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摘要：本文根据辽宁朝阳鞍凌钢项目炼钢工程主厂房柱的冬季制作过程中的焊缝所出现质量问题，通过理论分析，结合现场实际情况，通过采取一系列的措施，保证了焊接质量。可为施工类似条件的条件下从事钢结构焊接工作提供借鉴及参考。
关键词：钢结构 制作 低温焊接
Abstract: In this paper, according to the weld quality problem appeared in the process of making column of main workshop in winter of LingGang steelmaking project in Yang’an of liaoning, through the theoretical analysis, the actual situation, and taking a series of measures ensures the welding quality. All of the content of the paper offers the reference for work of steel welding under the similar conditions.
Keywords: steel structure; process; low temperature welding
中图分类号：TU391 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
一、工程概况
我公司所承建的鞍凌钢工程，地处东北的辽宁朝阳，炼钢工程主厂房的钢柱就在2007年11月-2008年4月份制作完成的，这期间环境温度一般都在零下，最低温度达-22℃，炼钢柱系统重量约1600t，共有46根钢柱及其它柱间之撑等构件，单根钢柱最重约41t,钢柱的结构形式为焊接H型钢格构式，腹板及翼缘的板厚12-34mm，H型钢的材质为Q345B，连接杆件及零件为Q235B，H型钢的焊接工艺为埋弧焊，构件组装时采用CO2气体保护焊及手把焊，要求焊透的受拉焊缝为一级焊缝；要求焊透的受压焊缝为二级焊缝。
二、焊缝冷焊缝的形成原因
1、焊缝冷裂纹的形成因素。
冷裂纹发生于焊缝冷却过程中较低温度时，或沿晶或穿晶形成，视焊接接头所受的应力状态和金相组织而定。冷裂纹也可以在焊后经过一段时间（几小时或几天）才出现，称之为延迟裂纹。冷裂纹常起源于焊趾处向母材延伸。也有发生在焊道下平行或垂直于熔合线。
影响冷裂纹形成的因素：A、焊接接头中金相组织的硬度、脆性较高；B、焊接接头中焊缝扩散氢含量较高；C、焊接接头的拘束力较大。这三个因素是互相关联的，可以同时起作用也可以在不同条件下分别起主要作用。
2、硬、脆组织的影响。
焊接过程中由于熔池的过热，使熔合线及母材近缝区加热温度峰值很高，使奥氏体严重长大，在随后的冷却时，如冷却速度很快，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。
马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子的存在，使铁原子偏离平衡位置，晶体发生极大畸变，使马氏体组织处于硬化状态。在一定的应力条件下，易发生脆性断裂。
3、氢的影响。
在焊接过程中，钢材表面及焊接材料（焊条药皮或焊剂）中的水分分解为原子态氢，水分越多，含氢量越大（如图一所示），并大量溶于液态金属，随着冷却凝固过程中，焊缝金属发生由奥氏体向铁素体、珠光体转变时氢的溶解度急剧下降，使焊缝中的氢处于过饱和状态。由于氢在铁素体、珠光体中扩散速度大于奥氏体，焊缝因含碳量较母材低而先于近缝区母材发生奥氏体向铁素体的转变，亦即促使氢从焊缝向母材近缝区（奥氏体尚未转变为铁素体）扩散并聚集于硬化组织的晶体缺陷（空位或错位）中，造成局部高压，这往往也是应力集中的部位。
扩散氢的含量越高，氢致裂纹倾向越大，控制焊缝中氢的含量，亦即控制母材表面和焊材中及保护气体中的水分（如图二所示），成为降低冷裂纹倾向的主要措施。此外焊后进行消氢热处理有利于氢的加速扩散，也是防止延迟裂纹的措施之一（如图三所示）。
4、约束度的影响。
焊接过程中存在着三种应力：热应力、组织相变应力和约束应力。三者对焊接冷裂纹的产生起着关键的作用。
约束应力：δ=mR（Mpa）其中R—约束度，m—约束系数
拉伸约束度（Rf）定义为单位长度焊缝的根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的拉力。图五为对接接头承受拘束应力的示意图。
Rf=Eδ/L(N/mm.mm)
其中：E—母材金属的弹性模量；δ—板厚，mm；
L—约束距离，mm，即受拘束体的长度。
（图五）
摘自建筑钢结构施工手册
拘束系数（m）表示相同的拘束度（R）条件下，产生的拘束应力并不相同，它既受钢材的热物理性能的影响(如热膨胀系数、熔点、比热)，也受焊接接头形式和坡口形式的影响。
图六所示为不同坡口形式时拘束应力的区别。可以看出双面、双边对称坡口（X型）及單边、双边对称部分焊透 浅坡口（Y型）的拘束力最小。
三、防止焊缝出现冷裂纹的相应措施
由此可见，负温下钢结构制作必须将防止焊缝出现冷裂纹当成头等大事，围绕着这个主题，要时刻关注焊接环境温度，抓住有利的时间进行焊接，同时采取全面细致的有力措施，才能确保钢结构制作的质量符合设计及规范的要求。
1、在负温度下露天焊接钢结构时，宜搭设临时防护棚。特别是重要构件的主焊缝区及关键焊缝的焊接区域必须搭设临时防风棚，确保焊接质量。手工电弧焊3级风以上、二氧化碳气体保护焊1级风以上应该采取有效的防风措施；同时要避免寒风直接吹正在焊接的焊缝，防止焊缝温度过快冷却而产生裂纹。雨水、雪花严禁飘落在炽热的焊缝上。
2、加强焊缝的保温，焊接热处理完后，还应采取保温措施，采用阻燃物岩棉卷覆盖焊缝，延长冷却时间。
3、选择合理的焊接时间，一般来说，北方冬天温差较大，晴天时白天上午9时至下午3时一般温度较高，钢结构的焊接，特别是重要焊缝的焊接应尽量安排在这个时间段里进行。
4、选择适当的焊接环境温度，室外环境过低，不利于人员操作，同时钢材在低温下自身容易出现冷脆现象，因此焊接的环境温度不宜低于-15℃。
5、碱性焊条在使用前按照产品出厂证明书的规定进行烘焙。烘焙合格后，存放在80～100℃烘箱内，使用时取出放在保温筒内，随用随取。负温度下焊条外露超过2h的应重新烘焙。焊剂在使用前必须按照出厂证明书的规定进行烘焙，其含水量不得大于0.1%。在负温度下焊接时，焊剂重复使用的间隔不得超过2h，超过2h重新烘焙。
气体保护焊用的二氧化碳,纯度不宜低于99.5%(体积比),含水率不得超过0.005%（重量比）。使用瓶装气体时，瓶内压力低于1N／mm2时应停止使用。在负温下使用时，要检查瓶嘴有无冰冻堵塞现象。
6、焊前预热，焊后消氢，防止裂纹及延迟裂纹的产生
(1)、零件组装前将接缝两侧各50mm内的铁锈、毛刺、泥土、油污、冰雪等清理干净，并保持接缝干燥，没有残留水分；
(2)、负温度下焊接中厚钢板、厚钢板时，对焊道周围100mm范围内进行预热，预热温度为130℃左右；预热温度不能过高，防止钢材内部晶体发生变化而导致材料的物理性能的变化；
(3)、焊接完后，立即对焊缝进行消氢热处理，热处理温度为：300℃左右；热处理保温时间为20分钟左右。
7、选择恰当的焊接、组拼工艺
(1)、负温度下厚度大于10mm的钢板应分多层焊接，焊缝应由下往上逐层堆焊。为了防止温度降得太低，原则上一条焊缝要一次焊完，不得中断，在再次施焊时，应先进行处理，清除焊接缺陷，合格后方可按焊接工艺规定再继续施焊
(2)、构件的组装按工艺规定的顺序进行，由里向外扩展组拼。
(3)、在负温度下构件组装定型后进行焊接时，严格按焊接工艺规定进行，由于焊接的起始点和收尾点比常温更易产生未焊透和积累各种缺陷，因此，单条焊缝的两端必须设置引弧板和熄弧板。引弧板和熄弧板的材料应和母材一致。严禁在母材上引弧。
(4)、合理选择焊缝坡口，对于焊缝等级要求为一级、二级的焊缝采用对称坡口，降低焊缝冷裂纹倾向；所有重要构件、关键部位均由有经验的高水平的合格焊工进行施焊，并随时联系探伤人员进行超声波探伤检测进行自检，确保焊接质量达到设计及规范要求。
四、结束语
室外钢结构制作必须搭设有效的防风棚，按照规范对焊丝焊剂进行了烘焙。同时焊缝焊接前进行了预热，焊接后，按照方案进行消氢热处理，消氢后用岩棉卷对焊缝区域进行覆盖，防止焊缝过快冷却，确保焊缝质量。
【参考文献】建筑钢结构施工手册
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢结构 制作 低温焊接
Abstract: In this paper, according to the weld quality problem appeared in the process of making column of main workshop in winter of LingGang steelmaking project in Yang’an of liaoning, through the theoretical analysis, the actual situation, and taking a series of measures ensures the welding quality. All of the content of the paper offers the reference for work of steel welding under the similar conditions.
Keywords: steel structure; process; low temperature welding
中图分类号：TU391 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
一、工程概况
我公司所承建的鞍凌钢工程，地处东北的辽宁朝阳，炼钢工程主厂房的钢柱就在2007年11月-2008年4月份制作完成的，这期间环境温度一般都在零下，最低温度达-22℃，炼钢柱系统重量约1600t，共有46根钢柱及其它柱间之撑等构件，单根钢柱最重约41t,钢柱的结构形式为焊接H型钢格构式，腹板及翼缘的板厚12-34mm，H型钢的材质为Q345B，连接杆件及零件为Q235B，H型钢的焊接工艺为埋弧焊，构件组装时采用CO2气体保护焊及手把焊，要求焊透的受拉焊缝为一级焊缝；要求焊透的受压焊缝为二级焊缝。
二、焊缝冷焊缝的形成原因
1、焊缝冷裂纹的形成因素。
冷裂纹发生于焊缝冷却过程中较低温度时，或沿晶或穿晶形成，视焊接接头所受的应力状态和金相组织而定。冷裂纹也可以在焊后经过一段时间（几小时或几天）才出现，称之为延迟裂纹。冷裂纹常起源于焊趾处向母材延伸。也有发生在焊道下平行或垂直于熔合线。
影响冷裂纹形成的因素：A、焊接接头中金相组织的硬度、脆性较高；B、焊接接头中焊缝扩散氢含量较高；C、焊接接头的拘束力较大。这三个因素是互相关联的，可以同时起作用也可以在不同条件下分别起主要作用。
2、硬、脆组织的影响。
焊接过程中由于熔池的过热，使熔合线及母材近缝区加热温度峰值很高，使奥氏体严重长大，在随后的冷却时，如冷却速度很快，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。
马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子的存在，使铁原子偏离平衡位置，晶体发生极大畸变，使马氏体组织处于硬化状态。在一定的应力条件下，易发生脆性断裂。
3、氢的影响。
在焊接过程中，钢材表面及焊接材料（焊条药皮或焊剂）中的水分分解为原子态氢，水分越多，含氢量越大（如图一所示），并大量溶于液态金属，随着冷却凝固过程中，焊缝金属发生由奥氏体向铁素体、珠光体转变时氢的溶解度急剧下降，使焊缝中的氢处于过饱和状态。由于氢在铁素体、珠光体中扩散速度大于奥氏体，焊缝因含碳量较母材低而先于近缝区母材发生奥氏体向铁素体的转变，亦即促使氢从焊缝向母材近缝区（奥氏体尚未转变为铁素体）扩散并聚集于硬化组织的晶体缺陷（空位或错位）中，造成局部高压，这往往也是应力集中的部位。
扩散氢的含量越高，氢致裂纹倾向越大，控制焊缝中氢的含量，亦即控制母材表面和焊材中及保护气体中的水分（如图二所示），成为降低冷裂纹倾向的主要措施。此外焊后进行消氢热处理有利于氢的加速扩散，也是防止延迟裂纹的措施之一（如图三所示）。
4、约束度的影响。
焊接过程中存在着三种应力：热应力、组织相变应力和约束应力。三者对焊接冷裂纹的产生起着关键的作用。
约束应力：δ=mR（Mpa）其中R—约束度，m—约束系数
拉伸约束度（Rf）定义为单位长度焊缝的根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的拉力。图五为对接接头承受拘束应力的示意图。
Rf=Eδ/L(N/mm.mm)
其中：E—母材金属的弹性模量；δ—板厚，mm；
L—约束距离，mm，即受拘束体的长度。
（图五）
摘自建筑钢结构施工手册
拘束系数（m）表示相同的拘束度（R）条件下，产生的拘束应力并不相同，它既受钢材的热物理性能的影响(如热膨胀系数、熔点、比热)，也受焊接接头形式和坡口形式的影响。
图六所示为不同坡口形式时拘束应力的区别。可以看出双面、双边对称坡口（X型）及單边、双边对称部分焊透 浅坡口（Y型）的拘束力最小。
三、防止焊缝出现冷裂纹的相应措施
由此可见，负温下钢结构制作必须将防止焊缝出现冷裂纹当成头等大事，围绕着这个主题，要时刻关注焊接环境温度，抓住有利的时间进行焊接，同时采取全面细致的有力措施，才能确保钢结构制作的质量符合设计及规范的要求。
1、在负温度下露天焊接钢结构时，宜搭设临时防护棚。特别是重要构件的主焊缝区及关键焊缝的焊接区域必须搭设临时防风棚，确保焊接质量。手工电弧焊3级风以上、二氧化碳气体保护焊1级风以上应该采取有效的防风措施；同时要避免寒风直接吹正在焊接的焊缝，防止焊缝温度过快冷却而产生裂纹。雨水、雪花严禁飘落在炽热的焊缝上。
2、加强焊缝的保温，焊接热处理完后，还应采取保温措施，采用阻燃物岩棉卷覆盖焊缝，延长冷却时间。
3、选择合理的焊接时间，一般来说，北方冬天温差较大，晴天时白天上午9时至下午3时一般温度较高，钢结构的焊接，特别是重要焊缝的焊接应尽量安排在这个时间段里进行。
4、选择适当的焊接环境温度，室外环境过低，不利于人员操作，同时钢材在低温下自身容易出现冷脆现象，因此焊接的环境温度不宜低于-15℃。
5、碱性焊条在使用前按照产品出厂证明书的规定进行烘焙。烘焙合格后，存放在80～100℃烘箱内，使用时取出放在保温筒内，随用随取。负温度下焊条外露超过2h的应重新烘焙。焊剂在使用前必须按照出厂证明书的规定进行烘焙，其含水量不得大于0.1%。在负温度下焊接时，焊剂重复使用的间隔不得超过2h，超过2h重新烘焙。
气体保护焊用的二氧化碳,纯度不宜低于99.5%(体积比),含水率不得超过0.005%（重量比）。使用瓶装气体时，瓶内压力低于1N／mm2时应停止使用。在负温下使用时，要检查瓶嘴有无冰冻堵塞现象。
6、焊前预热，焊后消氢，防止裂纹及延迟裂纹的产生
(1)、零件组装前将接缝两侧各50mm内的铁锈、毛刺、泥土、油污、冰雪等清理干净，并保持接缝干燥，没有残留水分；
(2)、负温度下焊接中厚钢板、厚钢板时，对焊道周围100mm范围内进行预热，预热温度为130℃左右；预热温度不能过高，防止钢材内部晶体发生变化而导致材料的物理性能的变化；
(3)、焊接完后，立即对焊缝进行消氢热处理，热处理温度为：300℃左右；热处理保温时间为20分钟左右。
7、选择恰当的焊接、组拼工艺
(1)、负温度下厚度大于10mm的钢板应分多层焊接，焊缝应由下往上逐层堆焊。为了防止温度降得太低，原则上一条焊缝要一次焊完，不得中断，在再次施焊时，应先进行处理，清除焊接缺陷，合格后方可按焊接工艺规定再继续施焊
(2)、构件的组装按工艺规定的顺序进行，由里向外扩展组拼。
(3)、在负温度下构件组装定型后进行焊接时，严格按焊接工艺规定进行，由于焊接的起始点和收尾点比常温更易产生未焊透和积累各种缺陷，因此，单条焊缝的两端必须设置引弧板和熄弧板。引弧板和熄弧板的材料应和母材一致。严禁在母材上引弧。
(4)、合理选择焊缝坡口，对于焊缝等级要求为一级、二级的焊缝采用对称坡口，降低焊缝冷裂纹倾向；所有重要构件、关键部位均由有经验的高水平的合格焊工进行施焊，并随时联系探伤人员进行超声波探伤检测进行自检，确保焊接质量达到设计及规范要求。
四、结束语
室外钢结构制作必须搭设有效的防风棚，按照规范对焊丝焊剂进行了烘焙。同时焊缝焊接前进行了预热，焊接后，按照方案进行消氢热处理，消氢后用岩棉卷对焊缝区域进行覆盖，防止焊缝过快冷却，确保焊缝质量。
【参考文献】建筑钢结构施工手册
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。