是主要内容。所以金属材料的焊接性与构件的焊接性有着不同的内容和含义。而现行的焊接工艺评定主要针对的是对构件的金属材料的焊接性而言,随着钢结构工程中日益向高性能、大型化的发展,构件越来越多的采用

10、高强钢、超高强钢、耐热钢、耐蚀钢,结构的大跨度大吨位、型材的大厚度越来越多,只为材料的焊接性进行焊接工评定已不能满足现代化建筑钢结构事业的发展,而构件的焊接工艺评定就成为新的探索方向。焊接结构的失效有设计、工艺、生产多种原因,它们之间往往互有联系,虽设计必须充分考虑工艺可行性,但工艺的优劣往往是结构发生失效的主要原因。例如高层钢结构的框架梁、柱的现场安装,H梁的翼缘板与柱牛腿的翼缘板的对接焊缝的焊接并不是随意可自由焊接的。它和整体的梁柱装配工艺是连在一起的。它包括测量,螺栓连接,柱的位置度、垂直度的调整,焊接等各工序。为保证梁柱焊接后柱的位置度、垂直度,保证焊后焊缝残余应力在允许范围,在进行梁

11、柱预装配时,可先将腹板的高强螺栓预拧紧(只起定位作用,然后先焊接靠核心筒端的梁的翼缘板,上下翼缘板都焊完并冷却后再将高强螺栓最后拧紧(其间均按测量要求进行,再进行另一端的梁的翼缘板的焊接。而此时的翼板对接焊的工艺要求更复杂和严格,又因是先栓后焊,整体框架的拘束力强,为尽量减少焊接的变形与残余应力,对定位焊要有专门要求。要求焊点对焊接时焊缝横向收缩的的制约性要大,焊接时可采用较小焊接线能量,可用小锤敲击焊缝表面等措施来减小因结构拘束带来的焊后残余应力。所以对该梁柱翼缘板的对接的工艺评定采用试板自由收缩的对接的工艺评定来代替是不妥的。四.对建筑钢结构焊接工艺评定的探索改革现在建筑钢结构的焊接工艺评

12、定的内容与要求,拟在以下几方面进行探索:1.建议对于常规的轻钢结构,是通用的Q235和Q345A、B的材料,结构厚度不超过16mm的钢结构工程应免进行焊接工艺评定。也就是在提供的验收资料中可以不要焊接工艺评的内容。因为对于要求焊透的焊缝在规范中已有规定一定要进行无损探伤的。另外上述材料的常规焊接在国内外早已有成熟的工艺,也应是持证上岗焊工应掌握的基本技能。现在进行的焊接工艺评定附带着间接考核施工单位的焊工水平与焊机的要求,由于在规程中已对焊工有专门要求,在工艺评定中要求焊接工艺参数中有一项变化工艺评定就在重做,这就没有必要(特殊材质的例外。因为建筑钢结构中用的都是常规用钢材,连焊条直径、焊接电

13、流变化都要重做工艺评定也太浪费了。现在的施工单位对这类常规轻钢工程的焊接工艺评定多数是没有,有也是走形式,与其走形式倒不如不去要求为好。建议焊接工艺评定在工程中需要与否及要求深度由业主和监理在对工程的施工组织设计要求中加以确定。2.焊接工艺是整个构件装配焊接全过程中的一部分,应根据接头结构形式的不同确定不同的深度要求的装配焊接工艺,在施工组织设计中一般都有描述,但往往不够系统与专业。为与焊接工艺评定更有机的结合,可从施工组织设计中取出,编成专门的焊接工艺,它应是评定的主体。即增加对实际装配焊接工艺的评定内容。3.对于较大型的厚、大构件,对于高强度、高性能或高碳当量的钢材的构件,试件不但在材料要

14、与实际构件完全一致,其热传导特征,结构刚性、结构拘束性与实际构件尽量接近,接头的形式与尺寸要尽量与实际构件接近,尽量模拟实际构件的情况来确定试件的结构形式及尺寸,或者说必须模拟构件接头热循环特性与拘束特性。为此,可用加焊接工艺型材的方法代替构件来实现接头热循环特性与拘束特性。其焊接工艺评定不但要对焊接试件进行机械性能试验,而且要根据接头的特点确定焊接冷却时间t8/5或t8/3;必要时判定对在近缝区有预变形区域的应变时效及蓝脆区的影响程度,并根据构件(结构对焊缝的拘束程度,设计焊接工艺,必要时对焊缝及热影响区进行残余应力测量,综合评定其焊接工艺。4.对于特大型钢构件、大型结构的现场安装焊接接头,

15、如按模拟制作试样将造成极大的材料浪费,且操作可行性差。其热传导特征,热循环程度、结构刚性、结构拘束性更是难以与实际结构接近,此时的焊接工艺评定可直接用实际构件的装配焊接工艺来进行,评定合格后再落实到工艺文件中。其评定的内容和形式建议按下面内容进行:一是对新(特殊的材质、新接头形式可按现行的规程进行部分试件的焊接工艺评定,确定较特殊材料、接头的焊接性。二是在理论上确定结构焊接接头的冷却时间t8/5或t8/3,确定焊接接头的拘束程度,进而确定一系列焊接参数和焊接工艺措施。选择性的进行接头的脆性及韧性试验,进而制定构件的焊接工艺参数和措施内容。如进行预应力或预变形焊接,预热、后热或焊后热处理、减少残

16、余应力等。三是在施工过程中通过对焊接温度场的实测、对焊缝及热影响区进行冷却时间、硬度的测量,必要时进行残余应力的实测来校验工艺方案中工艺参数的正确性,并进行修正。四是对焊缝及热影响区进行无损探伤。此探伤主要不是产品自身要求的探伤,而是工艺评定的要求。即使是非熔透性焊缝也可进行,而且对厚板结构宜冷至室温后的48小时后进行。对于特大型钢构件、大型结构的现场安装焊接接头的焊接工艺评定先对编制的装配焊接工艺方案作理论评定,再以试验与实测相结合的方式对原工艺方案进行综合评定。把最后用于施工的装配焊接工艺方案及工艺评定的资料作为焊接工艺内容的补充内容进行确认通过。综上所述,构件(结构的焊接工艺评定不同于现行焊接工艺评定,它比金属材料的焊接工艺评定内容更全面,对焊接接头失效与否的工艺评定更准确、更结合实际。它的工艺是装配焊接综合工艺,比现在的工艺评定指导书更能直接用于生产。工艺评定不能单依据于试样的性能试验结果,而且由于优质的焊接