建筑钢结构焊接工艺评定的现状与探索

1、 摘要关键词本文针对目前行业中焊接工艺评定普遍存在的老套形式,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了粗浅的探索。构件的焊接性;脆性失效破坏;焊接残余应力;结构拘束性作者简介:王自根,1966年毕业于南昌航空工业学校焊接专科,主要从事焊接装配工艺技术及钢结构施工工艺,退休前任浙江精功集团下属精工钢结构有限公司副总工。曾发表焊接结构自由公差的确定、焊接钢结构脆性断裂的防止、组合楼盖应用的探讨、杭州新雷峰塔结构及思考等文章。浙江精功集团王自根建筑钢结构焊接工艺评定的现状与探索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

2、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。建筑钢结构的形状各异、尺寸范围大,特别是重钢结构和高层大框架、大跨度、重荷载钢结构,具有钢板厚、质量大、刚性大、拘束度大、接头型式多而复杂的特点,而锅炉压力容器钢结构则相对钢板薄、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许多不妥之处,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内容的拓展进行新的探索。尽管在GB

3、50205-95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提交的资料中要有焊接工艺评定报告的要求,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。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都能按JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程(以下简称规程的要求进行,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

4、坏的防止。因是强制性要求,施工单位多数1我国建筑钢结构焊接工艺评定的现状不是自觉自愿做的,而是被迫做的。不是施工单位自身对工程质量负责而自觉要进行的工艺试验与工艺定型工作,而是为评定而评定,加上对其执行多少都存在着认识上的误区和不足,使评定多数是老套形式、走过场。2.1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,形成真正适用于工程构件需要的实际焊接工艺。而焊接工艺评定指导书是针对试件而制定的,与实际焊件的焊接工艺是不同的。真正的焊接工艺应包括焊件的装配、定位焊

5、、焊接、矫正、预热、后热等措施在内的全过程工艺。所以,从实质上来讲,焊接工艺评定不是实际焊件的焊接工艺评定。2.2试件厚度允许覆盖的焊件板厚问题。在规程中,气保焊、手弧焊和埋2目前焊接工艺评定中存在的问题The present situation and exploration about the evaluation of welding process of architectural steel structure 弧焊的试件厚度覆盖范围在0.752t,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,但对于以厚板为主的大型钢构件性质就完全不同,由于焊接热作用与拘束力不同,对焊

6、接区产生裂纹的敏感程度也大不一样。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,与断裂力学在焊接上的观点是相违背的。2.3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。2.4焊接工艺评定的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。在建筑钢结构行业,在GB50205-2001钢结构工程

7、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所存在的问题进行改革,在行业3构件的焊接性更适用于建筑钢结构的焊接工艺评定内对焊接工艺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,焊接工艺评定主要还是以对结构的材料为主来进行,而结构的尺寸和形状对焊接工艺的影响没有要求,只是在不同的焊接方法、形式及板厚上来进行而已。人们对焊

8、接性的理解还有误区,即不分研究的对象是什么,不论是材质、材料、构件其焊接性都是一样的。实际上,不同对象的焊接性的内容是不同的。对材质来说,焊接性主要以碳当量的大小来衡量,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和失效事故中最严重的是裂纹与断裂,特别是脆断。钢材焊接性的好坏不单是由钢中碳当量来体现,还要看钢材的大小厚薄。制成的被焊件的大小与形状及接头形式等组成的构件的抗裂性既与钢中的碳当量有关,又与结构的热作用、拘束性等有关。当构件较薄、小时,构件的焊接性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

9、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决不仅是指构件材质的抗裂能力,在一定程度上讲主要的还是由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因素之一。构件(现场则是指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构件的结构由于厚板效应、应力集中性

10、、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、可行性来实现。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是不同的内容和含义。而现行的焊接工艺评定主要针对的是金属材料的焊接性而言。随着钢结构工程中日益向高性能、大型化发展,构件越来越多的采用高强钢、超高强钢、耐热钢、耐蚀钢,结构的大

11、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艺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对接焊缝的焊接并不是随意。它和整体的梁柱装配工艺是连在一起的,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,在进行梁柱预装配时,可先将腹板的高强螺栓预拧紧(只起定位作用

12、,然后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,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制约性要大。焊接时,采用较小焊接线能量、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。要改革现在建筑钢结构的焊接工艺评定的内容与要求,拟从以下几方面进行探索:4.1对于常规的轻钢结构,是通用的Q235和Q345A、B的材料,结构厚度

13、不超过16mm的钢结构工程无需进行焊接工艺评定。也就是在提供的验收资料中可以不要焊接工艺评定的内容。因4对建筑钢结构焊接工艺评定的探索先焊接为对于要求焊透的焊缝在规范中已有规定,即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要重做,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钢材,连焊条直径、焊接电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

14、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。4.2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地结合,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。4.3对于较大型的厚、大构件和高合金、高强度、高性能钢构件,试件不但在材料要与实际构件完全符合其热传导特征,更重要的是为使其热循环状态、结构刚性、结构拘束性与

15、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,或者说必须模拟接头的冷却时间与拘束特性,为此,可用焊接另外的型材来代替一部分实际构件的方法来实现。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。4.4对于特大型钢构件、大型结构的现场安装焊接接头,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

16、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。工艺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、新接头形式进行部分试件的焊接工艺评定(取样可以小代大,选择性的制取,试样制取和试件的试验和检验按现行规程,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、减少残余应力等。三是

17、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(下转第J-37页 3焊后热处理4评定考虑到热处理对焊接接头的力学性能影响,对CHE557R焊接接头按规定(570,保温2h作焊后热处理,对CHE507R焊条焊接的试件采用了两种方案,即一种方案是不进行焊后热处理,而另一种方案是进行焊后热处理(570,保温2h,目的是在这两种条件下进行试验对比,了解其焊接接头的力学性能有什么区别?以进一步确定CHE507R焊条用于焊接材料为15MnNbR钢压力容器的可行性。对上述试件按工艺试验选定的焊接参数焊接,焊后热处理完毕后,进行评定。 4.1对3组试板按标准承压设备无损检测(标准号:JB/T4730

18、-2005进行了UT无损检测,全部级。4.2按钢制压力容器焊接工艺评定(标准号:JB4708-2000对3组试件分别取样进行了抗拉强度试验,CHE507焊接接头抗拉强度值均高于15MnNbR 材料标准值。详见表8、表9。4.3按钢制压力容器焊接工艺评定(标准号:JB4708-2000对3组9件试件分别取样进行180°侧向弯曲试验,全部合格。详见表8、表9。4.4按钢制压力容器焊接工艺评定(标准号:JB4708-2000对2组6件试件分别取样进行了-20冲击试验,CHE 507焊接接头的冲击吸收功全高于标准规定的焊接接头标准值的指标。详见表8、表9。5.1以上评定结果证明,CHE507

19、R电焊条取代CHE557R焊条焊接15MnNbR 钢,其焊接接头的抗拉强度高于CHE 557R焊接15MnNbR钢的标准值。5.2通过试件的侧弯曲试验证明,CHE 507R焊条焊接15MnNbR钢的焊接接头塑性性能可以满足使用要求。5.3从表8、表9试验数据表明,使用CHE507R焊接15MnNbR钢比使用CHE5结束语557R焊条焊接15MnNbR钢的焊接接头的韧性要高,更体现出CHE507R焊条的优越性。5.4对CHE507R焊接15MnNbR钢分别进行了焊后热处理与焊后不处理的试件评定,评定结果均能超过CHE557R 焊接15MnNbR焊接接头各项指标的标准值(详见表8、表9,所以也适用于有关标准要求厚度大于32mm的材料抗拉强度大于540MPa时,球型储罐焊后需进行焊后消除应力退火处理的有关要求。5.5采用CHE507R焊接15MnNbR钢明显降低焊接成本(E5015市场价6400元/吨、E5515-G市场价11000元/吨。5.6采用CHE507R焊条替代CHE557R 焊条焊接15MnNbR钢