闕子雄，張金輝，陳 輝，杜冰冰，王 濤，張建平

(長江精工鋼結(jié)構(gòu)(集團)股份有限公司，浙江 紹興 312030)

1 工程簡介

寧波環(huán)球航運廣場工程為巨型框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)中設(shè)有兩個31.2 m×7.2 m核心筒，核心筒高223 m。核心筒間采用跨度49.2 m、高度1.4～10.4 m的跨層巨型桁架連接。

1.1 桁架節(jié)點概況

桁架節(jié)點是巨型桁架弦桿、腹桿及核心筒柱相互連接的關(guān)鍵節(jié)點，每個巨型桁架承擔著其上約10層框架梁柱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。為使桁架結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)傳遞性，同時保證節(jié)點強度，確保結(jié)構(gòu)的安全性，桁架節(jié)點采取整體式爪型設(shè)計，即節(jié)點翼板采取整體切割下料，如圖1所示。

圖1 桁架節(jié)點連接示意

1.2 桁架節(jié)點制作的重點及難點

(1)桁架節(jié)點鋼板材質(zhì)為Q420C高強鋼，其焊接要求較高，鋼板板厚最大達100 mm，因此如何選擇焊接工藝參數(shù)、避免焊接裂紋、防止層狀撕裂是桁架節(jié)點制作的難點之一。

(2)桁架節(jié)點構(gòu)件外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫集中，故合理制定裝配制作方案和焊接順序、控制焊接變形和殘余應(yīng)力，確保構(gòu)件尺寸精度也是桁架節(jié)點制作難點之一。

2 桁架節(jié)點制作、焊接工藝的研發(fā)

在制定本桁架節(jié)點工藝方案前，先對Q420C厚板高強鋼進行了焊接性分析，以便選擇合適的焊接材料、工藝參數(shù)、焊接方法、預(yù)熱后熱溫度及焊接熱輸入量等，通過焊接工藝評定試驗確定各參數(shù)，以確保桁架節(jié)點制作的可操作性和焊接的可靠性，從而保證了構(gòu)件結(jié)構(gòu)的安全性。

2.1 Q420C厚板高強鋼焊接性分析

該超厚板高強鋼桁架節(jié)點所用鋼板材質(zhì)為高強鋼Q420C，屬于高強度正火鋼，其力學(xué)性能、化學(xué)成分如表1、表2所示，具有良好的綜合力學(xué)性能。

表1 Q420力學(xué)性能指標

表2 Q420主要化學(xué)成分(等級C) (%)

2.1.1 焊接熱裂紋

由表1可知，Q420C鋼含碳量較低，含Mn量較高，而且S、P等有害元素控制較嚴格，其w(Mn)/w(S)=38，具有良好的抗裂性能，焊接過程中熱裂紋傾向較小。

2.1.2 冷裂紋敏感性分析

(1)碳當量。根據(jù)國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的適應(yīng)于中高強度的非調(diào)質(zhì)低合金高強度鋼公式，Q420鋼碳當量計算如下(化學(xué)成分均取平均值):

CE=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Cu/15+

Ni/15≈0.430

碳當量越高，則淬硬及冷裂傾向越大，焊接性越差。Q420C 碳當量 Ceq=0.430＞0.4，屬于淬硬傾向鋼。

(2)焊接SHCCT圖。

連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖可以得出焊接熱影響區(qū)組織性能和硬度，從而預(yù)測Q420C在一定焊接條件下的淬硬傾向和產(chǎn)生裂紋的可能性，同時可以作為調(diào)節(jié)線能量、改進焊接工藝的依據(jù)。

Q420焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變?nèi)绫?所示。

由表3可知，Q420C鋼在焊接時易得到馬氏體、貝氏體淬硬組織，具有一定淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋。在厚板高強鋼焊接時，應(yīng)注意焊前預(yù)熱、控制線能量、后熱緩冷等工藝措施，以防止焊縫冷裂紋的產(chǎn)生。

表3 Q420焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變

2.1.3 熱影響區(qū)脆化

當采用過大焊接熱輸入時，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織而降低韌性。故焊接時可采用熱輸入量較小但能量密度集中的焊接方法防止過熱區(qū)脆化。

2.1.4 層狀撕裂

該桁架爪型節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼板較厚，如果在厚度方向承受較大的拉應(yīng)力，極易沿軋制方向發(fā)生呈明顯階梯狀的層狀撕裂。產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因有金屬夾雜、Z向拘束應(yīng)力和熱影響區(qū)附近的擴散氫。為防止層狀撕裂，母材斷面收縮率Ψz應(yīng)不小于15%，一般以15% ～20%為宜，母材原材料選取時，應(yīng)取Z向性能較優(yōu)的材料，如Z25、Z35。

2.1.5 殘余應(yīng)力

由于厚板焊接熔敷金屬填充量大，焊接收縮變形大，造成相應(yīng)的焊接應(yīng)力分布復(fù)雜。接頭中除了有縱向和橫向殘余應(yīng)力外，在厚度方向還有較大殘余應(yīng)力σz，它在厚度上分布不均勻，主要受焊接工藝的影響，在多層多道焊接時極易引起根部應(yīng)變硬化，使根部焊縫應(yīng)力不斷增大甚至開裂。

綜上所述，Q420C高強鋼厚板焊接時應(yīng)注意以下四個方面:一是防止淬硬組織及其冷裂紋的出現(xiàn);二是控制熱影響區(qū)母材組織性能的變化;三是防止焊接接頭出現(xiàn)層狀撕裂;四是注意控制焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。在桁架爪型構(gòu)件實際制作焊接過程中，需根據(jù)構(gòu)件實際制作情況，制定合理的焊接工藝專項方案，調(diào)整焊接順序、控制焊接工藝參數(shù)、選擇合理焊接方法、焊前預(yù)熱、焊后熱處理等。

3 桁架爪型節(jié)點加工制作工藝［1－6］

3.1 焊縫坡口形式的制定

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)范》抗層狀撕裂節(jié)點形式要求，對該厚板高強鋼桁架節(jié)點翼板與腹板之間焊縫采用K型坡口(根據(jù)焊接工藝評定選定)，如圖2所示。

圖2 焊縫坡口形式

K型坡口既保證了焊接接頭受力均勻，又提高了接頭抗層狀撕裂能力，焊縫組織晶粒得到細化、焊縫剖面面積減小、熱輸入量相應(yīng)減小，焊縫沖擊韌性得到提高，焊接變形明顯下降。

3.2 節(jié)點余量加放要求

(1)縱向收縮變形。

式中 Aw為焊縫截面積(單位:mm2);A為桿件的截面積(單位:mm2);L為桿件長度(單位:mm);ΔL為縱向收縮量(單位:mm)。

GMAW:K1=0.043;SAW:K1=0.071 ～0.076。

(2)橫向收縮變形。

式中 ΔB為對接接頭橫向收縮量;FH為焊縫橫截面積;δ為板厚。

根據(jù)經(jīng)驗公式(1)、(2)，爪型節(jié)點翼板在每個爪子長度方向加放4 mm焊接收縮余量，寬度方向不加放余量;節(jié)點腹板在長度、寬度方向分別加4 mm、6 mm焊接收縮余量。

3.3 整體裝配順序

裝配原則:裝配時盡量保證桁架節(jié)點截面尺寸精度，因貫穿直腹板方向是主要受力方向，故尤其應(yīng)控制貫穿直腹板方向截面尺寸;其次，注意節(jié)點各個外部環(huán)板上的孔距位置精度，確保現(xiàn)場鋼筋的安裝。

(1)將下翼板放置于水平組裝平臺，在下翼板上表面劃出100 mm裝配基準線、直腹板中心線，然后根據(jù)基準線劃出各個腹板、加勁板的裝配位置線，如圖3所示。

(2)在下翼板上按劃好的裝配位置線組裝縱向直腹板和橫向直腹板，尺寸檢查合格后，先焊接兩橫向直腹板與縱向直腹板之間的焊縫，再焊接縱向直腹板與下翼板之間的焊縫，最后焊接兩縱向直腹板與下翼板之間的焊縫，如圖4所示。

圖4 直腹板裝配示意

(3)按圖紙要求裝配上翼板，上下翼板之間的高度尺寸預(yù)留6 mm收縮余量，尺寸檢查合格后，將構(gòu)件翻轉(zhuǎn)使焊縫處于平角焊縫位置，先焊接縱向直腹板與上翼板之間的焊縫，然后焊接兩橫向直腹板與上翼板之間的焊縫，如圖5所示。

圖5 上翼板裝配示意

(4)裝配剩余三塊斜腹板，并焊接其與上下翼板之間的焊縫，如圖6所示。

圖6 斜腹板裝配示意

(5)按圖紙要求裝配加勁板，因橫向直腹板、斜腹板、加勁板三者組成的內(nèi)部空間區(qū)域狹小，故加勁板與橫向直腹板、下翼板之間的全熔透焊縫采用背面加墊板方式進行焊接，如圖7所示。

圖7 內(nèi)隔板裝配示意

(6)將坡口加工完畢后進行牛腿腹板與翼板的散件拼裝，組立完畢后進行全熔透焊縫焊接，如圖8所示。

圖8 牛腿散件拼裝示意

(7)在上翼板上表面、翼板下表面劃出牛腿裝配位置線，將H鋼牛腿裝配到爪型構(gòu)件上，焊接完畢進行構(gòu)件整體尺寸檢查及UT檢測，如圖9所示。

圖9 牛腿裝配示意

(8)由于端頭箍筋板面積較大，為提高材料的利用率，端部箍筋板采用散件拼焊方法加工制作。在鋼板平臺上采用專用焊接組裝夾具進行制作，以保證箍筋板的外形尺寸，如圖10所示。

圖10 箍筋板散件拼裝示意

(9)按先中間后兩邊的順序依次裝配爪型構(gòu)件的外環(huán)箍筋板，然后加工構(gòu)件各個端頭的現(xiàn)場坡口，最后安裝端頭連接耳板，待全部裝配焊接完畢后進行整體尺寸復(fù)檢，如圖11所示。

圖11 爪型構(gòu)件軸測圖

4 爪型節(jié)點焊接工藝

4.1 焊接材料的選擇

根據(jù)等強匹配原則選擇ER55－G級焊絲作為Q420C鋼材的焊接材料。

4.2 焊接方法的選擇

選擇CO2氣體保護焊進行焊接，該方法能量密度高、低氫、高效、大熔深，減少了焊接次數(shù)，提高了接頭抗裂能力。

4.3 預(yù)熱后熱溫度確定

4.3.1 預(yù)熱溫度的確定

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)范》鋼板預(yù)熱要求，厚度大于等于40 mm的鋼板焊接前需進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度如表4所示。

表4 鋼板預(yù)熱溫度

4.3.2 保溫緩冷處理

焊接完畢后，緊急進行后熱處理，后熱溫度300℃ ～350℃，時間2 h。后熱完成，采用巖棉被保溫緩冷至環(huán)境溫度，使擴散氫迅速逸出，防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。

4.4 坡口加工要求

厚板接頭拘束度大，因接頭填充量大帶來焊接變形和應(yīng)力高，且厚板焊接冷卻速度快，易發(fā)生層狀撕裂。因此，坡口加工時在火焰切割后進行切割斷面檢查，并對坡口面及附近50 mm范圍內(nèi)區(qū)域表面硬化組織進行打磨，清除割渣、氧化皮等雜物，對零件切割質(zhì)量不符合要求處進行修補、打磨。提高坡口面的加工精度，消除材料表面的微小應(yīng)力集中點和硬化組織，從根本上杜絕層狀撕裂出現(xiàn)的充分條件。

4.5 焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的控制

4.5.1 焊前預(yù)防措施

焊前剛性固定組裝，采用剛性胎架或者加臨時支撐方法固定桁架爪型節(jié)點主體。

4.5.2 焊接過程的控制措施

通過控制焊接順序，實施有效順序凝固，減少焊接應(yīng)力疊加。爪型節(jié)點主體焊縫焊接順序如圖12所示。

圖12 焊接順序

宏觀順序要求:焊縫①、②焊接完畢后，再進行焊縫③、④的焊接。焊縫①、②采取交替方式進行焊接，即先將焊縫①(焊縫①側(cè)為三分之二坡口深度側(cè))焊接至坡口深度的二分之一，然后在焊縫②側(cè)進行碳弧氣刨清根，直至清除未熔合焊縫區(qū)，再在打磨碳弧氣刨區(qū)后進行氣保焊焊接，焊接至兩側(cè)焊縫厚度相對于中心對稱時，再按左右兩側(cè)各焊接一層焊縫的順序依次兩側(cè)交替焊接，保證每一輪交替焊接完畢，左右兩側(cè)焊縫厚度相對于腹板中心呈對稱狀態(tài)，從而保證左右兩側(cè)熱輸入相差不大，依次反復(fù)，直至兩側(cè)焊縫焊滿為止。

4.5.3 焊后矯正措施

采用局部火焰加熱法矯正焊接變形。

4.6 焊接熱輸入

焊接線能量能調(diào)節(jié)有效冷卻速度t8/5。從焊接性分析中可知，適當提高線能量可增加t8/5和t100冷卻時間，減少冷裂傾向;但是線能量過大，會引起熱影響區(qū)過熱，使晶粒粗大，降低接頭的抗裂性能。選擇最佳的焊接線能量是保證構(gòu)件焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

根據(jù)Q420C鋼材的SHCCT圖確定t8/5的臨界值為:t8/5［max］=56s，t8/5［min］=10s，預(yù)熱溫度為150℃，根據(jù)三維導(dǎo)熱條件下的t8/5與焊接線能量的理論經(jīng)驗計算公式，80 mm厚鋼板的氣保焊焊接t8/5與E之間的關(guān)系為

式中 E為焊接柱線能量;η為CO2氣保焊相對熱效率，η=0.85;T0為被焊件的初始溫度，T0=150℃;F3為三維傳熱時接頭系數(shù)，F(xiàn)3=0.95。

計算得到

最終得到線能量最佳范圍的計算結(jié)果為15 783～88 387 J/cm。

在實際焊接過程中，為了降低淬硬傾向，防止冷裂紋的產(chǎn)生，由焊接工藝評定試驗得出焊接線能量應(yīng)控制在16～45 kJ/cm的最佳范圍內(nèi)，具體焊接參數(shù)如表5所示。

表5 焊接參數(shù)

5 結(jié)論

以寧波環(huán)球航運廣場工程厚板高強度復(fù)雜桁架節(jié)點的加工制作工藝為例，通過分析Q420C厚板高強鋼的焊接性，提煉出厚板高強鋼焊接方面的預(yù)熱、焊接順序及焊接熱輸入量等注意事項，同時進行焊接工藝評定相關(guān)試驗，以確定相關(guān)焊接參數(shù)，以此來闡述厚板高強鋼焊接工藝的制定流程。

［1］《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50205－2001)［S］.

［2］《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50755－2012)［S］.

［3］《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661－2011)［S］.

［4］《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》(JGJ81－2002)［S］.

［5］《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99－98)［S］.

［6］戴為志，黃明鑫，蘆廣平，等.國家體育場(鳥巢)鋼結(jié)構(gòu)安裝工程焊接技術(shù)［J］.電焊機，2008，38(4):51－77.