1引言

    国外对梁柱节点的研究主要是集中在结构的生产和设计上，通常H型钢可直接用于梁和柱，焊接和高强度螺栓混合连接，因方便安装，使钢结构建设速度大大提高。在美国洛杉矶地震和日本坂田地震后，通过考察发现，断裂大多发生于梁端节点下翼缘焊缝，且断裂处无明显塑性变形和局部弯曲情况，美国和日本在原先的焊栓混合的基础上对梁柱节点进行改进，提出“强柱弱梁”的设计理论，利用梁的屈服产生的塑性变形来吸收地震所产生的能量，确保整个构件的安全，在此基础上，相继出现了腹板工艺孔、狗骨型梁柱节点、槽型梁柱节点的钢结构。 Q550钢是一种具有良好强度、塑韧性、组织性能及可焊接性的低合金高强钢，一旦被研究透彻能够广泛应用于钢结构工程实践，这将会是继北京“鸟巢”Q460E-Z35钢的又一次钢结构使用革命，将助力于我国大型基建的又一次发展。

 2 Q550 钢梁柱节点模拟焊件焊接工艺

2.1 焊接方法的选择

Q550低合金高强钢梁柱节点现场组焊可以采用的焊接方法主要有焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊（MIG、MAG)、二氧化碳气体保护焊等焊接方法。根据工程实践，熔化极氩弧焊（MAG)对低合金高强钢有合乎要求的工艺性能和使用性能。综合分析对本次Q550钢梁柱节点模拟焊件现场组焊用富氩（80%Ar+ 20%CO₂)自动保护焊进行施焊，可以大大的提高生产效率、节约成本。

 2.2 焊接材料的选择

结合Q550钢力学性能，低合金高强钢由于强度高，钢材塑韧性低，如果仍采用等强或高强匹配，焊缝韧性将进一步下降，将导致焊缝金属韧性不足而出现低应力破坏。因此高强钢焊接采用等韧性低强匹配原则，选用焊缝接头韧性不低于母材的低强匹配是比较合理且只要强度不是低太多（不低于母材87%），低强匹配的焊接接头强度可能与母材等强，尤其是梁柱节点“强柱弱梁”的设计上，利用梁的屈服产生的塑性变形来吸收地震所产生的能量，确保整个构件的安全，对韧性的要求体现得更为重要，且等韧性低强匹配具有较高的抗裂纹能力，综合分析最终选定大西洋焊材厂生产的CHW-60C（ER55-G)焊丝，直径为1.2mm，焊接采用的保护气体为富氩混合气体（80％Ar 20％CO₂）。

    CHW-60C低合金高强钢镀铜气保焊丝由于添加了适量的Ti，即使是大线能量焊接情况下也能通过形成微小TiN、TiC等晶核细化晶粒并使之形成以大量针状铁素体为主的细晶粒组织；此外钛Ti的加入还有利于稳定电弧和减少飞溅的作用。同时通过控制C、Mn、Si的成分含量范围和严格限制S、P等杂质含量，将能获得优良的综合焊缝力学性能，另外加入适当的Mo在获得足够焊缝拉伸性能的基础上又几乎不影响焊缝的塑韧性。

2.3 坡口及衬垫加工

     本次Q550钢梁柱节点模拟焊件采用刚性接头焊件焊接工艺，通过附加衬垫的刚性固定来模拟梁柱节点组焊。衬垫厚度取5mm，长度为焊缝长度加引出板和引入板的长度，宽度为大于等于20+n（n为装配间隙），衬垫材料选择Q550，焊接完成后在力学性能试验前用铣床去掉衬垫，不能用锤击的办法强制去除，这可能会伤及焊缝和热影响区影响后面的测试。

2.4 坡口装配

现行技术国家标准对复杂建筑钢结构焊接工程而言，覆盖面有限，重点反映在厚板焊缝的错边量和复杂钢结构焊缝超过标准等问题，中冶集团教研总院焊接研究所关于“鸟巢”焊接的“宽间隙处理”方案的成功案例。综合评定本次梁柱节点模拟焊件间隙初步设定为5~8mm。装配过程中要严格执行图纸的相关装配要求，在施焊前要复检间隙、角度、焊缝原始宽度和衬垫等是否合乎要求。具体坡口装配如下图1所示：

图1  焊接坡口装配

2.5焊前预热

冷裂纹主要受淬硬组织[M]、扩散氢[H]含量和拘束应力[R]的影响，根据曾乐的《现代焊接技术手册》给出的预热温度的经验公式，带入解得T0= 176.4℃。综合实际焊接条件预热温度为150~200℃，采用火焰预热的方式进行预热。层温太大会降低焊缝的韧性，低于预热温度会产生淬硬倾向，达不到预热的效果，力学性能要求不达标并有可能产生裂纹，所以每次每道焊接完成后要用测温枪多次测定距母材边缘50mm的热影响区温度，严格控制层温在150~300℃。

2.6 焊接参数确定

焊接参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度等。前期通过查询相关文献和技术手册，然后在实验室通过用Q345钢板面的堆焊进行成型系数的初步探索和进行板对接的分层分道深层探索，最后综合判断得出三组合理梯度的焊接所需参数。为了提高生产效率和焊接接头质量，往往采用较大的焊接电流和焊接速度,焊接速度可选择0.2~2cm/s,结合工程实际选择0.5cm/s。

2.7 焊接过程控制

本次梁柱节点模拟焊件坡口形式为单边V型坡口，由于板厚度大，焊枪根部的可达性差，为尽可能的让根部熔合得更好，减少因未熔合反面清根的工作量，打底均采用电流230A，电压24.6V，焊接速度0.5cm/s，气体流量12~15L/Min的焊接规范。线能量,根据标准对不同的焊接方法值的规定，本次混合气体保护焊取0.8.根据大量的实验室数据的探索和结合MAG焊溶滴过渡形式最终选定参数如下表1所示：

表1   MAG焊实际稳定焊接参数

     采用一元控制模式的直流正极性，焊接过程中为了减小因干伸长和喷嘴大小的限制，让焊枪更好的达到根部除了采用“宽间隙处理”办法外，还适当的调整焊枪倾角约20°~30°左右和施加反变形来增大相对间隙，严格控制层温，进行多层多道焊接，每焊完一道要严格的清理和自检，有缺陷及时打磨补焊，按打底、填充和盖面完成焊接，焊后进行缓冷至室温，经超声波检查合格进行相关试验和检测。

 3 焊后性能检验

焊后力学性能试验包括拉伸和冲击实验。通过这些试验数据结合母材力学性能和焊接金相显微组织进行关联性综合分析判断焊接工艺参数的合理性以确定出合适的焊接工艺。

3.1 拉伸性能试验

本次采用的低强等韧性匹配，低强匹配的焊接接头强度可能与母材等强，尤其是梁柱节点“强柱弱梁”的设计理论的指导下，利用梁的屈服产生的塑性变形来吸收地震所产生的能量，确保整个构件的安全，对韧性的要求体现得更为重要且等韧性低强匹配具有较高的抗裂纹能力，具体见下表2：

 表2   各拉伸试样实验结果

根据拉伸实验可知拉伸性能合格，断裂位置在各个区域都存在，不局限于焊缝或热影响区，表明焊缝虽然为低强匹配，但通过多层多道焊接工艺，前一道焊缝对后一道焊缝进行了回火热处理，细化了组织晶粒和消除了应力。表明3种方案焊接的拉伸性能均合格，随着热输入的增加，屈强比有所降低的趋势，主要是组织最后转为塑性储备更好的针状铁素体。在允许的范围内体现为随着热输入的增加延伸率增加，但如果热输入继续增加将导致金相组织的粗大，延伸性将体现为下降的趋势，将降低综合力学性能。

3.2 冲击性能检测

梁与柱的“强柱弱梁”设计理念，焊接材料为等韧性低强匹配，焊接过程中严格控制层温和道温。根据GB/T12778-2008《金属夏比冲击断口测试方法》的要求，本次的Q550实验温度为-20℃，要求冲击韧性≥34J，采用酒精冷却的方式对冲击试样进行冷却，冷到设定的温度后保温10min后立即在进行摆锤冲击。

                             表3    冲击韧性(Akv/J)                   -20℃

根据冲击韧性数据分析，同种热输入的热影响区的冲击功比焊缝的高,是因为母材的冲击功（-20℃的平均值为126J）本来就比焊材熔敷金属的冲击功（平均110J）高，本次实验所用的热输入不大，但对于大线能量的焊接方法，且随着热输入的增加，焊缝区的冲击韧性有所降低，热影响区的降低，根据表3的数值，冲击韧性均合乎标准要求。

4结束语

根据上述的数据进行关联分析和总结可以得出如下结论：

（1）焊接过程采用等韧性匹配的气体保护焊焊丝ER55-G，单边V型坡口，通过附加衬垫的刚性固定来模拟梁柱节点组焊，同时采用“宽间隙处理”设计，预热温度为150~200℃，严格控制层温在150~300℃利用富氩气体保护进行多层多道焊，均成型良好。

（2）通过对焊接接头拉伸和冲击实验数据综合分析，本次Q550钢模拟梁柱节点焊件强度、塑性、韧性等力学性能均良好，达到了与母材相同性能，试验范围内的焊接参数均符合焊接工艺要求，但综合考虑热影响和熔合区的金相组织情况，应该将热输入控制制在11KJ/cm左右。

参考文献

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[2]熊涛，王世森，董汉雄，等.控轧控冷工艺对低合金高强度钢Q550力学性能的影响[J].热加工工艺，2012,18（2）：1-3

[3]戴为志，刘景凤.建筑钢结构焊接技术-“鸟巢”焊接工程实践[M].2008