高原高寒地区钢结构焊接技术浅析

高原高寒地区钢结构焊接技术浅析

刘俊华

中铁七局集团第五工程有限公司  河南郑州  450000

摘要： 焊接作为钢结构连接的主要形式，其受温度影响较大，在高原高寒条件下进行钢结构焊接作业，施工质量难以把控。本文结合新建拉萨至日喀则铁路站后工程日喀则混合仓库钢结构焊接的施工内容，对钢结构焊接施工工艺和关键技术进行了有关总结和论述。

关键词：高原高寒地区、钢结构施工、焊接质量、施工技术

1、引言

焊接主要是被焊工件（同材质或者不同材质）通过加热或加压（或两者并用），采用或不用填充材料使被焊工件达到原子间结合而永久性连接的工艺过程

焊接施工较为常见的缺陷是焊接裂纹、夹渣、咬边、未熔透等。其中危害最大的是焊接裂纹，焊接裂纹会导致受力结构的破坏，使钢结构的受力形式出现改变。因此，在钢结构焊接过程中，控制焊接裂纹的产生是焊接工程中最应该注意的要点之一。

在高原高寒地区焊接时，焊接过程中温度高，与环境温差较大，焊接后钢材冷却速度比正常温度地区更快，焊接变形和焊后裂纹的问题更加严重，在此情况下，采取何种焊接质量控制技术措施才能保证钢结构在高寒环境下施工质量，下面结合项目实际情况介绍高寒地区钢结构焊接质量控制技术的应用内容。

2、工程概况

2.1工程介绍

新建拉萨至日喀则铁路站后工程日喀则混合货物仓库，建筑面积12638.2㎡，平均海拔3800m，每年10月中旬至次年4月中旬平均气温低于0℃，12月至次年2月平均气温低于-8℃，且最低气温达到-20℃。建筑结构形式为门式钢架,钢结构最大跨度为39m，柱距为7.5m，主钢构柱、梁采用Q345B钢，结构设计使用年限为50年。建筑结构的安全等级为二级。由于项目处于高原寒冷地区，且施工时间主要集中在2013年10月至2014年5月，面临跨冬季施工问题。

2.2 钢材

日喀则混合货物仓库主钢构柱、梁均采用Q345B钢，应符合GB/T1591-2008《低合金刚强度结构钢》规定的Q345B钢材技术条件的质量标准。其他结构采用符合《碳素结构钢》GB700-88规定的Q235B级钢材技术条件的质量标准。钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%；钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

2.3 接头形式、焊接方法

日喀则混合货物仓库的主材的拼接，对接焊缝、梁翼缘板及腹板与端板（合缝板）的连结焊缝、翼缘板和腹板与柱底板T型焊缝均采用全融透T型对接焊缝，焊缝等级为二级，其他焊缝等级均为三级。焊缝采用超声波探伤，除非不能采用超声波探伤或对超声波探伤结构有疑义时，可采用射线检测进行补充或验证。二级焊缝为抽样检验，现场施工焊缝应按照同一类型、同一施焊条件的焊缝条数的20%，且不应小于3条。

二级焊缝的外观质量采用观察检查或使用放大镜、焊缝量规和钢尺检查。检查频次为每批次同类构件抽查10%，每一类型焊缝应按条数抽查5%。且不应小于1条；每条应抽查一处，总抽查数不应小于10处。

本工程主要接头形式为： H型钢梁-钢梁对接、柱-H型梁对接，焊接方法有平焊、横焊、立焊。

表一 钢结构焊接接头形式与焊接方法

2.4 焊接材料

手工焊：Q235B级钢之间的焊接，Ⅰ级钢筋之间及Ⅰ级钢筋和Ⅱ级钢筋焊接采用E43系列焊条（未规定低氢型），其性能应符合《非合金钢及细晶粒钢焊条》GB/T5117-2012的规定。Q345B级钢之间焊接，Ⅱ级钢筋之间焊接采用E50系列焊条（未规定低氢型），其性能应符合《热强钢焊条》（GB/T5118-2012）的规定。

3焊接质量控制技术措施

高原高寒条件下进行焊接作业，影响施工质量主要有以下几个方面：

由于焊缝周围热量流失较快因而出现焊接质量缺陷的几率增大，焊缝质量难以保证，因此焊接工艺要求较常温严格；寒冷天气会增加焊缝淬硬性，同时，也会降低焊缝的冲击韧性，容易出现咬边、夹渣等质量缺陷；寒冷天气会使焊缝的预热效果变差，使焊接过程中焊缝的温度难以保持稳定，增加作业难度；寒冷、缺氧条件下会提升焊工作业难度，会直接影响焊接的合格率。

在工艺上可以通过控制施工准备阶段、施工阶段和焊后阶段三个的阶段的多项工艺措施来控制焊接施工质量，如焊前焊接材料及主材的预热、焊后后热和缓冷保温、控制焊接速度等，降低焊缝质量缺陷的产生概率。

焊接前，对采用的钢材、焊接材料、焊接方法、接头形式、焊接位置、焊后热处理制度以及焊接工艺参数、预热和后热等参数进行焊接工艺评定。根据工艺评定总结出以下措施及参数：

3.1 选用优质低氢型焊接材料，焊接材料使用前进行烘干处理

日喀则混合货物仓库的钢结构焊接来说：该钢结构的主钢构柱及梁均采用Q345级钢材，檩条及系杆采用Q235级钢材 ，采用的主要焊接方法是焊条手工电弧焊，根据《钢结构焊接规范》GB50661的规范要求，该级别钢材可选择E43型、E50型焊条；该钢结构所处的施工环境气温较低，低温环境会使金属焊缝加速冷却，导致金属焊缝熔池中的氢不能有效逸出，导致焊缝的冷裂敏感性加大，产生裂纹的概率增大。而低氢型焊条（碱性焊条）具有良好的抗裂性和去氢作用，通过进行焊接工艺评定，低氢型焊条较普通型焊条的焊缝焊接质量更为优异。

焊接作业前采用烘箱对焊接焊条进行预热处理，烘焙温度控制在360℃左右，烘焙完成后，烘箱进行进行保温作业，保温温度控制在110-120℃左右，保温时间控制在1.5h。焊工开始作业前从烘箱内取出焊条放入保温桶内，焊接作业随用随取；同时，也应注意焊条的重复烘焙次数不超过2次，烘焙时间不超过4h。

3.2焊接前工作准备

在焊接工作开始前对焊缝接口进行检查，焊缝表面和两侧应均匀、光洁，且应无毛刺、裂纹；待焊接表面及距焊缝坡口边缘位置30mm范围内不得有影响正产焊接和焊缝质量的氧化皮、锈蚀、油脂、水等杂质。焊接使用的引弧板和引出板应与焊接材料主材保持一致

当焊接作业场地环境温度低于-10℃时，焊接前搭设密闭式操作平台，采用油酊等加热措施使焊接环境温度控制在0℃以上，当环境温度低于-15℃及雨雪天气时停止焊接作业。

3.3 焊接作业措施

3.3.1 焊接预热措施

项目使用的钢材主要型号是Q345B，部分钢材为Q235B。钢材的主要厚度为16mm，另有少部分25mm厚钢材。预热范围为：预热区在焊缝受热影响区两侧，每侧宽度应大于焊件厚度的1.5倍以上，且不应小于100mm；预热温度参照表二焊接预热温度表。

根据作业环境气温、钢材型号、钢材厚度，确定焊接预热温度如下表：

表二 焊接预热温度方案

3.3.2 适当增加焊接热输入

本项目采用采用手工电弧焊，为了提高焊接的施工质量，减少焊接的施工缺陷，在低温环境下，适当提高电焊机的输出功率；经现场焊接工艺评定获得数据，焊接作业电压为30V，焊接电流为180-200A，以-10℃为基准，在焊接作业环境温度降低3℃，焊接电流提高2%，即提高至204A。

3.3.3焊接后热与保温

焊接完成后需要进行后热及保温。焊缝层间温度控制在200℃左右。焊接后热范围在焊缝四周不低于100mm区域，对该区域再使用电热红外法加热一段时间，加热温度控制在150-200℃范围，加热时间控制在1.5-3h。加热完成后，使用保温石棉包裹焊缝四周，包裹区域不小于焊缝800mm，保温石棉用铁丝绑扎牢固。

4 高寒环境下焊接存在的问题及措施

4.1钢材材质的影响及措施

项目主要采用Q345B低合金高强度钢材，其塑性和可焊性较好，但是其在低温环境下冲击韧性降低，此时环境影响下塑性和可焊性降低，容易出现焊接裂纹和工作状态下的脆断。在实际焊接过程中，在未采用有效的质量控制技术之前，其焊接探伤结果经常出现冷裂纹，严重影响结构安全和工程质量。

措施：因材料品质不可更改，现场应通过控制焊接温度和焊后温降速度来降低材质的影响。

4.2焊接材料的影响及措施

项目焊接环境温度低，选择焊丝时如果采用非低氢型焊丝，低温环境会使金属焊缝加速冷却，导致金属焊缝熔池中的氢不能有效逸出，导致焊缝的冷裂敏感性加大，产生裂纹的概率增大，在未对焊接材料氢含量做出要求前，焊接后24h后焊缝根部往往出现延时裂缝，影响焊接质量。

措施：项目选用低氢型焊丝，减少因温降过快导致氢元素未及时析出而大量汇集产生延时裂纹。

4.3钢结构非对称焊接与温降过快的影响及措施

在现场施焊往往未按完全对称施焊，因为焊接热输入较大，而环境温度较低，温差较大，导致焊缝周围焊后热损失加大，且焊缝非对称焊周围将产生更大的约束应力、外部约束力等，当焊缝快速冷却时，过低的环境气温会使焊接金属焊缝冷却速度加快，导致焊缝熔池金属中的氢不能有效逸出，增加焊缝的冷裂敏感性，易产生冷裂纹缺陷。此时在非对称焊接焊缝产生的内应力和外应力的作用下易形成裂纹。在未控制焊接对称性和温降速度前，往往焊接完成后探伤即出现裂纹，焊接质量不合格，极大影响结构安全。

措施：尽量对钢结构焊缝进行对称焊接；同时严格控制环境温度和焊后后热及保温措施，严格控制焊缝冷却速度不超过15℃/min，降低应力集中及裂纹的出现。

4.4焊工的技术与认识的影响及措施

焊接的施焊主体是人，在高原高寒条件下，人的行动力和准确性受高原高寒环境的影响，导致焊接更加难以操作；其次，焊工的技术主要体现在其焊接手法，包括焊缝清理、预热、电压、电流、焊接速度、焊接道次、焊后保温、回火处理等操作控制上。焊工是否严格按焊接工艺评定参数和措施进行操作。在未进行严格的操作培训和选拔之前，现场焊接往往出现夹渣、气孔、人为冷裂缝、外观差等质量缺陷。

措施：对进场焊工进行培训，严格考试筛选，选择技术好、能力强且认真负责的焊工进行焊接作业，淘汰不合格焊工。

5结语

在日喀则混合货物仓库钢结构焊接过程中，应用以上技术措施成功解决了焊接出现的冷裂纹和热变形问题，超声波探伤一次合格率达到99.92%，获得良好的施工效果。通过对焊前准备、预热温度、层间温度、焊后加热保温、等工艺参数的确定，完善了高寒地区钢结构焊接工艺。

参考文献：

1.《新建拉萨至日喀则铁路日喀则混合货物仓库图纸》

2.《焊接术语》（GB/T3375-1994）

3．《钢结构工程施工及质量验收规范》（GB50205-2020）

4. 汪平. 高原高寒地区兰州西站大跨度钢结构施工技术.钢结构 2015,30(04),85-87

5. 于在洪、温景辉、姜海雨. 焊缝裂纹的产生原因及防止措施[J].科技信息、2011（8）