进口GR60级钢材焊接技术Word格式.docx
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0.14
1.60
0.1~0.4
0.03
360
520
19
25
37
合格证
0.10
1.43
0.20
0.029
0.013
365
589
21
35
68
2.焊材
气体保护焊焊丝：
GR60级钢材焊接的焊丝型号：
ER50-G，牌号：
JM-60；
生产厂家：
金桥，其质量符合标准国标《气体保护焊用钢丝》（GB/T14958）的要求。
保护气体采用CO2：
纯度不低于99.99%（体积比），含水量小于0.05%（重量比）。
3.钢材规格及主要使用部位
进口GR60级热轧型钢主要用于钢结构工程钢柱及重要受力部位的梁、支撑等，截面为H型。
其规格、使用部位及材质见下表：
进口热轧型钢材质一览表
截面号
规格
截面尺寸
材质
备注
1
W360*410*1086
H570*454*78*125
GR.60
梁、柱、支撑
2
W360*410*990
H550*448*72*115
3
W360*410*818
H514*437*61*97
柱
4
W360*410*744
H498*432*56*89
5
W360*410*551
H455*418*42*68
6
W360*410*382
H416*406*30*48
4.焊接连接形式
本工程进口H型钢柱主要使用部位有核心筒剪力墙内H型钢柱、转换桁架、主桁架的钢柱、钢梁及特式吊楼的米支撑等。
主要焊接连接形式如下表所示：
焊接连接形式
序号
结构部位
构件名称
核心筒
钢柱
翼缘单V形坡口全熔透焊缝，腹板厚20mm以上为K形坡口全熔透焊缝，20mm以下为单V形坡口全熔透焊缝
转换桁架
钢柱、钢梁
主桁架
特式吊楼
米字撑
柱-柱之间的典型连接形式：
H型钢柱-柱焊接节点
箱型钢柱-柱焊接节点
梁-柱之间的典型连接形式：
钢梁-钢柱焊接节点
5.焊缝质量要求
本工程进口GR60级钢材主要用于重要的受力部位，其构件连接的焊缝质量等级为一级全熔透坡口焊缝。
在构件焊接焊接前，应进行焊接工艺评定。
6.检测标准
所有的焊缝应按《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）或《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的要求进行外观检查。
焊缝的超声波检测：
超声波探伤执行中国标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》（GB/T11345-1989）,并参照AWSD1.1条款进行。
本工程中进口GR60级钢材间的连接焊缝均采用一级全熔透焊缝，要求100%UT检测。
3、GR60级高强钢的焊接性分析与试验
GR60级的H型钢材质为ASTMA913-97GR60级，符合ASTMA913-97，ASTMA6/A6M-01标准中细晶粒度的要求。
碳当量按国际焊接协会公式计算，对GR60不大于0.40%。
根据此类钢材的特点，拟通过针对性的焊接性的分析与试验来确定GR60级钢材的预热温度、后热温度及相关焊接性能等。
通过焊接工艺评定及试验来验证GR60级钢材在工程中的焊接性能及焊接工艺。
1.焊接性的计算与分析
预热温度的确定
根据ANSI/AWSD1.1《钢结构焊接规范》的规定，采用碳当量和冷裂纹敏感指数来评估钢材的焊接性和确定预热温度。
碳当量法确定预热温度
由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有关，所以利用化学成分间接地评估钢材的冷裂纹的敏感性。
把钢中合金元素的含量按其作用换算成碳的相当含量，作为粗略评定钢材冷裂倾向的一种参数指标。
根据ASTM.A913/A.913m-97的推荐，对碳当量按国际焊接学会（IIW）的下式进行计算：
对于GR60级钢材：
小于要求的0.40%的碳当量限值。
根据美国焊接学会推荐的公式计算出的值依碳当量（Ceq）与板厚的关系，可知：
GR60的可焊性对于本工程的板厚其焊接性等级为Ⅰ级优良。
采用JM-60焊丝时可不需预热。
氢含量控制法确定预热温度：
低合金高强度钢焊接时产生的冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷金属中扩散氢含量、接头的拘束应力等有关。
根据PC计算和AWSD1.1的规定，利用控制氢含量的方法来防止焊接冷裂纹，即接头在冷却到大约50℃以后，残留在接头中的平均含氢量不超过某一临界值，则不会产生裂纹，而氢含量的临界值取决于钢的化学成分和拘束，利用这一方法来估算足以使氢扩散出接头所必需的预热温度。
预热温度利用含氢量控制法进行如下计算：
a）冷裂纹敏感性系数Pcm为：
b）冷裂纹敏感指数Pw为：
经计算得敏感度指数的数值为3.9369。
在AWSD1.1的规定中，为使用方便，对敏感度指数进行了分组A-G，从A到G的每一字母都包括了敏感度指数的一小段范围：
A=3.0B=3.1—3.5C=3.6—4.0D=4.1—4.5F=5.1—5.5G=5.6—7.0
将这些分组与拘束和厚度相结合，用以确定最低预热温度和道间温度。
如下表所示：
三个拘束等级的最低预热温度和道间温度
拘束
等级
厚度
mm
最低预热温度和道间温度（℃）
敏感指数分组
A
B
D
E
F
G
低
＜10
＜20
60
140
150
10-20
20
100
20-38
80
110
38-75
40
95
120
＞75
中
70
160
115
145
130
高
65
105
85
查表知：
最低预热温度（当δ>
38mm时）To=40℃。
根据拘束等级、板厚与敏感度指数的关系,本工程选用的常温下的预热温度为80℃，层间温度为120～150℃。
冬期施工时适当提高预热温度，对80mm厚度以下的钢材的预热温度为80℃,80mm厚度以上的钢材的预热温度为100℃。
热裂纹敏感性指数计算
计算公式为：
热裂纹敏感性指数较高，现场施工时须采取一定的措施防止热裂纹的出现。
后热温度的确定
后热的目的是为减少扩散氢,防止延迟开裂，即在冷裂纹尚在潜伏期未起裂前实施的焊后加热。
后热一方面可以减少扩散氢，在另一方面，后热对减少剩余应力和改善组织也有一些作用。
最低后热温度TPC与钢的成分有关.
最低后热温度TPC为：
因此，为加速氢的扩散逸出，根据GR60级钢材的特性，将板厚在100mm以上板材的后热温度定为200℃～230℃，与一般国产钢材的200-250℃范围基本相同。
焊接性的直接试验
Z向拉伸试验
利用钢板厚度方向（即Z向）的断面收缩率来评定钢材的层状撕裂敏感性。
本工程要求40mm厚以上的钢板达到Z15级要求，80mm厚以上的钢板达到Z25级要求。
本工程已根据相关标准及规范的要求对进口GR60级母材进行了Z向拉伸试验，钢材均满足设计的Z向要求。
Cramfield层状撕裂试验
由于层状撕裂试验尚未建立标准，本工程采用Cranfield试验，但是试验结果准确性与下列因素有关：
装配点固定约束程度；
焊道数目；
预热温度；
试件焊缝长度；
焊接线能量。
层状撕裂试验按照下进行。
如上图所示，中立板为实验板，斜板底部加工成300，上部加工成450，根部平台部分为7mm，试件装配点焊固定后，在正式焊接2条实验焊道后除去定位焊缝，可使后续焊道的收缩力作用于试验板上。
试验焊缝焊9层15道，焊角尺寸为30mm，焊接参数为：
I＝240-260，U＝30-34，焊接速度为300mm/min，焊丝为JM-60，规格为Φ1.2mm。
焊后24小时解刨，机加出5块试样，裂纹率按下式计算如下：
CR=L/B*100%，式中L为裂纹长度，B为实验焊缝在试验板上的宽度。
根据试验结果，证实本工程采取的工艺参数进行焊接合格。
焊接接头的性能试验
焊评试件的检测项目
根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）的要求，结合GR60级钢材在国内建筑钢结构的首次使用，对焊接工艺评定试件进行以下项目的检测：
进口钢材与进口钢材的全熔透对接：
外观、无损探伤、横向拉伸、横向弯曲、全焊缝拉伸、冲击（焊缝、热影响区），进口钢材与进口钢材的对接进行拉伸、弯曲、冲击（焊缝、热影响区）检测，其中125mm试件性能测试采用分层取样覆盖全厚度法进行；
进口钢材与国产Q345-C钢材的全熔透对接：
外观、无损探伤、横向拉伸、横向弯曲、全焊缝拉伸、冲击（焊缝、两种母材热影响区、母材）；
国产Q345-C钢材与进口钢材的全熔透T形接头：
外观、无损探伤、宏观腐蚀（若有疑问做金相分析）、断口检验（3）、硬度（HV10Kg）。
焊评时间UT检测
熔敷金属化学成分及力学性能
在进行焊接工艺试验时，选用的焊接材料为φ1.2mm的焊丝，采用CO2气体保护焊，焊材化学成分及焊接完毕后试件物理性能如下表所示：
熔敷金属化学成分及物理性能
焊材
熔敷金属化学成分
熔敷金属机械性能
抗拉强度N/mm2
屈服强度N/mm2
延伸率
%
冲击值
-20℃
JM-60
0.07
1.81
0.75
0.011
0.006
550
470
17
52.58.86
非预热焊接试验
碳当量法确定预热温度时，计算出的碳当量为0.287％，小于要求预热时的0.40%的碳当量限值。
根据美国焊接学会推荐的公式计算出的值依碳当量（Ceq）与板厚的关系，可知GR60的可焊性对于本工程的板厚其焊接性等级为Ⅰ级优良。
根据利用含氢量控制法进行计算预热温度时，最低预热温度（当δ>
在常温下采用JM-60焊丝时可不需预热即可保证。
在本工程焊接施工时，由于国内初次使用GR60级钢材，为慎重起见，根据拘束等级、板厚与敏感度指数的关系,本工程选用的常温下的预热温度为80℃，层间温度为120～150℃。
冬期施工时适当提高了预热温度，对80mm厚度以下的钢材的预热温度为80℃,80mm厚度以上的钢材的预热温度为100℃。
但是，本着验证试验的目的，在0℃以上的环境温度下，选用了与焊接工艺评定同样板厚的节点进行了小范围焊接试验，试验采用的参数除不预热外，其它参数均与焊接工艺评定相同，试验结果证明在此条件下，试件的熔敷金属的化学与物理性能均合格。
由于对GR60级钢材的使用仍在摸索过程中，且不预热条件下的焊接试验为小范围焊接试验，在本工程目前的焊接施工中未予推广。
不过，项目部正在把不同条件下的焊评试验工作当作重点课题进行研究，以期能够取得具有指导性意义的结果。
焊缝的残余应力检测与有限元分析
焊接残余应力的产生原理
对工字型截面构件进行焊接,在焊件上产生局部高温的不均匀温度场,焊接中心处温度可达1600℃,高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长,但受到相邻钢材的约束,从而在焊件内引起较高的温度应力,并在焊接过程中,随时间和温度而不断变化,称其为焊接应力,焊接应力较高的部位,甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形,因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力,称为焊接残余应力。
并且在冷却过程中,钢材由于不能自由收缩,而受到拉伸,于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。
本工程焊接中的各种工艺均会使构件温度场产生不均匀变化,会使H字型截面构件构件中产生复杂的残余应力分布。
残余应力是一种自相平衡的力系,当构件承受荷载时,如受拉、受压等,荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加,从而使构件某些部位提前达到屈服强度,并发生塑性变形,故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。
为评估工程中主要构件的残余应力不致对结构产生破坏性影响的几率，本项目对特式吊楼的米字撑节点处的杆件进行了残余应力检测。
H型截面的残余应力检测方法
米字撑杆件焊接残余应力监测，采用盲孔法测试米字撑杆件2个截面的焊接残余应力。
数据读取时间为焊接完毕，残余应力稳定后。
应变检测点布置位置如下图：
应变片布置方式如下
米字撑杆件对接焊缝处全截面残余应力监测点。
辐板两侧各2个部位，翼缘各3个部位，共计14部位，每个部位布3个应变花，每个应变花含3片应变片。
合计42个应变花（126枚应变片）。
米字撑杆截面形状及对接焊缝布片位置
米字型支撑测定残余应力应变花布置图
H型截面的ANSYS残余应力分析
我们采用大型有限元分析软件ANSYS8.0，对于吊楼的米字撑杆件全截面焊接残余应力进行理论分析。
对于H字型截面构件的残余应力,为验证测量结果,本工程采用大型有限元软件ANSYS来分析几种截面尺寸H字型截面构件的残余应力,旨在进行新的方法探索。
在用ANSYS进行焊缝的残余应力分析时，认为当焊接温度场在工字型构件截面不沿构件轴线变化时,将发生平面应变,并认为残余应力沿厚度方向无变化。
焊接热传导的研究结果表明,当焊件冷却到最后阶段,接近常温时,整个截面的温度将会均匀,各点的温度均为常数,构件沿纵向有均匀收缩的趋势。
而且在实际工程中有限长的工字型截面构件在冷却过程中,沿焊缝纵向是有收缩的,不会出现约束拉力。
分析模型采用PLANE13单元进行模拟，相关参数如下表：
材料
摄氏温度
弹性模量
屈服强度
切变模量
材料密度
泊松比
传热系数
线胀系数
比热容
GR60级
1.93ell
1.2e9
1.93e10
7850
0.29
16.3
1.78e-5
502
500
1.5ell
0.933e9
1.5e10
1000
0.7ell
0.435e9
0.7e10
1500
0.1ell
0.07e9
0.1e10
H型钢截面
2000
0.01ell
0.007e9
0.01e10
ANSYS计算结果及检测结果的对比分析
本工程的残余应力的有限元分析采用的工字型截面构件的尺寸及几何参数如上表所列。
用ANSYS软件对模型进行网格剖分,对于应力较为复杂的区域,进行网格加密。
采用间接法求其残余应力。
计算得到的各H字型截面构件的残余应力分布与实际检测残余应力的结果基本一致。
限于篇幅，本文未列举检测数据。
4、现场焊接工艺评定
现场GR60级钢材基本上位于H型钢柱、梁的连接节点处，因此，现场采用了对典型的焊缝型式进行工艺评定试验，从而取得指导本工程现场焊接操作的适用的工艺参数。
由于国内第一次在建筑钢结构上使用美国标准材料ASTM903/913M-97GR60级钢材，为了保证安装焊接的质量，了解进口材料的焊接性，编制现场焊接工艺，同时为本企业作好技术储备。
首先对进口GR60级钢材的焊接性进行了分析与试验。
在了解进口GR60级钢材焊接性的基础上，根据（JGJ81-2002）《建筑钢结构焊接技术规程》进行了焊接工艺评定，在焊后检查试件外观并进行了超声波检查合格后取样进行力学和物理性能测试，测试项目为拉伸、冲击（焊缝、热影响区）、侧弯、宏观酸蚀、硬度，取样数量符合《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）要求。
焊接接头试样的各项性能试验结果达到或超过了设计和规定要求。
焊接工艺评定中的下料、焊接、取样、过程均请监理见证，所有焊接工艺评定试件的性能检测均在本项目选定认可的国家一级检测机构检测。
1.焊评试件及焊材的选择
焊评试件
本工程中的GR60级焊评试件（部分）如下表：
评定试件厚度（mm）
覆盖厚度（mm）
取样型材规格
30
22~45
H416X406X30X48
48
36~72
78
58~117
H569X454X78X125
125
86~172
进口GR60级钢材厚度规格系列：
30、42、48、56、61、68、72、78、89、97、115、125。
焊接材料的选择：
气保焊焊丝选用锦泰牌JM-60焊丝。
2.焊接方法与焊接位置
根据焊接连接的设计及施工现场的条件，焊接工艺评定的焊接方法采用实芯焊丝CO2气体保护焊。
焊接位置为横焊。
3.焊评接头形式
根据结构焊接连接形式，进行以下接头形式的工艺评定：
进口钢材与进口钢材的全熔透对接接头；
进口钢材与国产Q345-C钢材的全熔透对接接头；
进口钢材与国产Q345-C钢材的全熔透T形接头；
4.焊评试件的检测项目
根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）的要求，结合进口GR60级钢材在国内建筑钢结构的首次使用，对焊接工艺评定试件进行以下项目的检测：
外观、无损探伤、横向拉伸、横向弯曲、全焊缝拉伸、冲击（焊缝、热影响区），其中125mm试件性能测试采用分层取样覆盖全厚度法进行。
外观、无损探伤、横向拉伸、横向弯曲、全焊缝拉伸、冲击（焊缝、母材热影响区、母材）。
外观、无损探伤、宏观腐蚀（若有疑问做金相分析）、断口检验（3）。
5.焊评质量保证措施
焊接施工人员要按管理制度施工，焊接工程师对施工人员进行技术交底，并编制焊接工艺指导书，便于每个焊接人员明确操作要领，以及材料的使用和质量要求，严格按预定的工艺施工焊接。
每焊完一道焊缝都应清理，有缺陷的铲磨，这样才能保证整个焊接接头质量。
施工中认真执行三检制度，加强自检互检，专职人员检查时应逐条焊缝检查验收，并作好记录。
对全熔透焊缝进行100%超声波检测并作好记录，合格后并出具报告。
焊工要求
本次工艺评定主要是针对本次工程采用的进口厚板焊接工艺的检测与评定。
焊接本工程GR60级进口钢材的焊工必须为具有一定的厚板焊接经验的熟练的操作工人，有相应有效的焊接上岗操作证书。
本工程对所有施焊的焊工进行了GR60级钢附加考试，未经考核和考核不合格焊工严禁进行GR60级进口钢材的焊接。
坡口加工
采用小车式火焰切割机加工坡口，严禁手工火焰切割坡口；
坡口表面宽度应一致并应进行割渣及氧化物清理并打磨露出母材金属光泽；
焊接坡口的切割表面的缺口深度：
在1mm以内；
超标缺口必须焊补、修整合格；
坡口加工允许偏差：
坡口钝边±
1mm、坡口角度±
5°
；
装配前准备
清理母材表面杂物，打磨焊接区域及两侧25mm范围露出良好母材金属光泽。
装配精度
装配间隙0~1mm。
定位点焊
定位焊必须焊透，不得有未焊透、夹渣、裂纹等缺陷，操作时，采用回焊起弧，收弧处必须填满弧坑，防止产生弧坑裂纹。
尽量避免在棱角、端部、坡口部位进行定位焊接。
焊接区域清理：
装配、检查合格后，清理定位焊焊渣，确保定位焊无夹炸、裂纹等焊接缺陷，并清理焊道及两侧25mm范围内氧化物、油污、等杂物，并烘烤保证焊区干燥。
焊接
焊接顺序：
先对开坡口一侧进行两道打底焊，然后进行背面清根，清根必须彻底，并露出正面焊道熔敷金属，并确保无夹渣、未熔合等焊接缺陷，用扁铲、钢丝刷气刨坡口符合施焊要求，焊接背面焊道至满，然后焊接正面焊道至满。
焊接时必须严格进行焊道清渣，并检查上道焊道，确保无任何焊接缺陷，否则先清除上道缺陷后才允许进行下一道焊接。
焊接参数：
严格按焊接工艺规程执行。
焊接检查
焊缝尺寸及外观检查：
焊缝尺寸及外观符合一级焊缝外观等级要求；
焊缝内部质量检查：
焊后24小时后对焊缝进行100%超声波检查，焊缝评定等级为B
级。
6.焊接工艺评定的焊接参数
焊接工艺评定所用的焊接参数见附件1：
焊接工艺评定指导书。
本文限于篇幅，仅附部分有代表性的焊接工艺评定指导书。
焊评试件焊接
7.取样试验
工艺评定试件焊接接头质量按《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ
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