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摘要：随着钢结构用量的迅猛增加，由于在使用过程中会受到各种形式的作用，所以要求钢材应具有良好的力学性能和加工性能，以保证结构安全可靠。尤其是对于链接部件的焊接处理，在保证安全储备的同时，在施工过程中必要保证钢结构焊接性能的稳定性。
关键词：建筑；钢结构；焊接；工艺
1建筑用高性能钢的特征
建筑用钢结构需保证较好的力学性能及加工性能，钢材性能的主要衡量指标包括断面收缩率、屈服强度、屈强比、可焊性、延伸性及抗拉强度等。为保证建筑结构高度安全及可靠性能，需选用综合性能较好的钢材，但依据《钢结构焊接规范》2011中所述，钢材强度的提升会伴随碳当量的增加，进而导致钢材的焊接难度加大，表1示出了钢结构工程焊接难度等级。
如表1所示，依据钢材碳当量将钢材的焊接难度分为四个等级，而当钢材强度超过420MPa时，钢材碳当量可超过0.5，此时，钢材可焊性急剧衰减，较难进行焊接。除此之外，对于有特殊需求的钢材也应关注其他指标，如对有抗震性能钢材，其塑性指标以及屈强比也是重要的评价指标，依据《建筑抗震设计》2010，钢材的屈服强度值与抗拉强度值之比需在0.8之内，且应具备明显的屈服台阶以及较好的冲击韧性。
表1 钢结构工程焊接难度等级
2建筑钢结构的焊接工艺要点
2.1选用原则
建筑用钢结构需依据实际应用需求合理选配钢材，依据《钢结构焊接规范》2011，需经专家审议后方可使用钢材材料进行工程应用，且需采用优良的焊接工艺，处理好焊接接头。涉及到高性能钢材的应用领域，需整理好相关的焊接性能技术资料，包括屈服强度大于460MPa或低于170MPa的钢材。
钢材焊接性能的技术资料可通过厂家或试验的方式来获得，生产厂家对于钢材的性能比较了解，可直接向生产厂家索取；另一方面，可委托具有检测资质的第三方机构进行钢材的性能试验验证，总之，应获得完整的系统化技术资料，包括钢材及焊接材料性能技术资料、焊接工艺评定资料、裂纹敏感性检验资料、钢板热切割热矫正实验资料、焊接材料性能检验、CCT图热影响区硬度评估、钢材碳当量检测、坡口焊接裂纹实验以及时效敏感性实验等方面。
2.2焊接要点
2.2.1合理选用高效的焊接方法
焊接方法对于建筑钢结构的焊接性能至关重要，需依据实际需求及结构特点进行合理选用，依据《钢结构焊接规范》，在工业或民用钢结构工程中，当静荷载与动载荷同时作用下的超过3mm后的钢结构焊接可选用埋弧焊、焊条电弧焊、焊丝自保护焊、电渣焊或其相应的组合形式，然而对于结构性能要求较高的钢结构焊接而言，需确保较低的焊接热输入量，此类焊接方式可优先选用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、气电立焊或电渣焊等。同时，实验表明，高强钢的焊接热输入量不超过50kj/cm，上述各类焊接方式的热输入量分别为12~16、11~17、20~27、100~200、300~1000kj/cm。因此，在极端情况下，埋弧焊、气电立焊或电渣焊等其最大热输入量可超过50kj/cm，因此不予选用。对于高性能钢材而言，为获得较高水准的焊缝金属性能，需对于焊接热输入量予以严格的控制，特别是对于D型或E型钢材，以防止较高的焊接热输入造成焊缝接头韧性的降低。目前，对于焊接热输入量的有效控制方式即对于单道焊缝宽度进行严格控制，不同的焊接方式，单道焊缝宽度的控制也不尽相同，如焊条电弧焊其宽度应小于5倍焊条直径，气保焊其宽度应小于20毫米，并尽量不采用双丝焊型的埋弧焊。
2.2.2合理选用焊接材料
与普通钢结构焊接相比，高性能钢焊接材料的选用上具有特殊性，表现为以下方面：
首先是等强匹配性，由于焊接材料与母材的强度及韧性等均不同，需依据母材的性能进行合理匹配焊接材料的性能，做到焊接金属的性能需不小于母材的性能下限，如焊缝及热影响区等焊接接头性能等；其次，充分考虑焊缝的塑性，由于实际生产中钢材存在一定的厚度效应，在焊缝材料的选用上需予以全面的考虑，并在厚度效应的基础上进行焊接材料的选用，特别地，节点拘束度较大时可优先选用低强度焊接材料；再次，考虑冲击韧性要求，冲击韧性是钢材焊接材料的重要性能，为使得焊缝的韧性满足钢结构设计准则，需对于焊接材料中硫、氧以及碳氢等元素予以精准控制，如低氢类焊料适用于无裂纹钢材的焊接；在0度之上，钢板厚度不超过50mm时可免去预热阶段，并获得较优的冲击性能。
2.2.3焊接质量的有效控制
在最低预热温度的控制上可以优先采用以下方法：开展裂纹实验进行控制、通过硬度控制预热温度、依据裂纹指数及板厚拘束度等进行确定、依据热输入以及钢材特性冷却时间等实现精准控制。为实现对焊接质量的精准控制，可采用控制热输入以及冷却速度、控制焊缝元素的质量百分比、应力与变形控制等。此外，低温焊接时，应注意尽量选取氢含量较低的焊接材料并进行保温处理，焊接过程中避免热损失，焊接质量的控制方面，通过采用合理的预热和层间温度、采用合理的焊接方法、焊接后保温等措施来完成。对于厚钢板也应采取合理坡口类型、预热及层间温度以及保温等关键措施防止由于焊接而产生的裂纹及形变量。高强钢的焊接需充分考虑钢材质的强化机理，并依据指标要求进行高效合理的钢材及焊材的选用，并选择合适的焊接工艺，以有效指导生产过程，同时应采取各类措施防止冷裂及接头弱化等现象的发生，完成高质量的焊接过程。
3实际测验与结果分析
实际测验中选用钢结构板材为厚度13mm的405/Q235R复合板，405钢化学成分中，碳、锰、硼、硫、硅、铬等元素占比分别为0.07、1.07、0.021、0.008、0.84、13.80，其抗拉强度及屈服强度、断后伸长率分别为400MPa、315MPa、34%；Q235钢化学成分中，碳、锰、硼、硫、硅、铬等元素占比分别为、0.19、0.92、0.009、0.006、0.36，其抗拉强度、屈服强度及断后伸长率分别为425 MPa、255MPa、28%；复合板的金相组织分析中采用铁素体晶粒作覆层，并以铁素体+珠光体的复合结构为基材组织。
采用FK-107/T型手弧/氩弧焊机进行X型坡口焊接，焊接工艺采用E5015型焊丝的焊条电弧焊，焊材分别采用ER309L及A302以比较其焊接质量的差异。接头的拉伸力学性能采用CMT5105型电子万能拉伸机进行测试，可得到不同焊材得到的焊接件的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率数值，采用相机及电子显微镜观测焊缝的宏观形貌及断口形貌，并采用维氏硬度计测量其显微硬度，金相试样由C2003A金相显微镜进行分析检测。
对母材、两焊接接头进行常温力学性能测试，二者抗拉强度和断后伸长率都较接近母材，且断裂位置远离熔合区，因此两类焊接性能都满足要求。
4结语
在进行钢结构焊接过程时，有一些比较常见并且有用的方法和措施能够避免焊接发生不必要的变形。本文对此进行了具体地分析和研究，意在于帮助加强钢结构焊接技术工艺水平。
参考文献：
[1]段斌，孙少忠.我国建筑钢结构焊接技术的发展现状和发展趋势[J].焊接技术，2012（05）：1-7.
[2]张友权，侯敏.浅谈建筑钢结构焊接技术在我国的发展[J].钢结构，2012（S1）：327-334.
[3]戴为志.建筑钢结构焊接技术发展趋势[J].电焊机，2011（08）：1-3.
论文作者:高明,赵佳晨
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/24
标签：钢材论文; 钢结构论文; 性能论文; 材料论文; 抗拉强度论文; 强度论文; 建筑论文; 《防护工程》2018年第22期论文;