重型热轧H型钢在大跨度桁架和钢梁中的焊接应用

一

前言

洛阳科技馆工程中，五层楼盖结构采用大跨度钢桁架空间结构，桁架为H型截面双层桁架，跨度54m，交叉处桁架最大跨度75m。钢材选用重型热轧H型钢，牌号为Q390GJC，最大厚度为70mm。这种重型热轧H型钢在国内首次应用于大跨度公共建筑的主体结构。

在超高层或超大跨度的公共建筑中，建筑的结构设计往往通过各种复杂的空间结构来实现，而重型热轧H型钢的应用可以获得更优化的结构性能。与焊接H型钢相比，热轧H型钢具有更标准的截面尺寸和更好的材料性能，大大减少了焊接和焊缝检测的工作量，为现场施工提供了便利。目前，热轧H型钢在国内钢结构工程中的使用量相对较少，主要用于工业建筑领域[1]，在民用建筑领域还有较大的发展空间。

2

390GJC重型热轧H型钢技术指标

2.1机械性能和化学成分

Q390GJC钢的力学性能见表1。从表1可以看出，该材料具有较高的屈服强度和抗拉强度，以及较高的安全储备。从钢材的断面收缩性能可以看出，所选重型热轧H型钢在缩口区的应力状态下产生的最大塑性变形优于普通钢材，且满足厚度方向的抗撕裂性。

Q390GJC钢的化学成分见表2。从表2可以看出，钢中加入了V、Ti、Nb等合金元素，V+Ti+Nb = 0.1%，碳当量CEV=0.45%，焊接裂纹敏感性指数Pcm=0.275%。从以上指标可以看出，钢材具有优异的抗裂性，对焊接冷裂纹具有良好的敏感性，但在焊接工程中需要严格控制预热和层间温度，焊后进行保温处理[2]。

2.2焊接材料的特性

根据390GJC钢的材料成分，选择低氢含量的焊接材料，保证与母材强度相当。项目现场选用T492T1-1C1A药芯焊丝，保护气体为纯度为99.98%(露点≤-40℃)的CO2。焊丝的化学成分见表3，熔敷金属的机械性能见表4。

三

焊接工艺

3.1焊接方法和设备

焊接开始前，根据本工程390GJC钢焊接施工的特点，按照GB 50661—2011《钢结构焊接规范》[3]进行了工艺评定试验，确定了焊接方法、焊接材料、焊道、坡口形式和预热温度等基本信息。为了确定切实可行的工艺参数和焊接措施，选择现场有代表性的母材和焊丝，由专业焊工在相同的环境条件下进行焊接。焊接完成后，对其进行测试，并出具焊接工艺评定报告。

工程结构主要是外露构件。根据现场施工条件和钢材的焊接性能，焊接采用CO2药芯焊丝气体保护焊。这种方法熔敷效率高，速度是焊条电弧焊的2 ~ 3倍，而且焊接时更稳定，容易排渣，飞溅少，焊缝成形更美观。在现场焊接过程中，更适合现场用电环境，具有较宽的焊接电流和电弧电压条件。根据钢材的材料性能和H型钢的厚度，确定焊接时预热温度为80℃，层间温度≤200℃。焊接前应用砂轮打磨坡口，焊道之间清除焊渣和飞溅物。主要焊接参数见表5。

3.2焊接接头的结构

焊接接头主要是单面V型槽，如图1所示。沟槽采用切割机加工，角磨机研磨。在对接接头和丁字接头的两端安装引弧板和引出板。在焊条电弧焊或半自动焊中，尺寸一般为50mm×30mm×t(t为板材厚度)，自动焊中一般为120 mm× 80 mm× t，选用与H型钢母材性能相近的板材，焊后用气割切割平整。

根据15G909-1—2015《钢结构连接构造图(焊接连接)》[4]，确定了本工程H型钢上下翼缘焊接孔的倒角结构，如图2所示。热轧H型钢下翼缘平焊坡口的腹板更靠近翼缘连接焊缝，更容易在热影响区形成应力集中。因此，过焊孔的大小和加工质量对焊接质量影响很大。过焊孔的R角半径这次要控制在45mm。

3.3焊接质量控制

(1)焊接质量要求

本工程H型钢构件拼接接头上下100mm范围内，框架梁柱节点翼缘上下600mm范围内，要求全熔透焊接，焊缝等级为一级；其他坡口焊缝质量等级为二级；部分坡口焊缝和部分附加对接焊缝的质量等级为三级；角焊缝按三级进行检验。应检测100%的焊缝表面缺陷，不得有裂纹和焊瘤等缺陷。当重型热轧H型钢用于组装焊接时，可以只考虑组装接头。与焊接H型钢相比，重型热轧H型钢为整体铸造结构，结构更可靠，内应力更小，对结构更有利。

焊接前，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，尤其是焊丝和保护气体。由于焊接温度较低，焊前预热和焊后保温措施应严格按照评定标准进行[5]。在焊接过程中，应在电弧试验板上对焊接电流和电弧电压进行比较和调试，以确保它们满足工艺评定的要求。

(2)焊接顺序

本工程重型热轧H型钢的焊接主要是桁架构件现场组装焊缝的焊接。在确定焊接顺序时，主要以焊接变形最小为原则。采用对称焊接。先焊接变形大的部分，焊接时热量均衡，减少焊接应力的不利影响。焊接顺序如下:①先焊接主弦杆对接焊缝。②重新焊接斜腹杆和主弦杆之间的焊缝。③H型钢的两条焊缝不同时焊接。沿中间向两侧对称跳焊，减少变形的发生。

(3)焊前预热和保温措施

本工程采用热轧H型钢的楼板桁架刚进入冬季施工。低温焊接的低合金钢采用焊前预热和焊后热处理措施，通过均衡加热减少焊接变形和收缩[6]。焊后预热和热处理的温度应按焊接工艺评定的要求进行控制。电加热主要用于焊前预热和层间温度加热。当板的厚度小于20毫米时，也可以使用火焰加热。预热温度由接触式热电偶温度计测量。当焊接接头两端的钢板厚度不同时，预热温度由厚板决定。预热时，在焊缝两侧加热，加热宽度大于待焊焊件厚度的1.5倍，需要> > 100mm。测量加热区钢材背面的温度，在电弧通过前，测量点距离焊接点≥75mm。根据不同的板厚，适当提高前预热温度，使整个板厚达到规定的预热温度。使用火焰加热器时，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，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℃。焊后进行脱氢热处理，焊后立即加热至300 ~ 350℃。保温时间按每25mm厚度≥1h确定。达到保温时间后，裹上岩棉，慢慢冷却。加热、温度测量方法和操作人员培训要求与预热相同。如果焊后修补焊缝，需要在焊补处进行预热，预热温度比正常预热温度高50℃，预热区域需要加宽，防止焊接裂纹。

根据现场施工进度，钢结构吊装预计11月底完成。为了最大限度地减少温度变化引起的结构内力和变形，大跨度位置的节点焊接需要严格控制环境温度，应在天气晴朗的中午前后，此时气温接近城市年平均气温。在其他环境中，当环境风速大于2m/s时，应采用适当的防风措施或抗风焊机；当环境风速> 8m/s或相对湿度≥80%时，应停止露天焊接。

四

常见焊接问题及解决方法

4.1焊缝检查方法

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]进行焊缝检验，其中全熔透的一级焊缝全部采用超声波或射线检测，二级焊缝按20%抽样检测。焊缝检验时，按相同焊接条件下的焊缝数量计算百分比，热轧H型钢对接焊缝周围的母材也要进行检验。焊缝检查时注意焊缝表面是否出现裂纹、气孔、咬边和焊高不足，并记录下来。内部缺陷采用超声波检测，检查焊缝是否有夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。

4.2焊接裂纹及预防措施

在焊接构件的施工过程中，焊接裂纹是最难处理的缺陷。当裂纹轻微时，可以修复；裂纹严重时，只能报废该部件。焊接裂纹包括以下类型:弧坑或焊脚或焊根裂纹、焊缝或熔合线或热影响区裂纹、表面或内部贯穿裂纹、分层撕裂等[8]。本工程楼层桁架采用整体提升的施工方法。吊装前后，针对上述问题，对整个焊缝进行检查。经检查发现，楼层桁架组装焊接前期未发现裂纹缺陷。然而，在组装基本成型后，由于桁架内应力随着组装过程不断变化，重型热轧H型钢的R角位置受到较大焊接应力的影响。因此，在对现场700多个过焊孔进行检查时，发现了5条从过焊孔延伸至腹板的裂纹，裂纹长度均小于50mm。及时钻好止裂孔后，对这些裂纹进行修补，并对主焊缝所有疑似裂纹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，并对母材进行检测，未发现相关缺陷。

发现焊缝裂纹出现的位置相同，都在热轧H型钢的下翼缘与腹板交界处，且都是坡口侧裂纹。由于热轧H型钢上翼缘存在过焊孔，不容易形成应力集中。另一方面，下翼缘更靠近平焊槽侧腹板与翼缘之间的焊缝，更容易在热影响区形成应力集中。对比其他无焊缝裂纹的桁架位置，发现有质量问题的下翼缘焊接孔R角半径较小，加工质量偏差较大。裂纹产生区域如图3所示。

对于重型热轧H型钢的焊接，要严格执行预定的焊接结构措施，设置标准坡口和过焊接头。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，应避免这种坡口。焊接过程中应尽量减少焊接应力对型钢的影响，焊接材料的化学成分应与焊接母材相匹配，控制焊接过程中的电流和速度，焊前应加强预热，以减缓冷却结晶时焊缝的冷却速度。通过制定合理的焊接顺序，可以在较小的约束程度下完成大部分焊缝的焊接，从而使焊缝的收缩和张力最小化。同时，焊接后必须对焊缝进行脱氢处理，降低焊缝中的氢含量，从而有效减少冷裂纹的发生[4]。

4.3加固措施

(1)焊缝表面缺陷

主要表现为焊缝表面的未焊透、咬边、裂纹、电弧擦伤、根部缩孔、夹渣、接头不良和气孔，大部分缺陷肉眼可直接发现。但不同等级焊缝的质量要求会有所不同，裂纹的大小通常通过磁粉或渗透探伤来确定。对于焊缝表面缺陷的处理，通常采用磨床打磨或铲、钻、铣等方法进行改善；针对焊缝尺寸不达标或弧坑未填满的问题，采用补焊进行处理。对于焊缝表面出现裂纹的问题，需要采取碳弧气刨的方法去除裂纹，重新焊接，从而修复裂纹[9]。

(2)内部缺陷

对于检查后发现的内部缺陷，需要确认修补部位的长度和深度，并附上修补计划。修复前用砂轮或碳弧气刨去除修复部位的渗碳层，露出纯金属光泽，便于仔细检查裂纹去除是否彻底。如果焊缝长度过长，可以分段剥离。当修补部位的焊接中断时，必须采取后加热或相应的保温措施。返修部位再次焊接时，首先要进行无损检测，确认无裂纹后才能进行补焊[5]。如果返修时的预热温度高于原焊时的预热温度，且正反面处于同一位置，则不允许返修超过两次。焊接后仍需重新检验。如果修复仍不合格，必须重新编写修复方案，并在调查原因后重新进行修复。焊接后，如果检查合格，应详细准备施工记录和无损检测报告等相关资料，以便存档。在焊接过程中变形的部件可以通过≤900℃的加热进行矫正，使部件恢复正常。如果同时进行热矫正和机械矫正，一定要注意避免蓝脆，并且要注意加热后的缓冷。

(3)过焊孔裂纹的处理

当焊接孔裂纹延伸至翼缘时，认为翼缘钢板厚度较厚，结构部分更重要[10]，需要换板；当焊接孔裂纹延伸至腹板时，考虑到腹板厚度较薄，结构部分的重要性相对较小，可采用裂纹修补方法。

根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》的相关要求，准确确定裂纹的起止点，并在起止点钻直径为12 ~ 16mm的止裂孔，彻底清除裂纹。同时在腹板一侧加一块规格为20mm×200mm×300mm的加强板(见图4)，另一侧加工成侧倾角> 10°的坡口，碳弧气刨后清理渗碳层。然后根据全熔透对接焊缝的要求，将温度调整到100 ~ 150℃进行预热，采用低氢焊接进行焊接。焊接后，需要进行超声波和磁粉检测。检验合格后，需要在焊缝位置粘贴胶带进行保护，方便使用防火涂料后仍能观察到。

五

结束语

与焊接H型钢相比，重型热轧H型钢在工程中的应用不仅大大增加了工程施工的便利性，降低了加工成本，而且使结构的内应力更小，质量更可靠。大跨度楼盖桁架中，重型热轧H型钢的材料性能和力学性能满足设计要求。在焊接工程中，应按焊接工艺评定的要求执行所有的标准和规定，并对坡口开口和过焊接头进行规范。由于重型热轧H型钢的应用涉及大量厚板焊接，焊前预热和焊后保温应严格执行工艺要求。焊接后应进行无损检测，并对缺陷制定合理的修补和加固措施，以保证桁架的焊接质量。