低溫對鋼結構焊接影響研究

楊康　林青騰

摘 要：隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鋼結構建筑目前被越來越廣泛的應用于建筑結構中。我國十三五規(guī)劃中明確指出要完成從鋼結構制造大國到鋼結構制造強國的目標，重點研發(fā)鋼結構建筑結構上的關鍵技術，提高我國鋼結構的建筑水平。而鋼結構的焊接質量對建筑中的鋼結構力學性能有直接影響，低劣的焊接不僅會降低建筑鋼結構的整體穩(wěn)定性，而且對后續(xù)的混凝土施工等工序也有負面作用。因此研究低溫對鋼結構焊接性能的影響是很有必要的，本文主要探討了在低溫環(huán)境下對鋼結構焊接的影響以及在施工中低溫鋼結構的焊接的一些處理辦法。

關鍵詞：低溫；鋼結構；焊接；研究

1 低溫及低溫焊接概念

低溫焊接施工的溫度界線是指實際焊接操作時間及工位處的環(huán)境溫度，并非指本市氣象報告的溫度，更不是指某一時段的平均溫度。具體說，就是焊接操作時焊接工位周圍0.5m范圍內的小環(huán)境溫度。當該小環(huán)境溫度低于規(guī)范規(guī)定的最低焊接施工溫度時，即定義為低溫。在低溫環(huán)境下進行的焊接操作，即稱為低溫焊接。

考慮到我國大型，復雜，重要的建筑鋼結構工程越來越多，而在負溫下焊接施工缺乏經(jīng)驗，為保證焊接施工質量，在我國鋼結構工程焊接施工中，一般規(guī)定當焊接工位的小環(huán)境溫度低于0℃時即進入低溫焊接施工。

2 低溫對鋼結構焊接的影響

在低溫環(huán)境的影響下，焊接后鋼結構會以非常快的速度冷卻，這就會對焊接部位產(chǎn)生很大的影響。具體來說，過快的冷卻速度會使得焊縫熔敷金屬中產(chǎn)生馬氏體脆性組織。但相對的，如果采用的措施不當，冷卻速度太慢，將使熱影響區(qū)過熱而產(chǎn)生粗大脆性的側板條鐵素體組織，在較大焊接應力的作用下易在焊后立即或延遲產(chǎn)生裂紋。

在低溫焊接中，鋼結構的焊縫部位對結構約束非常敏感，尤其在焊縫熔敷金屬的冷卻速度過快的情況下，極易在結構約束偏高的時候造成焊縫金屬偏析，進而在在較強的拉應力場作用下，在焊縫的偏析處或者焊縫中心部分發(fā)生結晶裂紋，即熱裂紋。因此，在實行低溫焊接時必須謹慎控制結構約束度，同時，為了降低焊縫對結構約束的敏感性，與冷卻速度控制手段相結合也是必要的。

低溫焊接時，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解度降低，這種趨勢會隨著金屬冷卻而產(chǎn)生大幅度的變化。即冷卻的速度變快時，氫透出的時間變短，因此殘留在金屬內的游離態(tài)氫離子比例增大，對鋼結構的焊接來說，氫的比例越大，冷裂紋的出現(xiàn)幾率越高，這是因為延遲效應同殘留在金屬中的氫含量成正比。因此在低溫焊接時還要注意控制氫原子的透出。

鋼結構焊接在低溫的環(huán)境下容易發(fā)生脆斷，尤其是快速加載焊縫時，會增大工作的危險性，這時，臨界轉變溫度會有一定的的提高。當構件的工作溫度低于材料的脆性轉變溫度時，在拉應力和焊接殘余應力共同作用下，結構的靜力強度大幅度降低，極大可能在遠低于材料的屈服點的外力作用下發(fā)生脆斷。

在低溫焊接鋼結構時，最顯著的特點是焊接接頭具有很大的冷卻速度，因而提高了焊縫的結晶速度，同時也提高了彈、塑性變形速度，即提高了焊縫結晶期間的應變增長率，導致熱裂紋傾向增大。而在低溫環(huán)境中焊接接頭的抗拉強度會顯著降低，若不加以控制會使其低于鋼材本身的抗拉強度而使焊接接頭不合格。

3 在施工上對低溫下鋼結構焊接的處理辦法

1.合理選擇焊接材料

在實際施工的過程中選擇的材料一定要符合鋼結構的強度要求，并且需要充分考慮到這些焊接材料在熔化后所產(chǎn)生的液態(tài)金屬不會影響焊縫的連接強度，比如在焊縫處盡可能的得到所需的鐵素體，因為其強度相對來說比較高。

2.對焊接材料及設備防寒御寒

在鋼結構低溫焊接施工中，無論是對于焊接材料本身還是用于焊接的焊接設備，都需要進行防寒御寒處理。焊接材料的防寒御寒出理包括防潮、防濕、氣體保護等，在實際使用焊接材料之前可以對其進行適當?shù)暮娓?。焊接設備的防寒御寒處理可以通過將設備盡量控制于常溫狀態(tài)來實現(xiàn)，以保證焊接材料與焊接設備的溫度，避免其溫度過低導致焊接的質量下降，也能抑制低溫對冷卻速度造成的不良影響。

3.通過焊接預熱優(yōu)化低溫焊接

在低溫焊接中，冷卻速度過快一方面是受到周圍冷空氣的影響，另一方面是因為鋼結構本身的溫度過低，焊接預熱能有效提升焊縫周圍的溫度，減緩焊縫的冷卻速度，對焊接質量的影響在工程的施工中表現(xiàn)的很明顯。對于不同厚度的鋼結構采取的預熱方式也有所不同，具體就是在厚度小于40mm采取火焰加熱的方式，厚度大于40mm采取電加熱的方式。而根據(jù)焊接鋼體材料的不同，預熱焊接工位的溫度也是不同的，具體見下表1。與此同時，我們需要合理的控制好焊縫之間的溫度，因為焊縫之間的溫度直接影響著鋼體焊接工位的冷卻速度以及產(chǎn)生的應力強度，對鋼結構的質量有著直接的影響。因此，實行預熱處理后的鋼結構在焊縫與熔合線部位都具備比非預熱情況下更好的焊接性能。

4.通過參數(shù)控制優(yōu)化低溫焊接

優(yōu)化低溫焊接的另一種有效手段是參數(shù)控制，采用參數(shù)控制的本質在于控制輸入的焊接熱量，保證線能量的輸入量足夠合理，所以不僅能夠保證焊縫的熱量，延緩其冷卻速度，而且對普通焊接常見的淬硬組織等缺陷也有控制作用，因此參數(shù)控制對低溫焊接的優(yōu)化是多方面的。舉例來說，焊接區(qū)域殘余的氫元素妍在焊接部分冷卻到100℃以下時才會導致裂紋的產(chǎn)生，所以通過參數(shù)控制令100℃以上的冷卻時間盡可能延長可以有效減少裂紋的產(chǎn)生，提高焊接的質量。

4 結語

通過分析鋼材焊接技術在低溫環(huán)境下來提出在低溫下進行鋼結構的焊接施工可以有效地減緩低溫產(chǎn)生的不利影響。而由此帶來的建筑鋼結構低溫焊接理論的充實和完善，必然帶來焊接技術的進步。所以對低溫環(huán)境下鋼結構的焊接施工工藝及技術控制要做更多更深的研究。我國冬季施工的工作量大面廣，低溫焊接技術的成熟，能夠有效解決建筑鋼結構冬季施工的技術難題，為施工單位贏得了寶貴的工期、給業(yè)主帶來豐厚的收益。對此，必然引起各界人士的高度重視，反過來又推動低溫焊接技術的不斷發(fā)展。所以說，低溫焊接技術是一項方興未艾的、具有生命力的實用技術。

參考文獻

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作者簡介

楊康（1994-），現(xiàn)就讀于鄭州大學，土木工程學院。