（中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北武漢430000）

0 前言

馬來西亞吉隆坡標志塔位于吉隆坡TRX金融國際中心，工程地下7層，地上93層，地上總高度438.37 m。鋼材材質(zhì)執(zhí)行歐標標準，最高強度等級為S460M，最大板厚達75 mm。其中塔冠工程量約為3 000 t，結(jié)構(gòu)形式為立面斜交網(wǎng)格，構(gòu)件形式為箱型柱/梁、箱型米字節(jié)點、箱型K節(jié)點等。

由于結(jié)構(gòu)設計需要，該項目制作過程中存在大量的T型接頭、十字接頭和角接接頭，且均為厚板、超厚板焊接，在強制約束條件下易發(fā)生層狀撕裂[1-2]。特別是箱型K節(jié)點構(gòu)件（見圖1），在主體的翼緣板側(cè)和腹板側(cè)均存在箱型牛腿構(gòu)件，牛腿焊縫與本體焊縫交叉重疊，節(jié)點區(qū)有很強的拉伸應力，由于鋼材本身存在非金屬夾雜物，極易誘發(fā)層狀裂紋。

圖1 箱型K節(jié)點構(gòu)件

1 層狀撕裂的產(chǎn)生機理及影響因素

1.1 層狀撕裂產(chǎn)生機理

層狀撕裂既可在焊接中及焊后冷卻過程中產(chǎn)生，也可在焊接完成數(shù)周后產(chǎn)生[3－5]。由于結(jié)構(gòu)已安裝且已施加外部荷載，后者的危害性往往更甚。層狀撕裂產(chǎn)生的主要原因是鋼材中含有微量的非金屬夾雜物[6]。這些夾雜物沿鋼材軋制方向平行排列并且與金屬基體的結(jié)合強度較弱，自身強度也很低[7]。當鋼板板厚較大，Z向焊接拘束應力及其他形式拉應力在板厚方向產(chǎn)生的應變超過母材金屬的塑性變形能力，開始在夾雜物與基體金屬弱結(jié)合面處產(chǎn)生微裂紋，隨著荷載的增加，微裂紋開始擴展逐步形成大裂紋，裂紋繼續(xù)擴展，便出現(xiàn)多處相互平行的“平臺”，如圖2所示。這些平臺在剪切力作用下，從一個層狀平面擴展到另一個層狀平面，形成臺階式的層狀撕裂[8]。

圖2 層狀撕裂形成的微觀示意

1.2 層狀撕裂的主要影響因素

（1）鋼材材質(zhì)。

鋼中含有氧、氮、硫等元素，在鋼冷卻和凝固時析出并與鐵和其他金屬結(jié)合成為各種化合物，稱為非金屬夾雜物，常見的有 MnS、SiO2、Al2O3等[9－10]。夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，特別是片狀或條狀分布的硫化物和硅酸鹽，對層狀撕裂敏感性較大。

（2）焊接工藝。

焊縫尺寸、接頭形狀、預熱和焊接方法等都會對層狀撕裂敏感性產(chǎn)生不同程度的影響[11－13]。焊縫尺寸直接影響熱影響區(qū)的大??；焊接坡口形式?jīng)Q定著結(jié)構(gòu)連接的受力方式及焊后的殘余應力；不同的焊接方法產(chǎn)生的焊接熱輸入不同，對層狀撕裂影響程度也不同。最后焊接順序、焊道層數(shù)、預熱溫度和焊后熱處理對層狀撕裂也有顯著影響[11]。

2 箱型K節(jié)點防層狀撕裂防層狀撕裂焊接工藝措施

2.1 焊接接頭及焊接坡口層道設計

箱型主體均開V型雙邊坡口焊縫，在滿足接頭強度的前提下，用焊接量少的部分熔透焊縫取代全熔透焊縫，同時針對不同板厚制定嚴格的坡口深度，如圖3所示。焊接接頭采用多層多道焊接，層道次序考慮接頭局部緩沖效應[14]，每層布置的第一道焊縫均從翼板側(cè)開始，如圖4所示。

圖3 焊接接頭設計

圖4 考慮連接范圍緩沖的焊接層道布置原則

2.2 焊接方法

為控制焊接熱輸入，主體焊縫采用藥芯焊絲氣體保護焊打底、埋弧焊填充蓋面，牛腿焊縫一律采用藥芯焊絲氣體保護焊。其中主體焊縫焊接工藝參數(shù)如表1所示。

2.3 焊接順序設計

（1）箱型構(gòu)件主體焊接順序。

箱型構(gòu)件應力應變狀態(tài)的復雜性使焊接接頭中鋼板Z向受力增加，增加層狀撕裂的傾向性。箱型構(gòu)件主體焊接順序如圖5所示，采取正面坡口焊接完成1/3～1/2，然后完成背面坡口焊縫焊接，再翻身完成正面焊縫焊接，從而控制構(gòu)件的應力應變狀態(tài)。（2）K型節(jié)段牛腿與主體的焊接順序。

箱型牛腿和箱型主體為剛性連接，拘束應力較大，主體區(qū)域易發(fā)生層狀撕裂，特別是圖6中圓圈內(nèi)區(qū)域，因此焊接時必須采用控制層狀撕裂的焊接順序進行，防止層狀撕裂發(fā)生。焊接順序：①完成牛腿1沿主體高度方向且背離牛腿2側(cè)焊縫焊接；②兩側(cè)對稱完成牛腿2沿主體高度方向焊縫焊接，起到端部延伸作用；③完成牛腿1沿主體高度方向且靠近牛腿2側(cè)焊縫焊接；④完成牛腿1/2沿主體寬度方向焊縫的焊接。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖5 箱型構(gòu)件主體焊接順序

圖6 K型節(jié)段牛腿與主體的焊接順序

2.4 預熱、后熱及層間溫度控制

焊前預熱可以有效地控制焊縫金屬的冷卻速度，降低脆硬組織的脆化，提高材料抗層狀撕裂的能力。焊后保溫可降低焊縫脆硬組織和冷裂紋的出現(xiàn)傾向，預防厚板層狀撕裂的產(chǎn)生[6]。預熱及層間溫度控制要求見表2，焊后后熱采用石棉布保溫處理，需符合表3的規(guī)定，預熱及后熱過程如圖7所示。

表2 預熱及層間溫度要求

表3 焊后后熱要求

3 結(jié)論

針對馬來西亞箱型K節(jié)點構(gòu)件，設計合理的焊接接頭形式，減小焊縫填充量；焊道次序考慮連接范圍的緩沖效應，每層布置的第一道焊縫，均從翼板側(cè)開始。箱體主焊縫、K型節(jié)段牛腿與主體的焊縫采取合理的焊接方法和焊接順序，控制構(gòu)件的應力應變狀態(tài)。嚴格控制預熱、后熱及層間溫度，消除焊縫及母材內(nèi)部的焊接殘余應力。通過以上措施，有效避免了層狀撕裂的產(chǎn)生，確保海外項目構(gòu)件的交貨質(zhì)量。

圖7 預熱及后熱過程