楊啟斌

(中建地平線(福建)建設(shè)有限公司 福建福州 350000)

0 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的逐漸發(fā)展，厚鋼板工程運用越來越多，其焊接質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)工程安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而如何選取合適的焊接工藝，對焊接質(zhì)量有著直接的影響。如：是否采用預(yù)熱措施、預(yù)測溫度的設(shè)定、多層焊接時層間溫度差控制、焊劑的選擇、焊接順序的選擇等等，都對焊接質(zhì)量有著直接影響，焊接質(zhì)量偏差，甚至可能引起焊縫裂紋。為此，本文以某工程為例，針對厚板焊接過程中的關(guān)建環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，以期減少焊接過程中的焊縫缺陷、殘余應(yīng)力、殘余變形，確保焊縫質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)的等級要求。

1 工程概況

某鋼框架-中心支撐體系鋼結(jié)構(gòu)工程，地下2層，地上28層，結(jié)構(gòu)高度120m，樓單層面積約為1800m2，每層有37支箱型鋼柱、160支鋼梁，其中鋼柱壁厚較大，最大壁厚達(dá)到30mm，各節(jié)鋼柱現(xiàn)場對接焊接的難度大，如圖1所示。為減少焊接過程的缺陷，擬通過選擇相應(yīng)合適的焊接工藝，解決厚板焊接的難題，確保對接焊縫達(dá)到一級焊縫的要求。

圖1 鋼柱柱對接形式

2 厚壁鋼管柱拼接焊接工藝流程

為避免厚板焊接過程焊縫缺陷的出現(xiàn)，該工程從焊接工藝和焊接參數(shù)方面進(jìn)行控制。經(jīng)過多次的論證探討，該項目的厚壁鋼管柱拼接焊接的施工工藝流程如圖2所示。其中，預(yù)熱、后熱處理、焊接過程中焊接參數(shù)等是防止焊縫發(fā)生層裂、確保焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵點，也是本文重點分析的內(nèi)容。

圖2 鋼柱現(xiàn)場焊接工藝流程

3 厚壁鋼板焊接常見的缺陷形式

厚板焊接在焊接工藝上如果控制不當(dāng)，更容易出現(xiàn)一些焊接缺陷。從宏觀上看：厚壁鋼板焊縫缺陷的主要形有：氣孔、裂紋、固體夾雜、未融合、未焊透等等。該項目各節(jié)鋼管柱之間的對接焊縫，采用剖口焊的方式，較好地克服了未融合和未焊透的現(xiàn)象，但仍可能存在發(fā)生其他形式的焊縫缺陷。

氣孔是指焊接時熔池中的氣泡未及時逸出而形成的空穴，如氮氣孔、氫氣孔和一氧化碳?xì)饪椎?，如圖3所示。其形成原因主要是焊縫：焊縫表面存在油漆、鐵銹、水等雜質(zhì)或者焊絲生銹等，焊接加熱過程產(chǎn)生一些氣體來不及溢出。

圖3 焊縫氣孔

夾渣是指溶渣殘留在焊縫中的現(xiàn)象，如圖4所示。其產(chǎn)生原因主要在于：各層焊渣、飛濺未清除；焊道表面存在鐵銹、氧化皮等雜質(zhì)；電流太小、運弧不當(dāng)?shù)取?/p>

圖4 焊縫夾雜

咬邊是指電弧將焊縫邊緣的母材熔化后沒有得到熔敷金屬的充分補充所留下的缺口，如圖5所示。其原因主要是電流太大，弧長太長，焊接速度過快，焊槍位置不當(dāng)。

圖5 焊縫咬邊

焊瘤是指焊接過程中金屬流溢到加熱不足的母材或焊縫上，且未能熔合在一起而堆積的金屬缺陷，如圖6所示。其主要原因是：電流和電壓太大、焊接速度太慢等。

圖6 焊瘤

裂紋是厚板鋼結(jié)構(gòu)中常見的一種裂紋形式，其原因是鋼材的原子結(jié)合力受到破壞，從而在破壞的基礎(chǔ)上形成了新的斷裂層[1]，如圖7所示。焊接過程中產(chǎn)生的焊接裂紋隱患并不會第一時間表現(xiàn)出來。

圖7 焊縫裂紋

4 焊接過程關(guān)鍵要點

4.1 預(yù)熱及后熱處理

(1)焊前預(yù)熱

焊接過程中預(yù)熱不均勻，瞬間焊接升溫導(dǎo)致部分鋼材中的金屬化合物被分解，而且又沒來得及分散便被焊接固定住，由此所形成的共晶屬于焊接點中的雜質(zhì)，該雜質(zhì)若融合在焊接縫部分，則潛藏極大的風(fēng)險。為此，必須采用火焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱寬度為焊縫上、下各120m，滿足規(guī)定預(yù)熱區(qū)域取焊縫兩側(cè)各15t和100mm中大值的要求；預(yù)熱溫度設(shè)定為120℃，并在停止預(yù)熱后采用紅外溫度儀進(jìn)行測溫。

(2)焊后消氫處理

焊接完成后，如果出現(xiàn)環(huán)境溫度驟降，則很容易出現(xiàn)冷裂縫，尤其是氫致冷裂紋。為此，該項目在焊接后采用高溫保溫的措施，使焊縫處的擴(kuò)散氫迅速溢出。該項目設(shè)定的保護(hù)溫度為 200℃～250℃，保溫時長為2h，滿足了保溫時間取0.5h/25mm和不小1h中取大值的要求。

4.2 減少焊接應(yīng)力和變形的措施

由于鋼板厚度大、焊縫集中、焊接熱輸入量高，勢必在焊接構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生大量的焊接殘余應(yīng)力，對后續(xù)的加工制作和構(gòu)件的整體性能產(chǎn)生十分不利的影響，必須加以控制[5]?；耍擁椖恐饕獜囊韵?個方面進(jìn)行控制。

(1)多層多道焊

為控制焊接過程中出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象，在厚板單面坡口對接焊時，為防止焊接時發(fā)生燒穿現(xiàn)象，先對坡口根部進(jìn)行的一條打底焊道的焊接，該項目打底焊接厚為5mm。

中間層填充焊采用多層多道的焊接方法，中間填充層按2層焊接，每層厚度約8mm左右。由于焊接時從焊槍溢出的 CO2保護(hù)范圍有限，每層焊縫寬度超過15mm時易出現(xiàn)氣孔，該項目控制每層焊縫寬度為10mm。

面層焊接是最外的一層焊縫，要求表觀質(zhì)量良好，無缺陷，與母材能夠光滑過渡，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。該項目面層焊縫余高設(shè)定在0.5mm～3mm左右，然后再打磨，與母材光滑過渡。

對于厚板的多層多道焊接，每道焊接完成后均采用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以釋放焊縫內(nèi)部的應(yīng)力。

(2)CO2氣體保護(hù)焊相關(guān)焊接參數(shù)

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊具有生產(chǎn)效率高、焊接成本低、焊接變形小、適用范圍廣、操作便捷等優(yōu)點，在焊接過程中得到了廣泛的運用[2]。焊接過程中，電壓、電流、焊接速度能否相互匹配也是影響焊接質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。對于CO2保護(hù)焊，電流大小與送絲速度存在內(nèi)在的聯(lián)系，對于同一焊絲，電流越大則要求送絲速度要越快；而送絲速度又必須與電壓熔接焊絲的能力匹配，焊接電壓越高，焊接過程中融化焊絲的速度也就越快。但如何任意增大電壓，電渣飛濺顆粒變化則容易形成氣孔等缺陷；相反，電壓過低，飛濺增加，則容易造成夾渣等缺陷。為了保證焊接質(zhì)量，防止層狀撕裂，該項目在正式焊接前進(jìn)行大量的試驗，確定了CO2氣體保護(hù)焊的參數(shù)，如表4所示。

表4 CO2氣體保護(hù)焊相關(guān)焊接參數(shù)

(3)合理的焊接順序

焊接的先后順序往往會影響焊縫的拘束度，進(jìn)而影響焊接的殘余應(yīng)力和殘余變形。對稱施焊、從中間往兩邊施焊是一種良好的焊接順序，對于厚板焊接更為適用。該項目采用2名焊工對稱、同方向施焊來降低焊接變形和應(yīng)力，如圖8所示。

圖8 鋼管柱焊接順序圖

(4)焊接過程的約束措施

該工程鋼管柱節(jié)點的對接采用單邊V型坡口， 在坡口正面兩端處增加兩塊約束鋼板，并兼作為臨時固定措施；同時，在鋼管內(nèi)部設(shè)置內(nèi)隔板。在焊縫冷卻過程中，臨時固定措施和內(nèi)隔板，可以降低塑性變形區(qū)的收縮，減少殘余應(yīng)力和變形。

5 厚壁鋼管焊縫效果

該工程鋼管柱拼接焊縫為全熔透焊縫，無論在工廠或現(xiàn)場施焊，均要求為一級焊縫，要求100%超聲波探傷及100%磁粉探傷或著色探傷[4]。焊接結(jié)束驗收，鋼管厚板焊縫外觀檢查均一次性合格，外觀檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，符合一級焊縫要求； 同時，經(jīng)超聲波無損檢測探傷，一次性探傷合格率為99.5%，經(jīng)一次返修后，合格率達(dá)到 100%。

6 結(jié)論

(1)該工程鋼管柱接焊縫均為一級焊縫，經(jīng)超聲波無損檢測探傷，一次探傷合格率均為99.5%，經(jīng)一次返修后，合格率達(dá)到 100%。

(2)板厚較厚，采用焊前預(yù)熱、多層多道焊、合理的焊接順序等措施可以有效地減少焊接應(yīng)力和焊接殘余變形，建議各層的層間溫度控制在200℃～250℃左右。

(3)調(diào)節(jié) CO2氣體保護(hù)焊相關(guān)焊接參數(shù)，可有效控制厚板焊接引起的整體變形。