摘要

銲接組合箱型柱之内横隔板,在製作過程,一般係採用箱型柱四面柱板中之三面首先組立成"U"形斷面後,橫隔板有二對邊可先以人工銲接或半自動銲接方式,將橫隔板與柱板內側先進行全滲透開槽銲接。另二對邊須待組立成"口"形斷面後,再採用電熱熔渣銲接,這樣才有辦法進行柱內橫隔板銲接。但因電熱熔渣銲接須設置背襯板,致阻礙了角隅局部範圍,無法進行全滲透開槽銲接,造成存有局部天然初始裂縫現象。雖然箱型柱之内横隔板四邊,全採電熱熔渣銲接,可解決局部天然初始裂縫的問題,但須藉由設計與施工手段配合,來降低電熱熔渣銲高入熱量的影響程度。因此二害相權取其輕,建議梁柱接頭内之橫隔板四邊,均採電熱熔渣銲接,並配合採用「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,其消能效果佳,可大幅減低梁-柱接頭電熱熔渣銲道之強度需求及韌性需求。

一、
前言

台灣位於環太平洋地震火環帶上,也位於颱風經過之路徑上,結構物之設計,須考慮來自各方向之地震力與風力,因此鋼結構高樓房屋建築物,為了使其能承受各方向之地震力與風力,結構柱已普遍使用銲接組合箱型鋼柱。因柱構材在結構系統中,除須用來承載垂直載重外,還須承載地震力及風力產生之彎矩及軸力,因此高樓房屋結構柱須採用銲接組合箱型柱,且其柱板厚度須較厚,才能滿足高層結構柱承受之載重需求。然而銲接組合箱型鋼柱與鋼梁之接頭處,梁翼板-銲接組合箱型柱板-柱内橫隔板間之銲道,為重要的傳力路徑。製造過程銲接組合箱型柱四面柱板採用電熱熔渣銲接(Electro slag Welding,ESW),對稱同時銲接,這樣才有辦法進行柱內橫隔板銲接。

而電熱熔渣銲接方法產生之入熱量甚高,約為450-900 KJ/cm,相較於遮護金屬電弧銲接Shielded Metal Arc Welding (SMAW) 俗稱「手銲」,入熱量約為35 KJ/cm,或包藥銲線電弧銲接Flux Cored Arc Welding (FCAW),入熱量約為25-30 KJ/cm ,入熱相差高達15至30倍。高入熱量容易造成銲接熱影響區內之鋼板材質産生脆化現象,其金相組織之晶粒會産生粗化現象,對梁柱接頭之韌性,有顯著降低的不利影響,因此其相關設計與施工應該非常謹慎,以免結構傳力路徑上產生弱點,而影響整體結構安全性。

另外,在銲接組合箱型柱板組立成"U"形斷面後,將橫隔板與柱板內側以人工銲接戓半自動銲接,先行銲接的二對邊,此種接合方式在傳力之連續性方面,也是有其缺陷存在,須特別注意。技師報1049期劉澤山技師,在「銲接組合箱型柱內隔板銲道交角之處理建議」一文中,也有提到:內横隔板在組立時,必須在電熱熔渣銲開槽銲道的兩側組立兩塊背襯鈑,以防止電熱熔渣銲接過程中,鐵水外溢。另由照片1中可以看出,在銲接組合箱型柱內横隔板開槽銲道二端處,開槽銲道須保留一小段(約20~25mm),作為背襯板的組立固定的寬度,此小段被背襯板遮住而無法進行開槽及銲接。不僅如此,該處也自然成為銲接起弧或終弧的地方。而銲接起弧或終弧時,電壓電流均屬於不穩定的狀態,常造成銲道瑕疵。超音波檢測又受限於該處為銲道邊界,受到背襯板邊緣底部空隙的反射影響,而致判讀困難,因此大多都對該處的回波忽略。劉澤山技師對該處銲道的可靠度有所疑慮。劉澤山技師注意到這種局部天然裂縫,會導致傳力不連續及銲接品質欠佳的問題,建議另外一種做法如照片2在交角處開扇形開孔,讓兩向的應力在該處釋放,同時瑕疵可以較容易判定,缺點則是銲接長度會稍受影響,如果銲接組合箱型柱尺寸甚小時,使用上須加評估。另外在銲接組合箱型柱之柱內灌漿的設計上,扇形孔也可以作為取代柱內灌漿四個角落的透氣孔用。

惟筆者覺得,其未銲接之寛度更是約長達100mm以上,雖然照片2中之扇形孔,也可以作為取代柱內灌漿四個角落的透氣孔用,但對結構安全上影響頗大,尤其是銲接組合箱型柱尺寸甚小時,或梁之側面偏在柱邊齊平時,影響梁柱接頭之結構安全性更大。因此,筆者建議:若銲接組合箱型柱内橫隔板四邊,均採電熱熔渣銲接,可改善以上缺失。要降低銲接對結構安全性的影響程度,除選用板厚方向韌性較佳,及耐銲接高入熱量之鋼板材質 (例如:CNS SN490C及中鋼SM570M-CHW材質)外,本文針對電熱熔渣銲接,提出設計與施工應考慮之重點探討,減少入熱量對材質的影響,再配合鋼材選用、銲接接合細部設計及品質管控,則應可避免掉這些問題。本文亦分析梁柱接頭内橫隔板四邊採電熱熔渣銲接之可行性,供工程師設計參考,不當之處,尚請工程先進不吝指正。

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照片1 電熱熔渣銲接鐵水外滲出背襯板[2]

 

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照片2 在横隔板轉角處開扇形開孔[2]

二、電熱熔渣銲接簡介

銲接組合箱型柱之柱內橫隔板與柱板間之四邊銲道中,有二對邊可先採用全滲透開槽銲接,至少有二對邊必須採用電熱熔渣銲接(ESW)(見照片3)。全滲透開槽銲接有很多種銲法,各有其適用時機,可以採用遮護金屬電弧銲接(SMAW)、包藥銲線電弧銲接(FCAW)、氣體遮護金屬電弧銲接(GMAW)銲接方法。不論使用那一種銲接方法,銲道入熱量,都可能或多或少會對柱板材質產生影響,也都須要通過非破壞檢驗,來確認銲接品質。不過,由於銲接組合箱型柱內橫隔板之銲接,除了受到銲接組合箱型柱之柱板封閉,致橫隔板之銲道,僅能有一方向之二對邊,採用人工銲接戓半自動銲方式接合,另一向之二對邊則必須採用電熱熔渣銲接。惟亦常有因銲接組合箱型柱內橫隔板之間距太密,而產生人工銲接或半自動銲之銲接,淨空不足的施工性問題,而必須將橫隔板四邊均使用電熱熔渣銲接之情況(見照片4)。

電熱熔渣銲接之效率,較電熱氣體電弧銲接為差,但品質較穩定,國內鋼構廠均為使用電熱熔渣銲接(ESW)。因電熱熔渣銲接入熱量較高(約為450-900 KJ/cm),會致鋼材晶粒組織粗化,衝擊韌性降低等問題,致會影響鋼材之耐震性能,若接頭型式設計或施工不當,承受反復載重後,常會有產生開裂破壞的現象。

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照片3 電熱熔渣銲接之銲接情形

 

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照片4 須四邊採用電熱熔渣銲接之銲接情形

三、橫隔板與柱板連接處銲道產生破壞原因探討

橫隔板與柱板連接處之銲道,若設計或施工不當,可能會產生開裂破壞現象,其主要原因如下:

1、電熱熔渣銲接時熔融區發生偏弧,致銲道產生偏一側現象,導致電熱熔渣銲道有一側銲道熔透不足現象,受力時會産生應力集中現象。

2、銲接組合箱型柱外側接入之梁翼板與銲接組合箱型柱橫隔板之組立精度欠佳,梁翼板中心與柱内横隔板厚度中心,未確實對齊,而產生偏心現象,此種情形,除會導致銲道承受額外的偏心彎矩外,亦會導致横隔板上、下其中一側有應力集中現象。

3、梁翼板由於採用補強式梁-柱接頭,致接頭處梁翼板加上補強蓋板之總厚度,大於柱內橫隔板之厚度,或梁翼板連同翼板下緣填角銲之尺寸(或背襯板上側開槽)總和,大於柱內橫隔板厚度,導致其中一側有應力集中現象。若柱内橫隔板厚度配合増厚,則電熱熔渣銲接入熱量亦會随之加大,對柱板熱影響區的影響程度亦會跟著加重。

4、銲接組合箱型柱之柱板太薄,電熱熔渣銲接時柱板表面溫度過高,導致銲接後柱板表面材質改變,降低韌性衝擊值(fracture toughness)。甚至有熔穿柱板的情形出現。

5、柱板材質欠佳,導致銲接後,柱板熱影響區範圍之韌性衝擊值降低過大。

四、橫隔板與柱板連接處之銲道品質控制

為避免橫隔板與柱板連接處之銲道產生非預期的破壞,建議確實進行下列設計與施工之品管措施:

1、加強電熱熔渣銲接之品質管制,電熱熔渣銲接時應控制熔融區均勻對稱、均勻的熔透及確實塡滿,避免因偏弧,致銲道產生偏一側及熔透不足的現象。當直立式電熱熔渣銲接槽孔為長方形時,建議採用具擺幅功能之設備,確保無偏弧現象。

2、應確實進行銲道熔透對稱程度檢驗,橫隔板厚度中心到電熱熔渣銲道與柱板交接面銲接滲透深度上、下端緣處之距離,通常應不小於1185-2-5,其中td為橫隔板厚度。

3、控制組立或吊裝之誤差,確保橫隔板厚度中心與接入梁之翼板厚度中心對齊,並加強檢驗。

4、使用與梁翼板接合細部總厚度(包括蓋板、額外填角銲道等)相匹配之橫隔板厚度。

5、因橫隔板厚度及接入梁之翼板厚度較厚時,電熱熔渣銲接之銲道亦會隨之増大,為避免入熱量太高,柱板被熔透而致材質改變,因此必須使用與橫隔板厚度及接入梁之翼板厚度相匹配之柱板厚度,柱板厚度不宜小於25mm,以減緩熱影響區之溫度上升。

6、柱板應選用衝擊韌性值較佳之鋼材材質,可參考鋼結構協會「結構用鋼使用時機參考表」中建議,銲接組合箱型鋼柱板採用符合CNS 13812 SN400C或SN490C之鋼材戓中鋼SM570M-CHW規格。

7、配合採用「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」(見照片5),其消能效果佳,可大幅減低梁-柱接頭區,銲道之強度需求、及銲接組合箱型鋼柱柱板面外方向之韌性需求。

8、接入梁之中心儘可能配置於柱中心―致。不得已時,接入梁之側邊,至少距離銲接組合箱型柱之側面外緣,至少2倍板厚以上之距離,以便分散對柱板熱影響區之應力。

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照片5 「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」

五、大尺寸電熱熔渣銲

當柱橫隔板較厚時,電熱熔渣銲之尺寸亦隨之加大,電熱熔渣銲可銲之最大尺寸為多大,才不會產生銲接熔透不足之現象?電熱熔渣銲之銲機,以往因不具橫向擺幅功能,因此較大之銲接尺寸,可能會產生熔透不足之現象。近來較大型鋼構廠所使用之電熱熔渣銲銲機,大多具有橫向擺幅功能,已可克服柱內橫隔板過厚致熔透不足的問題。惟考量銲接熱影響區之材質變化及柱板太薄時可能被熔透,建議設計時柱內隔板與柱板間,相對板厚之決定,在假設粗晶熱影響區不超過柱板中央之情況下,梁翼板厚25mm(含)以下時,最小柱板厚度建議使用25mm(或28mm);梁翼板厚50mm(含)以下時,最小柱板厚度建議使用32mm(或36mm)。另外,考量銲接高熱時合金稀釋現象,銲接入熱量會將背襯板材質的合金成分,滲透進入銲道熔融區,甚至會進入母材熔融區,導致銲材及母材之材質合金成份改變。因此背襯板材質,原則上應使用與母材相同或與母材同等以上的材質。但如所使用的母材為SN系列材質,而背襯板要使用與其同等以上的材料有困難時,也可考慮使用其他對銲接無問題的材質。組合銲接箱型柱之柱內隔板使用電熱熔渣銲接時,其背襯板宜採用CNS 13812 SN490B以上;其他銲接方法之背襯板則可採用CNS
13812 SN490B 或同等品CNS 2947 SM490B。

六、結語

銲接組合箱型鋼柱與鋼梁之接頭,是結構構架中傳力路徑最為重要的位置,而銲接組合箱型鋼柱組合後有封閉特性,致鋼柱與鋼梁之接頭,在對應梁翼板處之柱內橫隔板,採用電熱熔渣銲接(ESW)接合成為不可避免的事實。近因人工手銲之成本較高,若橫隔板四周均採用電熱熔渣銲接方式接合,其銲接品質較易控制,銲接速度又較快。因此在日本,柱內橫隔板四周均採用電熱熔渣銲接之鋼構廠越來越多;但在國内,則因部分設計監造單位擔心電熱熔渣銲接,影響鋼板材質之品質控制不易,恐會影響結構安全,而常會發生爭議,致影響工期及施工成本,或不同意採用柱內橫隔板四邊,均採用電熱熔渣銲接。惟其中二邊採人工全滲透開槽銲道,也有局部無銲接而産生天然初始裂縫,而嚴重影響結構安全的情形。

近來CNS SN490C及中鋼SM570M-CHW材質的開發,對高入熱量銲接的容忍度已大幅提高。為解決業主、監造與鋼構廠間之爭端,中華民國鋼結構協會研究發展委員會,提出解決之建議方案供鋼構業界參考,筆者認為,因「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,為目前商用接頭中可達到最大之塑性轉角,韌性最佳的梁柱接頭型式。若其中二側採用半自動或人工銲接之全滲透開槽銲的方式處理,在二端仍有一小段無法銲接,若梁偏在柱之一側,則易引發銲道撕裂現象。因此二害相權取其輕,建議梁柱接頭内之橫隔板四邊均採電熱熔渣銲接,並配合採用「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,其消能效果佳,可大幅減低梁-柱接頭電熱熔渣銲道之強度需求及韌性需求。且「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」製作簡易,造價低廉,韌性消能效果佳,無維護保養的問題。尤其是「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,不妨礙鋼結構韌性立體剛構架系統之原有空間寬敞之使用機能。故建議除梁柱接頭内之橫隔板四邊,均採電熱熔渣銲接,謹慎控制施工品質外,「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,實為解決剛構架電熱熔渣銲韌性問題之最佳方案。「梯形切削減弱式高韌性梁柱接頭」,係由國立台灣科技大學陳生金教授所研發,原為行政院國家科學委員會之國際性專利,惟已於西元2013年專利期滿,現無專利費用的問題,建議充分利用此項國際級發明。

參考資料

1.梁宇宸 、陳正誠、蔡顯榮 (2008)。"電熱熔渣銲對銲接組合箱型柱板材質之熱影響"。鋼結構設計與施工技術研討會,中華民國鋼結構協會。

2.劉澤山(2017)。"銲接組合箱型柱內隔鈑銲道交角之處理建議"。技師報,第1049期。

 

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