楊柯 賴騰飛 蘇鎧 易波

【摘要】本文通過對普聯(lián)項目節(jié)點(diǎn)區(qū)150mm超厚鋼板焊接研究，分析了超厚板焊接前的準(zhǔn)備，焊接過程控制，以及焊接后的焊縫處理等重點(diǎn)，并著重分析優(yōu)化了焊接接頭坡口的設(shè)計，提高了超厚板的焊接效率以及減少了焊縫金屬的填充量，合理地選用焊接工藝，保證了超厚板焊接的進(jìn)度以及質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】超厚板焊接；焊后熱處理；J型坡口

1. 工程概況

1.1 建筑概況

普聯(lián)大廈項目位于深圳市南山區(qū)翠溪路與高新中三道交匯處東北地塊。周邊多為辦公用地和政府團(tuán)體用地，北面為生產(chǎn)力咨詢公司、工業(yè)園生產(chǎn)力大廈，西面為科技園公司，南面為服務(wù)中心等。項目用地面積5151.86m2，地上27層，建筑面積約51500 m2；地下4層，建筑面積14700 m2；采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

鋼結(jié)構(gòu)底層至頂層均有分布，整個結(jié)構(gòu)由南區(qū)、北區(qū)及南北區(qū)間的連接結(jié)構(gòu)組成，整體鋼結(jié)構(gòu)布局對稱。本工程鋼結(jié)構(gòu)主體為鋼框架柱內(nèi)設(shè)置的十字型鋼骨柱，其中地下室14根，地上28根，同時剪力墻內(nèi)設(shè)有大量零散的構(gòu)造H型鋼骨柱工程總用鋼量約為2700t。地上二層板面設(shè)有一層懸挑鋼梁結(jié)構(gòu)，7～9F、14～17F、21～22F空腹桁架層內(nèi)樓面設(shè)有鋼骨梁，樓板為混凝土樓板，在-2層位置有4根鋼柱開始分裂，到了1層的位置分裂成8根鋼柱。鋼柱分裂節(jié)點(diǎn)中有一塊鋼板由150mm過渡到70mm分別對應(yīng)上下作為支撐傳力作用，鋼板最大焊接厚度達(dá)到150mm材質(zhì)為Q345BGJC-Z35，150mm厚度鋼板的焊接是鋼結(jié)構(gòu)制作加工的重難點(diǎn)。

2.超厚板焊接技術(shù)

2.1超厚板焊接特點(diǎn)

超厚板焊接時填充焊材熔敷金屬量大，焊接時間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時焊縫拘束度高、焊接殘余應(yīng)力大，焊后應(yīng)力和變形大。焊接施焊過程中，易產(chǎn)生熱裂紋與冷裂紋以及層狀撕裂。厚板在焊接前，鋼材的溫度較低，焊接開始時電弧的溫度高達(dá)1250～1300℃，厚板在板溫度冷熱驟變的情況下，溫度分布不均勻，使得焊縫熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬——馬氏體組織，焊縫金屬變脆，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大。產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因是由于板材厚度方向上的焊接應(yīng)力達(dá)到一定值后，在夾渣物間斷產(chǎn)生缺口效應(yīng)，造成應(yīng)力集中，當(dāng)它超過材料的變形能力后裂紋就沿著平面方向擴(kuò)展，產(chǎn)生層狀撕裂，整個過程發(fā)生的時間非常短，破壞突然。層狀撕裂不同于通常發(fā)生在焊縫上的熱裂紋和冷裂紋，它是發(fā)生在熱影響區(qū)和靠近熱影響區(qū)母材上的一種特殊裂紋。層狀撕裂通常發(fā)生在T型接頭、十字接頭和角接接頭等。

2.2 焊接工藝技術(shù)

2.2.1 焊接方法選擇

在本工程中，超厚板焊接方法選擇的是實芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊。首先因為是節(jié)點(diǎn)區(qū)，受焊接空間影響不能使用半自動埋弧焊進(jìn)行焊接，只能采取使用操作起來方便靈活，能滿足焊接構(gòu)件所需要的空間要求手工焊的方式來進(jìn)行焊接。其次是CO2氣體保護(hù)焊的線能量小，電弧熱量集中，加上CO2氣流的冷卻作用，使焊接熱影響區(qū)小，焊后殘余變形較手工電弧焊小50%左右。CO2氣體保護(hù)焊焊接后相對手工電弧焊而言除渣容易，基本無需對焊件整形，焊接熔化系數(shù)大，可節(jié)省工時。綜合考慮我們選擇實芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊來進(jìn)行超厚板的焊接。

2.2.2 材料選擇

對于受力復(fù)雜的厚板宜采用有Z向性能要求的鋼板，Z向鋼板的選用可以大大提高鋼板抗Z向拉伸拘束應(yīng)力的能力，從而從源頭解決層狀撕裂的問題。按照要求我們選用的是帶Z向性能要求的Z35鋼板。并且每塊鋼板在焊接前都進(jìn)行UT檢查，有裂紋、夾層及分層缺陷的鋼板不得使用。

根據(jù)國家規(guī)范GB 50661-2011中對焊接材料的推薦使用標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合焊接工藝性能、焊接材料等強(qiáng)匹配原則，以及不同焊接工藝環(huán)境下焊材使用后對母材影響程度來進(jìn)行選用。通過工藝試驗，我們最終選用了金橋品牌的ER50-6氣體保護(hù)焊實芯焊絲。

2.2.3 坡口形式選擇

超厚板坡口設(shè)計時，需要注意幾個方面的問題：一焊接時CO2焊絲的可達(dá)性；二盡量減少焊縫金屬量，減小變形量；三確保焊縫熔透和內(nèi)部質(zhì)量。

常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)厚板T型接頭焊接一般選擇的是K型坡口。如圖3所示。坡口過大，焊縫金屬填充量過大，焊接殘余應(yīng)力過大；坡口過小，形成窄而深的形式，采用常規(guī)焊接技術(shù)極易形成偏析，進(jìn)而形成熱裂紋，且因為板太厚焊絲難以有效對焊縫根部進(jìn)行焊接；為了有效地控制焊接變形，減少焊接過程中的熱輸入以及焊縫填充量，我們采用的是J型坡口。坡口角度過大焊縫填充量大，對焊接變形影響大，角度過小坡口內(nèi)部空間太小造成焊接不方便，不能很好保證焊接質(zhì)量。鈍邊過大，焊接過程無法完全熔透，鈍邊過小容易造成焊接擊穿，影響焊接質(zhì)量。通過焊接計算機(jī)仿真分析，以及焊接工藝試驗，最終確定J型坡口角度為25°，中間保留4mm的鈍邊可以同時保證焊絲的可達(dá)性以及焊縫根部的焊接質(zhì)量，如圖4所示。同樣150mm厚度的板材焊接，J型坡口的填充量只有K型坡口焊縫填充量的2/3，在有效控制焊接變形的同時大大的提高了焊接工作效率，J型坡口采用機(jī)加工的方式開設(shè)。

2.2.4 焊接前的準(zhǔn)備

在焊接作業(yè)前，焊接檢查員要做好以下幾個方面的檢查：

2.2.4.1確定做過工藝試驗的并檢測通過的焊接師傅進(jìn)行焊接；

2.2.4.2對焊接設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查焊機(jī)工作性能是否正常，電流表、電壓表指示是否正常，CO2流量計是否正常，加熱是否正常；

2.2.4.3對使用的焊材、牌號與工藝試驗所確定的是否一致；

2.2.4.4焊接工程師是否已經(jīng)對焊接工藝進(jìn)行了交底，焊工對焊接工藝是否清楚；

2.2.4.5焊接環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等是否滿足焊接要求，必要時采取防護(hù)措施；

2.2.4.6焊接接頭的清理以及引熄弧板的加設(shè)，確保焊道中間及焊道周圍清潔、無污物、無銹跡等。

2.2.4.7為防止層狀撕裂，焊接前對焊縫兩側(cè)兩倍于板厚加30mm區(qū)域附加超聲波探傷，原材料不得出現(xiàn)裂紋夾渣等缺陷。

2.2.5 焊接

2.2.5.1預(yù)熱溫度的計算，為了計算方便準(zhǔn)確，本文采用seferain法來計算預(yù)熱溫度，該方法考慮了成分碳當(dāng)量和板厚的兩個因素（見表1）。

成分碳當(dāng)量計算公式：

即預(yù)熱溫度可由公式得出， 這種方法能較快速的得到構(gòu)件焊前的預(yù)熱溫度。因此可得到：預(yù)熱溫度Tp=191.5℃。

2.2.5.2焊接開始首先要對焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，為了保證受熱均勻我們采用的是火焰加熱與電熱偶加熱混合方式進(jìn)行焊前的預(yù)熱，加熱區(qū)域在工件正反面的焊道及兩側(cè)100mm-150mm范圍，火焰要在工件表面不停游走，停留時間不宜過長。待構(gòu)件表面溫度達(dá)到60℃后改用電熱偶加熱方式進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱速度3℃/分，大約45分后達(dá)到預(yù)熱溫度。溫度測量采用紅外線測溫儀，測溫點(diǎn)選擇在正反面焊道兩側(cè)各75mm處。

2.2.5.3焊接開始后要嚴(yán)格按照焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。采用多層多道焊接，首先在焊縫一側(cè)進(jìn)行打底焊接，打完底后在焊縫的另一側(cè)采用碳弧氣刨進(jìn)行清根，清根完畢后在清根側(cè)進(jìn)行打底焊接，然后在之前打底側(cè)進(jìn)行填充，填充兩道后在清根打底側(cè)填充兩道焊縫，如此反復(fù)填充直至焊接完成。勤在兩側(cè)輪流焊接是為了使焊縫兩側(cè)的熱輸入量均勻，從而來減小鋼材因溫度驟變產(chǎn)生較大的變形。

2.2.6 焊接過程中注意事項

2.2.6.1 焊接內(nèi)部質(zhì)量的控制

a.焊接過程中要注意控制層間溫度。雖然多層多道焊的后一層會對上一層進(jìn)行熱處理，但層間溫度也不能過高，如果不控制層間溫度會造成熱影響區(qū)加大，近縫區(qū)晶粒長大，韌性降低。一般層間溫度不宜低于預(yù)熱溫度，層間溫度控制在200℃左右較為合適。

b.同一條焊縫盡量一次完成，特殊情況中斷焊接后，應(yīng)采取焊后保溫緩冷，在重新施焊前應(yīng)按要求進(jìn)行重新預(yù)熱處理。

c.每焊完一層應(yīng)進(jìn)行一次層間溫度測量，當(dāng)層溫超過規(guī)定的溫度時應(yīng)暫停焊接，待溫度降至規(guī)定范圍內(nèi)時開始焊接。

d.多層多道焊時，應(yīng)嚴(yán)格清除焊道或道間的焊渣、夾渣、氧化物等，清理可采用鑿子及鋼絲刷等工具進(jìn)行。多道焊的接頭應(yīng)錯開50mm以上，多層焊應(yīng)在端部作出臺階。

e.焊縫的根部、面層和邊緣母材不得用尖錘錘擊，嚴(yán)禁在構(gòu)件表面引弧以及電弧擦傷。

2.2.6.2 焊接變形的控制

為了控制焊接變形，要嚴(yán)格控制焊接順序。采用多層多道焊并且焊縫兩側(cè)對稱焊接的方式進(jìn)行焊接。焊接過程中要做到勤翻面使焊縫兩側(cè)熱輸入量均勻。

2.2.6.3 防層狀撕裂的措施

a.打底時注意在坡口內(nèi)母材板面上線堆焊塑性過渡層，減小母材影響區(qū)的應(yīng)變，以防止母材發(fā)生層狀撕裂。

b.采用堆成多道次焊，使應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)變集中，以減少熱作用，從而減小收縮應(yīng)變。

c.盡量采用多道小線能量焊接，少采用少道大線能焊接。

d.采用焊后消氫熱處理加速氫的擴(kuò)散，使得冷裂傾向減小，提高抗層狀撕裂性能。

2.2.7 焊后處理

2.2.7.1焊接完成后對于厚度大的鋼材應(yīng)立即采取熱處理措施，可以大大降低氫在焊縫中的含量（消氫處理），同時也可以減小焊接應(yīng)力，預(yù)防延遲裂紋的產(chǎn)生。具體方法為焊接完成后對焊縫區(qū)域加熱到250～350℃，保溫時間根據(jù)板厚按每25mm不小于0.5小時，150mm厚度的鋼板需要保溫3小時。保溫3小時后解除保溫，讓焊縫區(qū)域自然緩冷至常溫。

2.2.7.2焊接完成24小時后進(jìn)行超聲波無損檢測，檢測合格后對構(gòu)件焊縫區(qū)域的外觀進(jìn)行處理，把焊接時產(chǎn)生的飛濺、毛刺、焊瘤等缺陷用鏟刀、角磨機(jī)清除干凈，并對焊接產(chǎn)生的變形進(jìn)行矯正處理。

2.2.8 焊縫返修

2.2.8.1焊縫金屬和母材的缺陷超過相應(yīng)的質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)對焊縫進(jìn)行返修處理。焊縫返修可采用砂輪打磨、碳弧氣刨、鏟鑿或機(jī)械加工等方法徹底清除焊縫后進(jìn)行返修。對于焊縫內(nèi)部的缺陷，我們采用碳弧氣刨的方式清理掉缺陷然后重新焊接的方式來進(jìn)行返修。焊縫外觀上的缺陷我們采用砂輪打磨的方式來清理缺陷。

2.2.8.2焊縫內(nèi)部缺陷返修時，碳弧氣刨清理缺陷后重新焊接前應(yīng)對焊縫進(jìn)行預(yù)熱，焊接返修的預(yù)熱溫度應(yīng)比同條件下正常焊接的預(yù)熱溫度提高30℃～50℃。返修部位應(yīng)連續(xù)焊接。如中斷焊接時，應(yīng)采取后熱、保溫措施，防止產(chǎn)生裂紋。焊縫返修完成后，應(yīng)再次進(jìn)行焊后熱處理的過程。

3.結(jié)語

焊接完成后依據(jù)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》GB/T11345-2013進(jìn)行超聲波無損探傷。檢測結(jié)果顯示本項目4個節(jié)點(diǎn)焊縫，120mm節(jié)點(diǎn)兩個、150mm節(jié)點(diǎn)兩個共15.68米焊縫，焊縫外觀良好，內(nèi)部無記錄缺陷，超聲波探傷一次合格率100%。我們通過工藝評定試驗和工程實例的實踐，成功克服了超厚板的焊接難點(diǎn)，提高了工作效率，保證了焊接質(zhì)量，積累了豐富的超厚板焊接經(jīng)驗，為以后的超厚板焊接項目打牢基礎(chǔ)，是成功焊接超厚板的強(qiáng)有力保證。

參考文獻(xiàn)

[1]中國人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，GB 50661-2011鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，中國建筑工業(yè)出版社.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

【中圖分類號】TU391

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）10-0038-04