重型（xíng）熱軋H型鋼在大跨度桁架（jià）和鋼梁中的焊接應（yīng）用（yòng）

一

前言

洛（luò）陽科技館工程中，五層樓蓋結構采用大跨度鋼桁架空間結構，桁架為H型截麵雙層桁架（jià），跨度54m，交（jiāo）叉處桁架最大跨度75m。鋼（gāng）材選（xuǎn）用重型熱軋H型鋼，牌（pái）號為Q390GJC，最大厚度為70mm。這種重型熱軋H型（xíng）鋼在（zài）國內首次應用於大跨度公共建築的主體結（jié）構。

在超高層或超大跨度的公共建築中，建築的結構設計往往通過各種複雜的空間結構來實現，而重型熱軋H型鋼的應用可以獲（huò）得更優化的結構性能。與焊接H型鋼相比，熱軋H型鋼具（jù）有更（gèng）標準的截麵尺寸和更好的材料性能，大大（dà）減少了焊接和焊縫檢測的工作（zuò）量，為現場（chǎng）施工提供了便（biàn）利。目前，熱軋H型鋼在國內鋼結構工程（chéng）中的使用量相對較少，主要用於工業建築領域[1]，在（zài）民用建築領（lǐng）域還有較大的發展（zhǎn）空間。

2

390GJC重型熱（rè）軋H型鋼（gāng）技術指標

2.1機械（xiè）性能和化學成分（fèn）

Q390GJC鋼的力學性能見表1。從表1可以看出，該材料具有（yǒu）較高的屈服強（qiáng）度和抗拉強（qiáng）度，以及較高的安全儲備。從鋼材的斷麵收（shōu）縮性能可以看出，所選重型熱軋H型鋼在縮口區的應力狀（zhuàng）態下產生的最大塑性變形優於普通鋼材，且滿足厚度方向的抗撕裂性。

Q390GJC鋼的化學成分見表2。從表2可以看（kàn）出，鋼中加入了V、Ti、Nb等（děng）合金元素（sù），V+Ti+Nb = 0.1%，碳當量CEV=0.45%，焊（hàn）接裂紋敏感性指數Pcm=0.275%。從以上指標（biāo）可（kě）以看出，鋼材具有優（yōu）異的抗裂（liè）性，對焊接冷裂紋具有良好的敏感性，但（dàn）在焊接工程中需要嚴格控製預熱和層間溫度，焊後進行保溫處理[2]。

2.2焊接材料的特性

根據390GJC鋼的材料成分，選擇低氫含量的焊接材料，保證與母材強（qiáng）度相當。項目現場選（xuǎn）用（yòng）T492T1-1C1A藥（yào）芯焊（hàn）絲，保護氣體為純度為99.98%(露點≤-40℃)的CO2。焊絲（sī）的化學成分見（jiàn）表3，熔敷金屬的機械性能見表4。

三

焊接工藝

3.1焊接方法和設備

焊接開始前，根據本工程390GJC鋼焊接（jiē）施工的特點，按照GB 50661—2011《鋼結構焊接規範》[3]進（jìn）行（háng）了工藝評（píng）定試驗，確定了焊接方法、焊接材料、焊道、坡口形式和預熱溫度等基本信息。為了（le）確定切實可行的工藝參數和（hé）焊接措施，選擇現場有代（dài）表性的母材和（hé）焊絲，由專業焊工在相同的環境條件下進行焊接。焊接完成後，對其進行測試，並出具焊接工（gōng）藝評定報（bào）告。

工程結（jié）構主要是外露構件。根據（jù）現場施工條（tiáo）件和鋼材的焊（hàn）接性能（néng），焊接采用（yòng）CO2藥芯焊絲氣體保護焊。這（zhè）種方法熔敷效率高，速度是焊條電弧焊的2 ~ 3倍，而且焊接時更穩定，容易排渣，飛濺（jiàn）少，焊縫成形（xíng）更美觀。在現場焊接過程（chéng）中，更適合現場用電環境，具有較（jiào）寬的焊接電流和電弧電壓條件。根據鋼材的材料性能和H型鋼（gāng）的厚度，確定焊接時預熱溫度為80℃，層間溫度≤200℃。焊接前應用（yòng）砂輪打磨坡口，焊道之間清除焊渣和飛濺物（wù）。主要焊接參數見表5。

3.2焊接接頭的結構

焊接接頭主要是單麵V型槽（cáo），如（rú）圖1所示。溝槽采用切割機加工，角磨機研磨。在對接接頭和丁字接頭的兩端（duān）安裝引弧板和引出板。在焊條電弧焊或半自動焊中，尺寸（cùn）一般為50mm×30mm×t(t為（wéi）板材厚度)，自動焊（hàn）中一般為120 mm× 80 mm× t，選用與H型鋼母材（cái）性能相近的板（bǎn）材，焊後用氣割切割平整。

根據（jù）15G909-1—2015《鋼結構連接（jiē）構造（zào）圖（tú）(焊（hàn）接連接（jiē）)》[4]，確定了本工程H型鋼上下翼緣焊（hàn）接孔的倒（dǎo）角結構，如圖2所示。熱軋H型鋼下翼（yì）緣平焊坡口的腹板更靠近翼（yì）緣連接焊縫，更容易在熱影響區形成應力集中。因此，過焊孔的大小和（hé）加工（gōng）質量對焊接質量影（yǐng）響很大。過焊孔的R角半徑這次要控製在45mm。

3.3焊接質（zhì）量控製

(1)焊接質量要求（qiú）

本工程（chéng）H型鋼構件拚接接頭上（shàng）下100mm範圍（wéi）內，框架（jià）梁柱（zhù）節點翼緣上下600mm範圍（wéi）內，要求全熔透焊接，焊（hàn）縫等級（jí）為一級；其他坡口焊縫（féng）質量等級為二級；部分坡口焊縫和部分附加對接焊縫的質量等級為三級；角焊縫按三級（jí）進行檢驗。應檢測100%的焊縫（féng）表麵缺（quē）陷（xiàn），不得（dé）有裂紋和焊瘤等缺陷。當重型熱軋H型鋼用於組裝焊接時，可以隻考慮組裝接頭。與焊接H型鋼（gāng）相比，重型熱軋H型鋼為整體鑄（zhù）造結構，結（jié）構（gòu）更可靠，內應力更小，對結構更有利（lì）。

焊接前，檢查焊接現場條件（jiàn）是否滿足焊接工藝評定試驗結果的要求，尤其是（shì）焊絲和保護氣體。由於焊接溫度較低，焊前（qián）預熱和（hé）焊後保溫措施應（yīng）嚴格按照（zhào）評定標準進行[5]。在焊接過（guò）程中，應在電弧試驗板上對（duì）焊接電流和電弧電壓進行比較和調試，以確（què）保它們滿足工藝評定的要求。

(2)焊接順序

本工程重（chóng）型熱軋H型鋼的焊接（jiē）主要是桁（héng）架構件現場組裝焊（hàn）縫（féng）的焊接。在確定焊接順序時，主（zhǔ）要以焊接（jiē）變形最小為原則。采用對稱焊（hàn）接。先焊接變形大的部分，焊接時熱量（liàng）均衡，減少（shǎo）焊接應力的不利影響。焊接順序如下:①先焊接主（zhǔ）弦杆（gǎn）對接焊縫。②重（chóng）新焊接斜腹杆和主弦杆（gǎn）之間的焊縫。③H型鋼（gāng）的兩條焊縫不同時焊（hàn）接。沿中間向（xiàng）兩（liǎng）側對稱跳焊，減（jiǎn）少變形的發生（shēng）。

(3)焊（hàn）前預熱（rè）和保溫措施

本（běn）工程采用熱軋H型鋼的樓板桁架剛進（jìn）入冬季施工。低溫焊接的低合（hé）金鋼（gāng）采用（yòng）焊前預熱和焊後熱處理措施，通過均衡加熱減少焊接變形和收縮[6]。焊（hàn）後預熱和熱處理的溫度應按焊接工藝評定的要求進行控製。電加熱主要用於焊前預熱和層間溫度加熱。當（dāng）板的厚度小於20毫米（mǐ）時，也可以使用（yòng）火焰加熱。預熱溫度由（yóu）接（jiē）觸式熱電偶溫度（dù）計測量。當焊接（jiē）接頭兩端的鋼板厚度不同時，預熱溫度由厚板決（jué）定。預熱時，在焊縫兩側加熱，加熱寬度大於待焊焊件厚度的（de）1.5倍，需要（yào）> > 100mm。測量加熱區鋼材背麵的溫度，在電弧通過前，測量點距離焊接點≥75mm。根據不同的板厚，適當提高前預（yù）熱溫度，使整（zhěng）個板厚（hòu）達到規定的預熱溫（wēn）度。使用火焰加熱器時，正麵測量應在加熱停（tíng）止後進行。層（céng）間溫度範圍的最低值與預熱溫度相同，最高值應滿足母材熱影響區不過（guò）熱的（de）要求。焊接層間溫度低於250℃。焊後進行脫氫熱處理，焊後立即加熱至（zhì）300 ~ 350℃。保溫時間按每25mm厚度≥1h確定。達到（dào）保（bǎo）溫時間後，裹上岩棉，慢慢冷卻。加熱、溫度（dù）測量方（fāng）法和操（cāo）作人員培訓要求與預熱相同。如果（guǒ）焊後修補（bǔ）焊縫，需要在焊補處進（jìn）行預熱，預熱溫度比正常預熱溫度高50℃，預熱區域需要加寬，防止焊接裂紋。

根據現場施工進（jìn）度，鋼結構吊裝預計11月底完成。為了最大限度地減少溫度變化引起的結構（gòu）內（nèi）力和變形，大跨度位置的節點焊（hàn）接需要嚴格控製環境溫度（dù），應在天氣晴朗的中午前（qián）後，此時（shí）氣溫接近城市年平均氣溫。在其他（tā）環（huán）境中（zhōng），當環境風速大於2m/s時，應采用適當的防風措施或抗風焊機（jī）；當環境風速> 8m/s或相對濕（shī）度≥80%時（shí），應停止（zhǐ）露天焊接。

四

常見焊接問（wèn）題及解決方法

4.1焊縫（féng）檢（jiǎn）查方法

根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標（biāo）準》[7]和GB 50661—2011《鋼結構焊接（jiē）規範》[3]進行焊縫檢驗，其中（zhōng）全（quán）熔透的一（yī）級（jí）焊縫（féng）全部采用超聲波或射線（xiàn）檢測，二級焊縫按（àn）20%抽樣檢（jiǎn）測。焊縫檢驗時，按相同焊接（jiē）條件下的焊縫數量計算百分比，熱軋H型（xíng）鋼對接（jiē）焊縫周（zhōu）圍的母材也要進行檢驗。焊縫檢查（chá）時（shí）注意焊縫表麵是否出現裂紋、氣孔、咬邊和焊高不足，並（bìng）記錄下來（lái）。內部缺陷采用超聲波檢測，檢查焊縫是否有夾渣、未熔合、未焊（hàn）透等缺陷。

4.2焊接裂紋及預防（fáng）措施（shī）

在焊接構（gòu）件的施工過程中，焊接裂紋是最難處（chù）理的缺陷。當裂紋輕（qīng）微時，可以修複；裂紋嚴重時，隻能報廢該部件。焊接裂紋包括以下（xià）類型:弧坑或焊腳或焊根裂紋、焊縫或熔（róng）合線或熱影響（xiǎng）區裂紋、表麵（miàn）或（huò）內部貫穿裂紋、分層撕裂等[8]。本工程樓層桁架采用整體提升的施工方法。吊裝前後，針對上述（shù）問（wèn）題，對整個焊縫進行檢查。經檢查發現（xiàn），樓（lóu）層桁架組裝焊接前期（qī）未發現裂紋缺陷。然而，在組裝基本成型後，由於桁架內應力（lì）隨著組裝過程不斷變化，重型熱（rè）軋H型鋼（gāng）的R角位置受（shòu）到較大焊接應力的影響。因此，在對現場700多個過焊孔進行檢查時，發現了5條（tiáo）從過焊孔延伸至腹板的裂紋，裂紋（wén）長度均小於50mm。及時鑽好止裂孔後，對這些裂紋進行修補，並對主焊縫所有疑似裂（liè）紋位置進行磁粉和超聲波檢測，對焊縫兩側500mm範圍內進行二次打磨，並（bìng）對母材進行檢測，未發現相關缺（quē）陷。

發現焊縫裂紋出現的位置相同，都在熱軋（zhá）H型鋼（gāng）的下（xià）翼緣與腹板交界處，且都是坡口側裂紋。由於熱軋H型（xíng）鋼上翼（yì）緣存在過焊孔，不容易形成應力集中。另（lìng）一方麵（miàn），下翼緣更靠近（jìn）平焊槽側腹板與翼緣之間的焊縫，更容易在熱影響區形成應力集中（zhōng）。對比其他無（wú）焊縫裂紋（wén）的桁架位置，發現有質量問題的下翼緣焊接孔R角半徑較小，加（jiā）工（gōng）質量偏差較大。裂紋產生區域如圖3所示。

對於重型熱軋H型鋼的焊接，要嚴格（gé）執行（háng）預定的焊接結構措施，設置標準坡口和過焊接頭。對於小角度、窄間隙（xì）的焊接坡口，容易造成焊（hàn）縫成形係數過小的問題，應避免這（zhè）種（zhǒng）坡口。焊接過程（chéng）中應盡量減少焊接應力對型鋼的影響，焊接材料（liào）的（de）化學成分應與焊接母材相匹配，控製焊接過程中的電流和速（sù）度，焊前應加強預（yù）熱，以減（jiǎn）緩冷卻結晶時焊縫的冷卻速度。通過製定合理的焊接順序，可以（yǐ）在較小的約束程度下完成大部（bù）分焊縫的焊接，從而使焊縫的收縮和張力最小化。同時，焊接（jiē）後必須對焊（hàn）縫進行脫（tuō）氫處（chù）理，降（jiàng）低焊縫中的（de）氫含量，從而有效減少冷（lěng）裂紋（wén）的發生（shēng）[4]。

4.3加固措（cuò）施（shī）

(1)焊縫表麵缺陷

主（zhǔ）要（yào）表（biǎo）現為焊（hàn）縫表麵的未焊透、咬（yǎo）邊、裂紋、電（diàn）弧擦傷、根部縮孔、夾渣、接頭不良和氣孔，大部分缺陷肉（ròu）眼可直接發現。但不同等級焊縫的質量要求會有所不同，裂紋（wén）的大小通常通過（guò）磁粉或滲透探傷來確定。對於焊縫表麵缺陷的處理，通常采用磨床（chuáng）打磨或鏟、鑽、銑等方法進行改（gǎi）善；針對焊縫尺寸不達標或弧坑未填滿的問題，采用補焊進行處理（lǐ）。對於焊縫表麵出現裂（liè）紋的問題，需（xū）要采取碳弧氣刨的方法去除裂紋（wén），重新焊接，從而修複裂紋[9]。

(2)內部缺陷（xiàn）

對於檢查後發現（xiàn）的內部缺陷，需要（yào）確認修補部位的長度和深度，並附上修補計劃。修（xiū）複前（qián）用砂輪或碳弧氣（qì）刨去除修複部位的滲碳層，露出純金屬（shǔ）光澤，便於仔細檢（jiǎn）查裂紋去除是否徹底。如果焊（hàn）縫（féng）長度過長，可以分段剝離。當修補部位的焊接中斷時，必（bì）須采取後加熱或相（xiàng）應的保溫措施。返修部位再次焊（hàn）接時，首先要進行無損（sǔn）檢測，確認無裂紋後才能進行補焊[5]。如果返修時的預熱溫度高於原焊（hàn）時的預熱溫（wēn）度，且（qiě）正（zhèng）反麵處於同一位置（zhì），則不允許返修超過（guò）兩（liǎng）次。焊接後仍（réng）需重新檢驗。如（rú）果修複仍不合（hé）格，必須重新（xīn）編寫修複方案，並在調查原因後（hòu）重新進行修複（fù）。焊接（jiē）後，如果檢查合格（gé），應詳細準備（bèi）施工記錄和無損檢測報告等相關資料，以便存檔。在焊（hàn）接過程中變形的部件可以通（tōng）過≤900℃的加（jiā）熱進行矯正，使部（bù）件恢複正常。如果同時進行熱矯正和（hé）機械矯正，一定要注意避免藍脆，並且要注意加熱後的緩冷（lěng）。

(3)過焊孔裂紋的處理

當焊接孔裂紋（wén）延伸至（zhì）翼緣時，認為翼（yì）緣鋼板厚（hòu）度較厚，結構部分更重要[10]，需要換（huàn）板；當（dāng）焊（hàn）接孔裂紋延伸至腹板時，考慮到腹板厚度較薄，結構部分的重要性相對較小，可采用裂紋修（xiū）補方法。

根據GB 50661—2011《鋼結構（gòu）焊接規（guī）範》的相關要求，準確（què）確定裂紋的（de）起止點，並在起止點鑽直徑為12 ~ 16mm的止裂孔，徹底清除裂紋。同時在腹板一側加一塊規格為20mm×200mm×300mm的加強板(見圖4)，另一側加工成（chéng）側傾角> 10°的坡口，碳弧氣刨後清理滲碳層。然後根據全熔透（tòu）對接（jiē）焊縫的要求，將（jiāng）溫度調（diào）整到100 ~ 150℃進（jìn）行預熱，采用低氫焊接進行焊接（jiē）。焊接後，需要進行超聲（shēng）波和（hé）磁粉檢測。檢驗合格後，需要（yào）在焊縫位置粘貼膠帶（dài）進行保護，方便使用防火塗料後仍能觀察到。

五

結（jié）束語

與焊接H型鋼相比，重型熱（rè）軋H型鋼在工程（chéng）中（zhōng）的應用不僅大（dà）大增加了（le）工程（chéng）施工的（de）便利性（xìng），降低了加工（gōng）成本，而且使結構的內應力更小，質量更可靠（kào）。大跨度樓蓋桁（héng）架中，重型熱軋H型（xíng）鋼的材料性能和（hé）力學性能滿（mǎn）足設計要求（qiú）。在（zài）焊接工程中，應按焊接工藝評（píng）定的要求執行所有的標準和規定，並對坡口開口和過焊接頭進行規範。由（yóu）於重型熱軋H型（xíng）鋼的應用涉及大量厚板焊接，焊（hàn）前預熱和焊後保溫應嚴（yán）格（gé）執行工藝要求。焊接後應進行無損檢測，並對缺陷製定合理的修補和加固措施，以保證桁架的焊接質量。