楊弘生
浙江東南網(wǎng)架股份有限公司 浙江杭州 311209
江門中微子中心探測器不銹鋼網(wǎng)殼項目為單層不銹鋼球形網(wǎng)殼,內(nèi)徑40.1m,外徑41.1m,項目模型如圖1所示。網(wǎng)殼由兩層H形鋼立柱支撐,立柱分別位于赤道下第2 層和第4 層。H 形鋼截面規(guī)格:200m m×150m m×8m m×8m m至600mm×300mm×30mm×35mm。整個結(jié)構(gòu)需浸于水中,因此采用奧氏體不銹鋼S30408作為主體結(jié)構(gòu)鋼材。工程構(gòu)件包括焊接H形鋼柱、梁、支撐等,其中大部分鋼柱、環(huán)向和徑向梁為直線形,部分H形鋼構(gòu)件整體或局部呈弧形,支撐柱節(jié)點為弧形。組成H形鋼的2個T形接頭均為全熔透焊縫,構(gòu)件加勁板、牛腿等接頭也為全熔透焊縫,板厚涉及8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、30mm和35mm等規(guī)格。所有構(gòu)件在加工廠制作、焊接,現(xiàn)場采用環(huán)槽鉚釘連接。
圖1 江門中微子中心探測器模型
建筑鋼結(jié)構(gòu)中不銹鋼主要應(yīng)用于幕墻、屋面、防護(hù)隔離柱及安全欄桿等結(jié)構(gòu),主體幾乎沒有大量采用熔透焊接形式的不銹鋼結(jié)構(gòu)。雖然壓力容器行業(yè)中也存在奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu),但只有對接接頭和角焊縫焊接工藝評定的參考[1]。對工程構(gòu)件中存在的大量T形接頭,為滿足焊縫熔透要求,需選擇合適的焊接方法,確定接頭坡口形式、焊接材料、焊接工藝等方面內(nèi)容,以制定適合本工程接頭特點的焊接工藝,指導(dǎo)焊接生產(chǎn)。
構(gòu)件全熔透T形接頭包括長直T形、短T形、弧形T形等。為保證接頭根部熔透,可通過如下3種方式實現(xiàn),但均存在不足或無法滿足要求。
1)方式一:接頭根部不留間隙,先在一側(cè)進(jìn)行打底焊,另一側(cè)清根后再進(jìn)行焊接,以保證接頭根部熔透。但不銹鋼具有較高熱膨脹系數(shù)和較低導(dǎo)熱系數(shù),采用清根方式不但增加了熱輸入,焊后變形較大,而且會增加清根及清根后的打磨工作量,效率低。
2)方式二:接頭根部預(yù)留間隙,先在一側(cè)采用手工氬弧焊打底,保證焊縫根部熔透,然后進(jìn)行其余填充、蓋面焊縫的焊接。但工程中最長的H形鋼構(gòu)件長度接近15m,手工氬弧焊打底效率較低,且構(gòu)件焊后會產(chǎn)生較大收縮和變形,構(gòu)件尺寸無法滿足要求。
3)方式三:接頭根部預(yù)留間隙,背面加裝襯墊板,從單面施焊。但此種方式與方式二不足之處近似,構(gòu)件焊后會產(chǎn)生較大收縮和變形。
上述3種方式雖均能實現(xiàn)焊縫根部熔透,但構(gòu)件焊后會產(chǎn)生較大收縮和變形,尺寸無法保證。因此,需選用新型焊接方法,在焊縫根部不留間隙且不需清根的情況下,從兩側(cè)施焊,實現(xiàn)焊縫根部的熔透焊接,減少構(gòu)件焊后的收縮和變形。
K-TIG深熔氬弧焊是一種高效的氬弧焊焊接方法,焊接過程中焊接電弧對母材不斷進(jìn)行熔化與深挖,并將熔融金屬排擠到熔池周圍,形成小孔,靠電流形成的電弧力與液體金屬靜壓力、表面張力來保持熔池的動態(tài)平衡。焊槍向前移動過程中小孔也隨之移動,后方的熔融金屬冷卻后形成焊縫[2]。K-TIG深熔氬弧焊是焊接熔融金屬黏度大、低熱傳導(dǎo)鋼材,如不銹鋼、鎳基合金、鈦合金等鋼材理想的焊接方法。
對于長直的H形鋼構(gòu)件T形接頭,采用自動K-TIG深熔氬弧焊作為根部熔透的焊接方法,焊接過程無需添加焊接材料,完全靠電弧熱熔化母材形成根部焊縫。焊接設(shè)備為自動焊接小車,焊接小車置于H形鋼上翼緣板上,小車配有兩把深熔氬弧焊焊槍,分別位于H形鋼腹板兩側(cè)。前期先在低合金鋼試件上進(jìn)行試驗,同時讓焊工熟悉設(shè)備性能,避免因操作不熟練而導(dǎo)致試驗不合格。通過試驗驗證初步擬定的參數(shù),并根據(jù)試驗結(jié)果對坡口角度、鈍邊大小、焊接電流、電弧電壓及焊接速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,得出較理想的參數(shù)值。再采用不銹鋼板材進(jìn)一步試驗,得出優(yōu)化調(diào)整后的最終參數(shù)值。試驗打底焊接過程如圖2所示,焊后根部熔透情況如圖3所示。
圖2 K-TIG深熔氬弧焊打底焊過程
圖3 深熔打底焊后根部熔透情況
對于短的或呈弧形等無法采用自動K-TIG深熔氬弧焊的焊接接頭,采用K-TIG手工深熔氬弧焊進(jìn)行根部熔透打底焊接。兩人各持一把深熔氬弧焊焊槍位于立板兩側(cè),進(jìn)行打底施焊,試驗打底焊接過程如圖4所示,根部焊縫正反面成形如圖5所示。
圖4 K-TIG手工深熔氬弧焊打底焊過程
圖5 K-TIG手工深熔氬弧焊打底焊縫正反面
1)H形鋼長直焊縫蓋面采用埋弧焊。
2)除H形鋼長直蓋面焊縫外,其余焊縫的焊接采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。與焊條電弧焊相比,藥芯焊絲可將斷續(xù)生產(chǎn)過程變?yōu)檫B續(xù),減少接頭數(shù)目,且不存在發(fā)熱和發(fā)紅現(xiàn)象;與實芯焊絲相比,藥芯焊絲合金成分調(diào)整方便,焊后打磨工作量小。
不同焊接方法對應(yīng)的焊接材料型號:藥芯焊絲型號為E308LT1-1(φ1.2mm);埋弧焊焊劑與焊絲型號組合為F308L-H00Cr21Ni10(φ3.2mm)。
焊接工藝評定試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為A W S D1.6/D1.6M《不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》,根據(jù)接頭形式、焊接方法等將焊接工藝評定試驗項目匯總見表1,焊接工藝評定試驗各種焊接方法焊接參數(shù)見表2。
表1 焊接工藝評定試驗項目匯總
表2 各種焊接方法焊接參數(shù)
試件焊接完畢,經(jīng)外觀及超聲波檢測合格后,進(jìn)行試件加工及相關(guān)試驗。
1)焊接工藝評定試件(符合取樣條件)的接頭拉伸試驗、彎曲試驗結(jié)果見表3。
表3 接頭拉伸、彎曲試驗結(jié)果匯總
接頭拉伸試驗結(jié)果不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值,彎曲試驗結(jié)果滿足要求。
2)宏觀斷面酸蝕照片如圖6所示。宏觀酸蝕試件未見裂紋、未熔合、氣孔及夾渣等缺陷。
圖6 宏觀斷面酸蝕照片
根據(jù)焊接工藝評定試驗所確定的焊接工藝,編制焊接工藝規(guī)程,指導(dǎo)構(gòu)件焊接施工,取得了良好的效果,實體構(gòu)件焊縫超聲波檢測一次合格率達(dá)99.5%以上。
1)焊接工藝評定試驗驗證了擬定焊接工藝的合理性,試驗結(jié)果滿足設(shè)計和規(guī)范要求,為江門中微子中心探測器不銹鋼網(wǎng)殼項目焊接工藝文件編制提供了可靠依據(jù)。
2)采取K-TIG深熔氬弧焊焊接工藝,解決了不銹鋼T形接頭根部熔透問題,大大提高了焊接生產(chǎn)效率,減少了構(gòu)件焊后的收縮和變形,保證了構(gòu)件焊后尺寸。