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摘要：中厚板焊接技術(shù)在延長石油科研中心工程中的應(yīng)用 五、摘要：本文研究典型超高層鋼結(jié)構(gòu)工程中厚板的焊接問題,采用焊接工藝措施和焊接工藝參數(shù)調(diào)整有效的控制焊接裂紋和其它焊接缺陷,保證了焊接質(zhì)量,對中厚板的焊接工藝和焊接質(zhì)量控制進(jìn)行了較深入的分析。 ...

 中厚板焊接技術(shù)在延長石油科研中心工程中的應(yīng)用

呂文學(xué)

陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司

    隨著建筑技術(shù)日新月異的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)體系的種類不斷的朝輕質(zhì)、高強(qiáng)的方向發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)在建筑中使用率越來越高。尤其是在超高層建筑結(jié)構(gòu)中更是大量使用鋼結(jié)構(gòu)。

    一、工程概況

    陜西延長石油科研中心鋼結(jié)構(gòu)工程建筑總高度為217.3m，地下3層，地上46層，總建筑面積217000m2，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，有圓管柱、箱型柱、十字柱及H型鋼柱、梁等，壁厚達(dá)到40㎜，鋼梁對接翼緣板厚度達(dá)到60㎜。本工程所用材質(zhì)為Q345B，焊縫為全熔透坡口焊，工藝復(fù)雜，難度大，因此項(xiàng)目部做了充分的工藝試驗(yàn)及嚴(yán)格的工藝評(píng)定。本工程按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2001)和《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級(jí)和評(píng)定》(GB/T 11345-2013)對全熔透焊縫實(shí)施B級(jí)檢驗(yàn)、II級(jí)判定，一級(jí)焊縫，100％超聲波探傷。

    圓管柱為全熔透焊接，直徑1400㎜，最大壁厚40㎜，有兩種接頭形式，柱與柱對接用墊襯直接焊圓管內(nèi)壁上，坡口角度為30°間隙5㎜，如（圖1）；鋼梁與柱連接為腹板栓接，上下翼緣板焊接，如（圖2）。焊縫質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。而且現(xiàn)場90%的焊接位置為橫焊。

圖1、柱柱對接

 

圖2、鋼梁對接

    二、焊接質(zhì)量控制重要性

    焊接已成為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，焊接質(zhì)量也直接影響鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及使用年限，所以焊接是確保鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

中厚板現(xiàn)場焊接時(shí)填充焊材熔敷金屬量大，焊接時(shí)間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時(shí)焊縫拘束度高、焊接殘余應(yīng)力大，焊后應(yīng)力和變形大。施焊過程中，易產(chǎn)生冷、熱裂紋。

    三、焊接工藝與措施

    為了保證焊接質(zhì)量及進(jìn)度要求，現(xiàn)場采用CO2氣體保護(hù)焊。焊接選用藥芯焊絲，牌號(hào)為E501T-1。CO2氣體純度為99.97%（體積比），含水量低于0.05%（重量比），瓶內(nèi)高壓低于1MPa時(shí)應(yīng)停止使用。施焊前要先對氣瓶倒立控水，檢查氣體壓力表的指示并檢視氣體流量。焊絲包裝要完好，如有破損面導(dǎo)致焊絲污染或彎折、紊亂時(shí)應(yīng)去除或更換。焊機(jī)電壓應(yīng)正常，地線壓緊牢固，接觸可靠，電纜及焊絲無破損，送絲機(jī)應(yīng)能均勻送絲，氣管應(yīng)無漏氣或堵塞。

    針對本工程特點(diǎn)制定了相應(yīng)的焊接工藝，并對焊工進(jìn)行了現(xiàn)場考核。

    中厚板在焊接前，鋼板的板溫較低，特別是進(jìn)入冬季，構(gòu)件的溫度在2℃左右，初始焊接時(shí)，電弧熔池的溫度高達(dá)1200～1300℃，在板溫冷熱驟變的情況下，溫度分布不均勻，使得焊縫熱影響區(qū)容易產(chǎn)生淬硬，焊縫金屬變脆，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大，為避免此類情況發(fā)生，焊前選擇合理的焊接順序并對母材進(jìn)行加熱。

    1、定位焊：定位焊是厚板焊接施工過程中最容易出現(xiàn)問題的部位。由于厚板在定位焊時(shí)，定位焊處的溫度被周圍的“冷卻介質(zhì)”很快冷卻，造成局部過大的應(yīng)力集中，引起裂紋的產(chǎn)生，對材質(zhì)造成損壞。我們把母材溫度加熱到120℃，提高了預(yù)加熱溫度，加大定位焊縫長度和焊腳尺寸。

    2.、采用多層多道焊：在厚板焊接過程中由于焊縫金屬填充量較大，焊接收縮量大，易產(chǎn)生層間撕裂，堅(jiān)持的一個(gè)重要的工藝原則是多層多道焊，擺動(dòng)寬度不易過大，如圖3。柱一梁焊接先由兩名焊工同時(shí)焊接柱子對稱側(cè)的兩個(gè)焊口，先焊接梁的下翼緣。梁腹板兩側(cè)翼緣的焊道要保持對稱焊接，可由一名焊工在腹板一側(cè)先焊l-2層后換至另一側(cè)焊接，焊完2-4層后再換一側(cè)施焊，反復(fù)倒換直至焊完。各焊道的接頭在上下層間要錯(cuò)開。然后焊接上翼緣，仍由2名焊工同時(shí)對稱施焊。這是因?yàn)楹癜搴缚p的坡口較大，單道焊縫無法填滿截面內(nèi)的坡口，擺動(dòng)焊接會(huì)造成母材對焊縫拘束應(yīng)力大，焊縫強(qiáng)度相對較弱，容易引起焊縫開裂或延遲裂紋的發(fā)生。而多層多道焊前一道焊縫對后一道焊縫來說是一個(gè)“預(yù)熱”的過程；后一道焊縫對前一道焊縫相當(dāng)于一個(gè)“后熱處理”的過程，有效地改善了焊接過程中應(yīng)力分布狀態(tài)，利于保證焊接質(zhì)量。

圖3  多層多道焊接順序

    3、焊接工藝參數(shù)

    為提高過熱區(qū)的塑性、韌性，采取小線能量進(jìn)行焊接。根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果，選用科學(xué)合理的焊接工藝參數(shù)。

層道	焊接方法	焊絲直徑㎜	電流（A）	電壓（V）	氣流量（l/min）	焊接速度(cm/min)
1	CO2	Φ1.2	160	24	15	8
2-12	CO2	Φ1.2	210-220	28-30	16	11
13-19	CO2	Φ1.2	220	29	18	11

   （1）由于后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，采用多層多道焊，每一焊道完工后應(yīng)將焊渣清除干凈并仔細(xì)檢查和清除缺陷后再進(jìn)行下一層的焊接。

   （2）每層焊縫始終端相互錯(cuò)開50mm左右。

   （3）層間溫度保持與預(yù)熱溫度一致。

   （4）每道焊縫一次施焊中途不可中斷。

   （5）焊接過程中采用邊振邊焊技術(shù)或錘擊消除焊接應(yīng)力。

    在邊焊邊振過程中，可以延遲焊縫組織結(jié)晶，使焊縫中的氫等有害雜質(zhì)有更充足的時(shí)間逸出，從而降低焊縫金屬含氫量及雜質(zhì)偏析，減少裂紋及層狀撕裂趨向；可使焊縫晶粒更加細(xì)化，提高焊接接頭塑性和韌性，從而大大提高焊接接頭的機(jī)械性能；焊縫金屬在振動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶，可降低焊接應(yīng)力，提高焊縫抗層狀撕裂及抗疲勞能力。

   （6）焊接過程每道焊縫的寬深比大于1.1。

4、采取合理的焊接順序及坡口形式可降低焊縫內(nèi)應(yīng)力

（1）十字鋼骨柱對接焊接順序

十字鋼骨焊接：

1）先安排兩名焊工下到柱子內(nèi)部圖示灰色區(qū)域，勻速、同步對稱焊接十字柱豎向腹板，接著兩名焊工進(jìn)行十字柱橫向腹板的焊接；

2）十字柱腹板焊接完成后另外兩名焊工下到柱內(nèi)白色區(qū)域，接著兩名焊工同時(shí)、對稱進(jìn)行圖示橫向翼緣的焊接；

3）十字柱橫向翼緣焊接完成后，兩名焊工進(jìn)行圖示縱向翼緣的焊接；焊接完成后割除全部連接耳板。

   （2）塔樓外框柱對接焊接順序

 

圓形鋼柱焊接：

安排四名焊工同時(shí)進(jìn)行鋼管柱的對稱焊接，焊接完成后割除全部連接耳板。

 

箱型柱焊接

1）先安排兩名焊工同步、對稱分段焊接；

2）然后兩名焊對稱進(jìn)行另一邊的焊接，焊接完成后割除全部連接耳板。

方管柱焊接

圓管柱焊接

    5、焊接過程中的檢查：厚板焊接不同于薄板，需要幾個(gè)小時(shí)才能焊接完成一個(gè)構(gòu)件，因此加強(qiáng)對焊接過程的中間檢查與檢控，顯得尤為重要，特別是層間溫度及焊接速度的控制。在清渣過程中，用放大鏡認(rèn)真檢查是否有表面裂紋發(fā)生。如有裂紋，用碳弧氣刨徹底清除并用角磨機(jī)進(jìn)行打磨后在進(jìn)行焊接。

    6、對接焊完后，對焊縫及其兩側(cè)各100～150mm范圍內(nèi)的局部母材進(jìn)行了加熱，加熱溫度250～350℃后用石棉布鋪蓋進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間2～6h后自然冷卻。防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。

焊后預(yù)熱保溫

    四、結(jié)術(shù)語

    中厚板焊接技術(shù)在延長石油科研樓工程上的應(yīng)用，層間溫度、焊前預(yù)熱溫度及焊接參數(shù)得到了有效控制，解決了在焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，從而保證了焊接質(zhì)量也提高焊接速度。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)   文徑網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)

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