现场焊接、火焰切割对钢材性能的影响有哪些？如何减少其影响？​

作者丨蔺韬

单位丨中建五局三公司钢结构公司

很多时候钢构件由于受运输长度的限值、节点构造的要求以及吊装等需求，有很多钢构件、节点需要现场焊接，而吊装耳板，引弧落弧板时常需要进行现场切割，以上措施均会对钢材产生或多或少的影响。究竟对钢材有什么影响，如何减少其影响，受到影响后有什么措施矫正是本文着重讨论的问题。

现场焊接、火焰切割对钢材进行焊接会造成以下三种后果：

（1）焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。

（2）焊弧的高温使临近焊缝的钢材发生组织变化。

（3）局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力。

焊缝金属较钢材碳含量较低，而氮、氧、氢较高（氮、氧的危害详1.1），且焊缝金属冷却快，因而含氧量、气泡和杂质较多，如果延长冷却过程，可以降低氧的含量，此外采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊使熔化金属和空气更好的隔离，可以不同程度地降低氮、氧含量。

1.过热区；2.正火区；3.部分重结晶区

图 1.1 焊接热影响区

焊缝金属氢含量高，当冷却快时，氢能使焊缝内部出现微观裂纹（图1.2），因此受潮的焊条需要烘干，重要的结构还要用低氢型焊条E4315、E4316以及E5015、E5016，以避免出现裂纹。而预热可使冷却过程延长，有效减少氧、氢含量，改善焊接性能。《钢结构焊接技术规范》（GB50661）规定，厚度大于40mm的Q235钢和厚度大于20mm的Q345钢，在焊接时需要预热，并对最低预热温度有所规定。

图 1.2 焊接裂纹

焊弧的热量使主体金属有一小部分熔化。邻近熔化区受到高温影响的部分叫做热影响区，如图1.1所示。过热区的温度达到1100℃以上，它的晶粒粗大，强度和硬度提高，塑性和韧性降低，有时会出现韧性很低的针状组织。正火区是温度达到900~1000℃的区域，这一区域的力学性能很好，强度、塑性、韧性都比较高。部分重结晶区是温度达到700~900℃的区域，这一区内晶粒粗细不匀，因此力学性能不太好。采用电弧焊时，热影响区的宽度并不大，总共不过几个毫米，一般手工焊时约为6mm，而自动焊时只有2.5~3mm。

不过该区属于焊接连接的薄弱部位。如果输入热量不大而冷却速度很快，有可能出现淬硬现象导致裂纹。所谓淬硬现象就是淬火使钢材强度提高的同时使得塑性和韧性降低。钢材的淬硬性取决于它的碳当量CEV。一般来说，钢材的强度等级越高，碳当量也越高；碳当量越高，越难焊接（如表1.1所示）。当碳当量超过0.38%，尤其是超过0.45%时，必须按照《钢结构焊接规范》对焊件进行预热。按照焊接规范要求施焊的结构在热影响区开裂的情况并不多。

表1.1 钢结构工程焊接难度等级

由于钢材焊接时构件截面温度梯度很大，而且存在局部性的塑性压缩，冷却后的焊缝及其近旁的母材残余拉应力很高，经常达到材料的屈服点，并伴随着一些残余变形。在整个截面上拉压两部分残余应力自相平衡。由于构件内力重分布的影响，残余应力的存在对受拉构件承载力几乎没有影响，但是会影响构件的刚度，进而影响构件的稳定承载力。因此焊接残余变形如果超过《钢结构工程施工质量验收标准》的规定时（图1.3所示），则必须加以矫正，以免影响构件的稳定承载力，甚至让结构的二阶效应变大。

图 1.3 焊接热变形引起的构件弯曲

减少焊接残余应力和焊接残余变形的措施除了合理的设计焊缝之外，还应采取一定的工艺措施：

（1）采用合理的施焊次序。例如，钢板对接时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，钢板分块拼接等。

（2）预加反变形。在施焊前给构件一个与焊接变形方向相反的预变形，使之在焊接后与焊接变形相互抵消，从而达到减小焊接残余变形的目的。

（3）对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火。也可采用机械方法或氧乙炔局部加热反弯以消除焊接变形。

钢板时常用氧气切割成需要的宽度，火焰切割的高温和焊缝一样会造成残余应力和变形。在此不再赘述。

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