重型热轧H型钢在大跨度桁架和钢梁中的焊接应用

随着热轧H型钢应用的不断发展，国产重型热轧H型钢正式市场化，在国内首次应用于大型公共建筑中。以大跨度楼面桁架的应用为例，介绍了重型热轧H型钢的焊接方法及焊接过程的工艺措施，通过分析焊接过程中容易出现的各种问题，提出检测及解决的方法，为重型热轧H型钢进一步工程应用提供重要借鉴与参考。

1序言

在洛阳市科技馆工程中，五层楼面结构采用大跨度钢桁架空间结构，桁架为H型截面的双层桁架，跨度54m，在十字交叉处桁架最大跨度75m，钢材选用牌号为Q390GJC的重型热轧H型钢，最大板厚达70mm，该重型热轧H型钢首次应用于国内大跨度公共建筑主体结构上。


在超高层或超大跨度的公共建筑中，往往通过各种复杂的空间结构来实现建筑的结构设计，而重型热轧H型钢的应用，可获得更加优化的结构性能。热轧H型钢相对于焊接H型钢而言，其截面尺寸更加标准，材料性能较好，大大降低了焊接与焊缝检测工作量，为现场施工提供便利性。目前，国内热轧H型钢的使用量在钢结构工程中占比较小，主要在工业建筑领域应用较多[1]，在民用建筑领域还有较大的发展空间。


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390GJC重型热轧H型钢技术指标

2.1 力学性能与化学成分

Q390GJC钢力学性能见表1。由表1可知，材料具有较高的屈服强度和抗拉强度、较高的安全储备。由钢材的断面收缩率性能可看出，选用的重型热轧H型钢在颈缩区的应力状态产生的最大塑性变形量优于普通钢材，满足厚度方向抗撕裂性能。

表1 Q390GJC钢力学性能

Q390GJC 钢化学成分见表2 。由表2可知，该钢中添加了V、Ti、Nb等合金元素，且wV+Ti+Nb=0.1%、碳当量CEV=0.45%，焊接裂纹敏感性指数Pcm=0.275%。通过以上指标可看出，钢材抗开裂性优良，焊接冷裂纹敏感性好，但在焊接工程中需严格控制预热、层间温度，焊后进行保温处理[2]。

表2 Q390GJC钢化学成分（质量分数）（%）

2.2 焊接材料性能


根据390GJC钢的材料成分确定焊接材料，选用氢含量较低的焊接材料，确保与母材强度等强。工程现场选用了T492T1-1C1A型药芯焊丝，保护气体为纯度99.98%（露点≤－40℃）的CO2。焊丝的化学成分见表3，其熔敷金属的力学性能见表4。


表3 焊丝的化学成分（质量分数）（%）


表4 焊丝熔敷金属的力学性能


3焊接工艺

3.1 焊接方法及设备

在焊接工作开始前，针对该工程390GJC钢的焊接施工特点，按照GB 50661—2011《钢结构焊接规范》[3]进行工艺评定试验，确定焊接方法、焊接材料、焊接道次、坡口形式及预热温度等基本信息。为确定切合实际的工艺参数和焊接措施，选取现场具有代表性的母材、焊丝等，由专业焊接人员在同环境条件下施焊，焊接完成后进行检测，并出具焊接工艺评定报告。


该工程结构主要是外露型构件，根据现场施工条件，结合钢材焊接性能，采用CO2药芯焊丝气体保护焊进行焊接。该方法由于熔敷效率高，速度为焊条电弧焊的2～3倍，且焊接时更加稳定，容易脱渣，产生的飞溅较少，因此焊道成形更加美观。在现场焊接过程中，更加适应现场的用电环境，适应焊接电流、电弧电压条件范围广。根据钢材的材料性能以及H型钢的板厚，确定焊接时的预热温度为80℃，层间温度≤200℃，在焊前对坡口进行砂轮打磨，焊接道次间需清理焊渣及飞溅物，主要焊接参数见表5。

表5 主要焊接参数


3.2 焊接节点构造


焊接的节点主要为单边V形坡口，如图1所示。坡口采用切割机加工，用角磨机修磨。在对接接头和T形接头的两端安装引弧板与引出板，在焊条电弧焊或者半自动焊时，尺寸一般50mm×30mm×t（t为板厚），自动焊时一般为120mm×80mm×t，选择与H型钢母材性能相近的板材，焊后通过气割的方式进行切割并磨平。

a）对接接头   b）T形接头


1 不同接头的坡口形式


根据15G909-1—2015《钢结构连接施工图示（焊接连接）》[4]确定该工程的H型钢上下翼缘过焊孔的切角构造，如图2所示。热轧H型钢下翼缘上平焊坡口侧腹板与翼缘连接焊缝更近，在热影响区更容易形成应力集中，因此过焊孔大小与加工质量对焊接质量影响较大，此次应控制过焊孔R角半径为45mm。


a）对接接头坡口   b）T形接头坡口


图2 过焊孔切角构造


3.3 焊接质量控制

（1）焊接质量要求

该工程H型钢构件现场拼接接头上下各100mm，以及框架梁柱节点梁的翼缘上下各600mm范围内，均要求全熔透焊接，焊缝等级为一级，其他坡口焊缝要求全熔透焊接的质量等级为二级，部分坡口焊缝及部分外加贴脚焊缝的质量等级为三级，角焊缝按三级焊缝检测。焊缝的表面缺陷要100%进行检测，不能存在裂纹、焊瘤等缺陷。当采用重型热轧H型钢进行组装焊接时，仅考虑组装接头即可，重型热轧H型钢本身为一体铸造结构，相对于焊接H型钢，不仅结构更可靠，而且内部应力小，对结构更有利。


焊接作业前，检查焊接现场条件是否满足焊接工艺评定试验结果的要求，尤其是焊丝、保护气体等。由于焊接时温度较低，所以焊前预热及焊后保温措施应严格按照评定的标准进行[5]。在焊接过程中，应在试弧板上对比调试焊接电流、电弧电压，确保符合工艺评定的要求。


（2）焊接顺序

该工程重型热轧H型钢焊接主要为桁架杆件现场拼装焊缝的焊接。确定焊接顺序时主要是以焊接变形最少为原则，采用对称焊接方式，先焊接变形量大的部位，焊接时平衡加热量以降低焊接应力的不利影响。具体焊接顺序如下：①先焊主弦杆的对接焊缝。②再焊斜腹杆与主弦杆焊缝。③H型钢的两条焊缝不同时焊接。沿中间向两边的方向进行对称跳焊，以减少扭曲变形的发生。

（3）焊前预热及保温措施

该工程使用热轧H型钢的楼面桁架正好处于冬季施工中，对于低温条件下焊接的低合金钢采用焊前预热和焊后热处理措施，平衡加热，使焊接变形和收缩量减小[6]。预热及焊后热处理的温度按照焊接工艺评定要求进行控制，主要采用电加热法进行焊前预热及层间温度加热，板厚＜20mm时也可用火焰加热。预热的温度采用接触式热电偶测温仪进行测量，焊接接头两端板厚不同时，以厚板确定预热温度。预热时，在焊缝的两侧进行加热，加热宽度为焊件待焊处厚度的1.5倍以上，且需＞100mm，在加热区域钢材背面测温，测量点在距电弧经过前的焊接点各方向≥75mm处，根据板厚不同，适当提高正面预热温度，从而使全板厚达到规定的预热温度；当用火焰加热器时正面测量应在加热停止后进行。层间温度范围的最低值与预热温度相同，其最高值应满足母材热影响区不过热的要求，焊接层间温度低于250℃。焊后进行消氢热处理，在焊接完成后立即加热到300～350℃。保温时间按每25mm板厚≥1h确定，达到保温时间后用岩棉被包裹缓冷。其加热、测温方法和操作人员培训要求与预热相同。焊后如果进行焊缝返修，需要在焊接返修处以高于正常预热温度50℃的温度进行预热，且预热的区域也需要加宽，以防止产生焊接裂纹。


根据现场施工进度，钢结构提升完成预计在11月底，为最大限度地减小温度变化在结构上产生的内力和变形，在跨度较大位置的接头焊接需要严格控制环境温度，选择在天气晴朗的中午前后，此时温度与该市全年平均气温接近。其他环境下，当环境风速＞2m/s时，应采用适当的挡风措施或采用抗风式焊机；当环境风速＞8m/s或相对湿度≥80%时，需停止露天焊接。


4焊接常见问题及解决措施


4.1 焊缝检测方法


根据GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》[7]和GB 50661—2011《钢结构焊接规范》[3]的规定进行焊缝检测，其中全熔透一级焊缝全部进行超声波或射线检测，二级焊缝按20%抽样检测。焊缝检测时根据同一施焊条件的焊缝数量计算百分比，对热轧H型钢对接焊缝周围的母材也要进行检测。焊缝检测时需注意焊缝表面是否出现裂纹、气孔、咬边、焊高不足等情况，并进行记录。对于内部缺陷通过超声波进行检测，检测焊缝是否存在夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。


4.2 焊接裂纹及防止措施


在焊接构件施工过程中，焊接裂纹是最难处理的一种缺陷。裂纹较轻微时还可返修，裂纹较严重时构件只能报废。焊接裂纹包含以下几种类型：弧坑或焊脚或焊缝根部裂纹、焊缝或熔合线或热影响区裂纹、表面或内部贯穿裂纹、层状撕裂等[8]。该工程的楼面桁架采用了整体提升的施工方法，在提升前和提升后，针对上述问题进行了全焊缝的检查。经检查，发现在楼面桁架进行拼装焊接的前期始终未发现裂纹缺陷，但在拼装基本成形后，由于桁架内应力随着拼装过程不断处于变化的状态，在重型热轧H型钢R角位置，由于受较大的焊接应力影响，所以在对现场700余处过焊孔检查时，发现5处从过焊孔位置向腹板延伸的裂纹，裂纹长度均＜50mm。现场及时钻止裂孔后，对这些裂纹进行修复处理，并对所有主焊缝存在疑似裂纹的位置进行磁粉和超声波检测，对焊缝两侧500mm范围内进行二次打磨，对母材进行检测，未再发现相关缺陷。


经研究发现，焊缝裂纹出现位置相同，全部出现在热轧H型钢的下翼缘与腹板交接位置，且均为坡口侧裂纹。热轧H型钢的上翼缘处由于过焊孔的存在，故不易形成应力集中。而下翼缘上平焊坡口侧腹板与翼缘连接焊缝更近，在热影响区更容易形成应力集中。与其他未出现焊缝裂纹的相同桁架位置进行对比，发现存在质量问题的下翼缘过焊孔存在R角半径偏小，且存在加工质量偏差较大的情况。裂纹产生区域如图3所示。


图3 裂纹产生区域


针对重型热轧H型钢的焊接，需要严格执行预定的焊接构造措施，设置规范的坡口及过焊口，对于小角度、窄间隙的焊接坡口，容易造成焊缝成形系数过小的问题，应该避免使用这种坡口。焊接过程中应尽量减少焊接应力对型钢的影响，确保焊接材料的化学成分与焊接母材匹配，同时对焊接过程中的电流与速度进行控制，焊前要加强预热，以此来减缓焊缝在冷却结晶过程中的冷却速度。通过制定合理的焊接顺序，使大多数焊缝在较小的拘束度下焊接，最大限度地减少焊缝收缩拉力；同时焊后必须要对焊缝进行消氢处理，使焊缝中的氢含量降低，从而有效地减少冷裂纹的出现[4]。

4.3 补强措施

（1）焊缝表面缺陷

主要表现为焊缝表面出现的未焊满、咬边、裂纹、电弧擦伤、根部收缩、夹渣、接头不良及气孔等，大部分缺陷能够通过肉眼直接发现。但是，不同等级的焊缝质量要求也会不同，通常采取磁粉或渗透检测来确定裂缝的大小。针对焊缝表面缺陷的处理，通常采用打磨机进行打磨或使用铲凿、钻、铣等方法进行完善；针对焊缝尺寸存在不达标或者弧坑未填满等问题，采取补焊的方法进行处理；而对焊缝表面产生裂纹的问题，则需要采取碳弧气刨除去裂纹的方法，重新焊接，以此来修复裂纹[9]。

（2）内部缺陷

在检测后发现的内部缺陷，必须要对返修部位的长度、深度等信息进行确认，并附加返修方案。在返修前，可用砂轮或碳弧气刨清除返修部位的渗碳层，使其露出纯净的金属光泽，以方便仔细检查裂纹清除是否彻底。如出现焊缝长度过长的情况，可对其进行分段退焊。当返修部位出现焊接中断的情况，则必须采取后热或者相应的保温措施，再次对返修部位进行焊接时则需要先进行无损检测，确认无裂纹后才可以进行补焊[5]。补焊时若预热温度比原焊接预热温度高，且正反面在相同部位时，不允许进行超过两次的返修。补焊后仍需要进行再次检测，若返修还有不合格的情况，则必须重新书写返修方案，在调查清楚原因后再次进行返修。补焊后若检测合格，则要详细编写施工记录和无损检测报告等相关材料，以便进行归档留存。在焊接过程中产生变形的构件，可以采用温度≤900℃的热矫正，使构件恢复正常。若采用热矫正和机械矫正同时进行的方法，则必须注意避免出现蓝脆现象，在加热后要注意缓慢冷却。


（3）过焊孔裂纹处理


当过焊孔裂纹向翼缘延伸时，考虑翼缘钢板厚度较厚，结构部位重要性更大[10]，需进行换板处理；当过焊孔裂纹向腹板进行延伸时，考虑腹板钢板厚度较薄，结构部位重要性相对较小，可采取裂纹修复的方法进行处理。


根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》相关要求，精准确定裂纹的起止点，在起止点位置分别钻一个直径为12～16m m的止裂孔，以此来彻底清除裂纹；同时在腹板一侧增加一个规格为20mm×200mm×300mm的补强板（见图4），另一侧加工成一个侧边斜面角＞10°的凹槽，并在碳弧气刨后清理掉渗碳层。接着根据全焊透对接焊缝的要求，将温度调整到100～150℃进行预热，通过低氢焊接的方法进行焊接。焊接结束后，需要进行超声波和磁粉检测。经检测合格后，要在焊缝位置粘贴胶带对其进行保护，方便使用防火涂料后仍然可以进行观察。