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      從北京奧運會“鳥巢”看成都鋼結構的發展

      從北京奧運會“鳥巢”看成都鋼結構的發展

      • Classification:行業動態
      • 作者:
      • Source:
      • Release time:2014-04-16
      • Visits:0

      [Summary]碳及合金元素的增加往往會給鋼的焊接性帶來不利的影響。不同鋼種所出現的焊接性問題不一。在合金結構鋼中,隨著碳及合金元素含量增多,勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現,往往會降低焊接結構安全運行的可靠性,造成焊接結構的早期破壞。

      從北京奧運會“鳥巢”看成都鋼結構的發展

      [Summary]碳及合金元素的增加往往會給鋼的焊接性帶來不利的影響。不同鋼種所出現的焊接性問題不一。在合金結構鋼中,隨著碳及合金元素含量增多,勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現,往往會降低焊接結構安全運行的可靠性,造成焊接結構的早期破壞。

      • Classification:行業動態
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      • Release time:2014-04-16
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      詳情

        任何事物都是“一分為二”的,鋼種也不例外:

        碳及合金元素的增加往往會給鋼的焊接性帶來不利的影響。不同鋼種所出現的焊接性問題不一。在合金結構鋼中,隨著碳及合金元素含量增多,勢必會引起接頭的脆化、軟化及裂紋傾向增大。這些焊接性問題的出現,往往會降低焊接結構安全運行的可靠性,造成焊接結構的早期破壞。

        .1 焊接裂紋

        微合金控軋控冷鋼碳及雜質含量低, C、S、P等元素得到有效控制,因此焊接時液化裂紋和結晶裂紋傾向很小。但由于在成形焊接和安裝過程中存在較大的成形應力或附加應力,特別是在采用多絲大線能量埋弧焊時,由于焊縫晶粒過分長大,出現C、S、P局部偏析也容易引起結晶裂紋。

        隨著強度級別的提高,板厚的增大,仍然具有一定的冷裂紋傾向。線能量小,冷卻速度較快,熔敷金屬含氫量高,因而會增加冷裂紋的敏感性,強度越高,冷裂問題將越突出。

        .2 熱影響區的脆化

        熱影響區的脆化是細晶鋼焊接時常常發生的問題,一般所用的線能量越大,脆化傾向越嚴重。HAZ的脆化問題主要有粗晶區(CGHAZ)脆化、臨界熱影響區(ICHAZ)脆化、多層焊時臨界粗晶熱影響區(IRCGHAZ)脆化、過臨界粗晶熱影響區脆化(SRCGHAZ)、亞臨界粗晶熱影響區(SCGHAZ)脆化等。其中,CGHAZ、IRCGHAZ、和SCGHAZ的脆化是微合金鋼焊接時最應引起重視的脆化區域。

        為防止熱影響區的脆化,采用合適的的焊接工藝參數 焊接時通過調整焊接工藝參數,減小高溫停留時間,避免奧氏體晶粒長大;采用合適的t8/5,使HAZ獲得韌化組織。

        3.由于新一代鋼鐵材料晶粒極度細化,焊接時面臨的嚴重問題是焊縫的強韌化、熱影響區晶粒長大等問題。

       ?、?焊縫金屬的強韌化

        焊縫金屬主要是通過合金化控制焊縫的組織實現強韌化。對400MPa級細晶鋼,只要通過調整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體即可獲得理想的強韌性,這對建筑鋼結構而言,已經是足夠的了。

       ?、?熱影響區的晶粒長大傾向

        對于超細晶粒鋼,焊接時均會出現嚴重的晶粒長大傾向。這不僅會造成HAZ的脆化,而且還會導致HAZ的軟化。如前所述,無論在理論和實際工作中,對新一代鋼種都有一個認識過程,也就是說施工單位在相當長的時期內,都要進行了解和掌握新一代鋼種的相關試驗

        研究工作,特別是同新一代鋼種相配套的焊接材料的開發研究以及目前焊接材料的配比,也是有一定工作量、一定難度的工作。所以:新一代鋼種焊接性試驗研究工作將是一項必須進行的重要技術工作。

        (二)、同焊接常見裂紋作斗爭是焊接技術的長期工作

        美國國家標準ANSI/AASHTO/AWSD1.5-96對建筑鋼結構的裂紋有明確的闡述:

        當局部應力超過材料極限時,除疲勞裂紋以外的焊縫和母材、裂紋就會在焊縫和母材中產生。裂紋通常與焊縫和母材中缺陷附近應力增大(有關),或者焊件設計引起的木機械缺口附近的應力增大有關,高的殘余應力經常存在,而氫脆常常是促使裂紋生成的重要原因,從本質上講,與焊接有關的裂紋通常為脆性,裂紋邊界處很少出現塑性變形。

        裂紋可以分冷裂紋和熱裂紋,裂紋產生于高溫。它們通常在金屬熔點附近的溫度當金屬凝固時形成。冷裂紋(有時稱延遲裂紋或氫至裂紋)可能在焊接完成后的數小時甚至幾個月才形成,通常與氫脆有關。冷裂紋既沿晶擴展,又穿晶擴展。根據裂紋的方向,它們又可分為縱向裂紋和橫向裂紋。所有裂紋都是由拉應力引起,拉應力可以是殘余應力、次級應力和作用應力的合力。裂紋的起始和擴展很大程度上受到有應力集中的缺陷存在的影響。

        1、縱向裂紋

        當裂紋平行于焊縫軸線時,不管它是沿著焊縫的中心線,還是母材的熱影響區內,都稱為縱向裂紋。采用白動焊工藝的埋弧焊縫中的縱向裂紋,常常與高的焊接速度有關,有時也會因焊縫金屬成分的偏析、或者不顯露于焊縫表面的大量氣孔而惡化。大厚度材料之間的小焊縫中的縱向裂紋往往是高冷卻率和高拘束的結果。

        2、橫向裂紋

        橫向裂紋垂直于焊縫的軸線。它們可能位于焊縫金屬,母材,或兩者都有。

        橫向裂紋可能尺寸有限并完全包容在焊縫之中,也可能從焊縫金屬擴展人鄰近的熱影響區并進一步進入非熱影響區的母材中。發源于焊縫金屬的橫向裂紋通常是縱向收縮應力作用于過分硬(脆)的焊縫金屬的結果。發源于熱影響區的橫向裂紋通常是氫至裂紋。

        3、弧坑裂紋

        弧坑裂紋是形成于弧坑或凹陷處的裂紋,是由不恰當的熄弧引起的?;】恿鸭y是淺的熱裂紋,雖然它們可能有其他形狀,但通常形成多點的,星狀的一簇裂紋。

        4、溝式裂紋

        溝式裂紋是縱向裂紋,通常位于焊道的中心,這些裂紋通常是(但并非都是)熱裂紋。

        5、焊趾裂紋

        焊趾裂紋通常是冷裂紋。這些裂紋從拘束應力最大的焊趾起源和擴展。焊趾裂紋的啟動近似垂直于母材表面,但更確切地是垂直于作用于該部位的拉伸應力,并按殘余應力和母材粗糙度的不同而在母材中擴展至不同的深度。

        6、根部裂紋

        棍部裂紋通常為焊縫根部的縱向裂紋,棍部裂紋一般為冷裂紋。

        7、焊道下和熱影響區裂紋

        焊道下和熱影響區裂紋幾乎總是形成于熱影響區的冷裂紋。這些裂紋通常為短裂紋,但可能聯接而形成大得多的連續裂紋。焊道下和熱影響區裂紋通常與集中了殘余應力的焊縫邊界連成一線。當有以下三個要素時,焊道下裂紋和所有其他氫至裂紋可以成為一個嚴重的問題;敏感的微觀組織,高殘余應力和氫。

        8、發紋

        發紋這一術語是用來描述沿原粵氏體晶界的小到中等尺寸的間隙。這種缺陷常見電渣焊和氣電焊焊縫。發紋也發生在其它焊縫中,但更容易在電渣焊縫中發現,因為它的原粵氏佑晶粒尺寸大得多。當電渣焊縫承受高拘束并有氫存在時,發紋可能變成一個主要的問題。電渣焊和氣電焊焊縫中的發紋通常被約束到焊縫的中心部分,該部分承受凝固時產生的高的殘余拉伸應力。發紋既可能是熱裂紋,也可能是冷裂紋,不過冷裂紋更為常見。微觀發紋這一術語適用于那些非常細小、以致必須經放大才能發覺的間隙。當間隙大到足以用肉眼看到,則使閉宏觀發紋這一術語。

        在建筑鋼結構焊接工程中,由于焊接引起的各種裂紋統稱焊接裂紋(包括沒有提到的層狀撕裂)。焊接裂紋在焊縫金屬和HAZ中都可能發生,是焊接凝固冶金和固相冶金過程中產生的最危險缺陷。焊縫裂紋既可能在焊接過程中產生,也可能在焊接完成后的相當時間內產生,有極大的隱蔽性和破壞性,是建筑鋼結構焊接工程首先要防范的缺陷之首。

        根據以上描述和實踐經驗的總經驗的總結, 建筑鋼結構焊接工程中,焊接裂紋的產生主要有三種形式:1、復雜鋼結構體系中的熱裂紋;2、冷裂紋;3、厚板工程中的層狀撕裂。

        建筑鋼結構焊接工程主要的三種裂紋形式、產生機理、判據、防止方法見表四。建筑鋼結構焊接工程焊接裂紋的產生原因很多,涉及到焊接工程的全過程,涉及到管理和技術兩大方面,同時也涉及到管理者和操作工。人的認識水平、物的科學與否的狀態決定了這一項工作的長期性,所以、建筑鋼結構焊接工程同焊接裂紋作斗爭是一項長期技術工作。

        表四、建筑鋼結構三大裂紋產生機理、判據、防止措施

        (三)、建筑鋼結構厚板焊接工程要防“層狀撕裂”產生

        隨著建筑鋼結構設計理念的進步,建筑鋼結構以大跨度、大厚度、超高強鋼材,夸張、新穎別致的結構體系不斷出現,這類鋼結構體系(比如:國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程)特殊而復雜,不可避免地出現一些特殊的接頭形式,由于鋼結構體系設計的需要和設計人員經驗不足所致,有的形式是不合理的甚至是錯誤的,比如:十字和丁字焊接接頭的出現增大了產生層狀撕裂的可能性。

        同時由于鋼結構體系應力應變狀況復雜,焊接接頭的鋼板Z向受力增加,同樣產生層狀撕裂的危險性增加。在強大的拉應力場作用下,有些工程中采用有Z向性能的鋼材、甚至在不厚的鋼板上也產生了層狀撕裂。作為施工單位、感到責任和壓力愈來愈大,在實踐經驗的集累過程中,具有抗層狀撕裂能力的Z向鋼材不能完全抵抗層狀撕裂的事實,迫使我們對層狀撕裂產生的機理重新思考,對層狀撕裂裂紋種類重新認識,因此;對施工工藝重新研究也就勢在必行。

        層狀撕裂之所以危險,主要在它的隱蔽性、破壞性。外觀上沒有任何跡象,現有的NDT技術難以發現。即使發現了,修復起來也很困難,且成本很高.層狀撕裂在焊接過程中即可形成,也可以在焊接結束后啟裂和擴展,甚至還可以延遲至使用期間才見到層狀撕裂,具有延遲破壞的性質。更為嚴重的是,發生層狀撕裂的結構多為大型厚壁結構,如海洋石油平臺、核反應堆壓力容器、潛艇外殼等,在建筑鋼結構焊接工程中是保證整個結構安全運營的受力焊接接頭。這些焊接接頭因層狀撕裂造成的事故是災難性的。日本坂神、美國洛彬基大地震的鋼結構倒塌災難元兇之一就是層狀撕裂。血的教訓十分慘痛!

        層狀撕裂的另外一種危險性是很難處理斷根。當結構運營過程中,應力狀態發生改變,特別是應力突然變大時仍然可能再次發生層狀撕裂。對此:所有焊接技術工作者應當引起高度的重視!

        在長期同“層狀撕裂”作斗爭的過程中,形成了一整套應用技術理論防止措施,見表五。

        (四)、新一代鋼種的焊接工藝評定將成為具有否決權的工序

        焊接工藝評定是建筑鋼結構焊接工程中具有否決權的工序,是建筑鋼結構焊接質量保證體系十分重要的工作環節,對保證建筑鋼結構焊接工程質量具有十分重要的作用。由于焊接工藝評定的重要性,國內外焊接工程技術管理人員十分重視這一項工作。各國的技術規程、標準,對此作了明確的規定。我國的JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術規程》第五章對焊接工藝評定作了具體規定,并在建筑鋼結構焊接工程中得到認真的貫徹,發揮了極大的作用。不可否認,由于我國建筑鋼結構行業發展十分迅速,從事建筑鋼結構焊接工作的隊伍愈來愈多,各個隊伍的技術水平參差不齊,對焊接工藝評定的認識各有差異,有個別工程焊接工藝評定的工作進行得很不理想,紿工程和單位聲譽帶來不良的影響。

        從理論上分析:建筑鋼結構焊接工藝評定是以金屬焊接性試驗的結論為依據。是一項驗證性的工作,主要實現兩大目的:

        1、驗證所擬定的焊接工藝是否正確

        這項工作包括通過金屬焊接性試驗或根據有關焊接性能的技術資料所擬定的工藝,也包括已經評定合格,但由于某種原因需要改變一個或一個以上的焊接工藝參數的工藝。

        金屬焊接性試驗制定的工藝也經歷了一系列試驗,是具有探索性,同時也具有一定的風險性的科研工作,主要任務是研究鋼材的焊接性能。由于目的不同、與實際工程相比,焊接條件尚存在一定的差距,需要把實驗室的數據變為工程的工藝,因此需要進行檢驗。

        2、評價施工單位是否能焊出符合有關要求的焊接接頭。

        焊接工藝評定具有不可輸入性,不可以轉讓。焊接工藝評定必須根據本單位的實際情況來進行。因為焊接質量由“人、機、料、法、環”五大管理要素來決定,單位不同其管理要素也不同,所完成的焊接工藝評定的水平也不同,進而帶來的焊接技術也不同。事實上,在進行焊接工藝評定的過程中,有的單位經常有不合格的情況發生,充分證實了這一點。

        由于新一代鋼種同傳統鋼種有很大的區別,因此:焊接工藝評定就顯得格外重要,所以說:“焊接工藝評定”具有否決權。

        三、焊接機器人(自動焊技術)有可能成為建筑鋼結構焊接工程的技術發展的另一個方向

        自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現自動化、程序化的焊接施工方法。這種自動焊技術對于操作人員的焊接技術水平要求較低,焊接過程中受人為因素的影響小,并且具有焊縫成形美觀,焊接過程穩定,焊接效率高等優勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的“鳥巢” 工程建設中,自動焊具有很大的應用空間?;诖嗽?ldquo;鳥巢”工程鋼結構焊接加工中應盡可能引入國內具有自主知識產權的先進焊接裝備和技術。經過長時間多方調研了解,北京石油化工學院光機電裝備技術北京市重點實驗室先后承擔“九五”國家863項目“球罐智能焊接機器人研究”和“十五”國家863重大項目“水下干式管道維修系統課題之子課題水下干式高壓焊接”,在焊接機器人研發領域具有較強的實力,有一批具有自主知識產權的創新性研究成果,其研究成果GDC-1型焊接機器人,符合“鳥巢” 工程焊接施工的要求,可在“鳥巢”工程中加以應用。

        GDC-1型焊接機器人由行走機構、擺動機構、高度調整機構、導軌、控制箱、遙控器等部件組成??梢詫崿F“直線”焊接及“弓”、“之”、“點之”形等擺動方式焊接;焊接速度、擺動幅度及其左/右停留時間可根據工況要求實時可調;采用遙控盒操作方式,便于現場參數設定、實時操作。GDC-1可實現大厚板、長焊縫、多種焊位(平、橫、立、仰)鋼結構現場安裝的自動焊接,圖六所示。

        由于建筑鋼結構向厚板、大跨度方向發展,給焊接機器人(自動焊技術、FCAW-GA、FCAW-SA)帶來了發展的空間,特別是同防風性能良好的藥芯自保護焊技術相組合,肯定會實現技術上的突破,推動建筑鋼結構焊接技術進步。

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