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？​

作者丨林涛

单位丨中建五局第三公司钢结构公司

在许多情况下，钢构件受到运输长度限制、节点结构要求和吊装要求的影响。 许多钢构件和节点需要现场焊接，吊耳板和起弧落弧板往往需要现场切割。 上述措施都将对钢材产生或多或少的影响。 它对钢铁有什么影响，如何减少其影响，受到影响后采取什么措施纠正，是本文讨论的问题。

钢材的现场焊接和火焰切割会造成以下三种后果：

(1)焊缝金属为铸造组织，与轧制钢材不同。

(2)焊接电弧的高温引起焊缝附近钢材的组织变化。

(3)局部高温引起钢材塑性变形，冷却后留下残余应力。

焊缝金属的碳含量比钢低，但氮、氧、氢含量较高（氮、氧的危害详见1.1），而且焊缝金属冷却快，因此含有较多的氧、气泡、杂质。 如果冷却过程延长，可以降低氧含量。 另外，采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊，可以更好地隔离熔融金属和空气，可以不同程度地降低氮和氧的含量。

1、过热区； 2、正火区； 3、部分再结晶区

图1.1 焊接热影响区

焊缝金属氢含量高。 当快速冷却时，氢气会导致焊缝内部产生微观裂纹（图 1.2）。 因此，受潮的焊条需要进行干燥处理。 对于重要结构，采用低氢焊条E4315、E4316和E5015、E5016以避免裂纹。 预热可以延长冷却过程，有效降低氧、氢含量，提高焊接性能。 《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，并规定了最低预热温度。

图1.2 焊接裂纹

焊接电弧的热量导致一小部分块状金属熔化。 邻近熔化区的受高温影响的部分称为热影响区，如图1.1所示。 过热区温度达到1100℃以上。 其晶粒粗大，强度和硬度增加，塑性和韧性降低，有时出现韧性很低的针状组织。 正火区是温度达到900~1000℃的区域。 该区域的机械性能非常好，强度、塑性、韧性都比较高。 部分再结晶区是温度达到700~900℃的区域。 该区域晶粒粗细不均匀，因此力学性能不是很好。 采用电弧焊时，热影响区宽度不大，总共只有几毫米。 一般手工焊为6mm左右，自动焊仅为2.5~3mm。

然而，该区域是焊接连接的薄弱部分。 如果输入热量不大但冷却速度很快，则可能发生硬化并导致裂纹。 所谓淬硬现象是指淬火在提高钢的强度的同时，也降低了塑性和韧性。 钢的淬透性取决于其碳当量 CEV。 一般来说，钢的强度等级越高，碳当量越高； 碳当量越高，焊接越困难（如表1.1所示）。 当碳当量超过0.38%，特别是超过0.45%时，焊件必须按照《钢结构焊接规范》进行预热。 按照焊接规范要求焊接的结构，热影响区出现裂纹的情况并不多。

表1.1 钢结构工程焊接难度等级

由于钢材焊接时构件断面温度梯度较大，且存在局部塑性压缩，冷却后的焊缝及其附近母材的残余拉应力很高，往往达到材料的屈服点，并伴有一些残余变形。 拉伸和压缩部件中的残余应力在整个截面上自行平衡。 由于受构件内部力重分布的影响，残余应力的存在对受拉构件的承载能力几乎没有影响，但会影响构件的刚度，从而影响构件的稳定承载能力。 因此，如果焊接残余变形超过《钢结构工程施工质量验收标准》的要求（如图1.3所示），必须进行修正，以免影响构件的稳定承载能力，甚至增加二阶效应。的结构。

图1.3 焊接热变形引起的元件弯曲

为了减少焊接残余应力和焊接残余变形，除了合理设计焊缝外，还应采取一定的工艺措施：

(1)采用合理的焊接顺序。 例如钢板对接时采用分段背焊，厚焊缝采用分层焊，钢板分块拼接等。

(2)预加抗变形。 焊接前，对构件给予与焊接变形相反方向的预变形，使其抵消焊接后的焊接变形，从而达到减少焊接残余变形的目的。

(3)对于小型焊件，应进行焊前预热或焊后回火。 机械方法或局部加热并用氧乙炔再弯曲也可用于消除焊接变形。

通常用氧气将钢板切割成所需的宽度。 火焰切割的高温会像焊缝一样产生残余应力和变形。 我这里就不详细说了。