有关焊接技术应用于大型钢结构工程的讨

摘 要:本文举例某工程钢结构的现场,焊接量大,又属于高空环境作业,焊接效率将直接影响到钢结构安装以至整个工程的施工进度.由于采取了可靠的工艺及控制措施,每个环节的焊接进度都比计划略有提前,在确保焊接质量的同时促进了整个工程的进度.

关 键 词:大型钢结构工程焊接技术

举例某超高层构筑物工程,主体结构由混凝土核芯筒和钢结构外筒组成.钢结构外筒为由24根圆锥形立柱、46组环梁及分布其间的斜撑组成的变截面椭圆筒体.由于钢结构外筒自下而上做45°扭转,因此,外筒所有构件均为三维倾斜,这种独特的结构形式目前在国内外是独一无二的.

一、焊接工艺要点

⑴焊前准备

由于CO2气体保护焊焊焊把线较短,考虑将焊机及送丝机置于操作平台上.焊把线应绝缘良好,破损处要用绝缘布包裹好,以免拖拉焊把线时与母材打火.焊接设备应接线正确、调试好,正式焊接前应先进行试焊,将电弧电压、焊接电流调至合适范围.去除坡口区域的氧化皮、水分、油污等杂质.如果坡口用氧乙炔焰切割过,则还需用砂轮机进行打磨,直至露出金属光泽.

⑵焊前预热

预热是防止低合金高强钢焊接产生氢致裂纹的有效措施,可以控制焊接冷却速度,减少或避免热影响区(HAZ)中淬硬马氏体的产生,降低HAZ硬度,同时还可以降低焊接应力,并有助于氢的逸出.该工程预热主要采用电加热和氧乙炔火焰加热方法,预热范围为坡口及坡口两侧不小于1.5倍板厚,且不小于100mm.测温点应距焊接点各方向上不小于焊件的最大厚度值,但不得小于75mm处.

预热温度的确定与钢材材质、板厚、接头形式、环境温度、焊接材料的氢含量以及拘束度都有关系,因此对工程中的Q390,Q460钢材,由于强度级别较高,焊接淬硬倾向大,应适当提高预热温度.

⑶焊接坡口

工程的构件以管件为主,根据焊接的可操作性、焊工的视线,应以开单面坡口为主.现场接头拟采用单面单边V形坡口,反面设置衬板,根部间隙6～8mm,坡口角度35°,另外,由于钢管直径比较大,焊工可以进入管内进行焊接操作,考虑到尽可能减少熔敷金属量,立柱节点设计时可采用双面坡口,焊工先在里面焊接,然后外面清根焊接.

⑷焊接工艺措施

采用多层多道焊,控制道间温度不低于预热温度,但不宜超过150℃,采用直流反接,焊丝伸出长控制在20mm左右,保护气体流量20～25L/min.焊条打底焊使用不大于4mm的焊条,根部焊道厚度不超过6mm.焊缝构成由坡口面到中间.

⑸焊后处理

后热处理主要是为了消氢,降低焊缝中的氢含量,减小氢致裂纹倾向.后热温度一般为250～300℃,根据板厚进行一段时间的保温.该工程焊接接头较大,现场后热有一定的难度,为此从焊接材料、预热方面采取一些措施:首先选用低氢焊材,从熔敷金属上降低氢含量,其次,适当提高预热温度,进一步降低焊缝热影响区的冷却速度,以防止延迟裂纹的产生.

二、焊接应力与变形控制

(一)优选焊接方法与顺序

尽量采用CO2气体保护焊,由于其能量密度相对较高,焊接变形也相应小一些.总体焊接顺序对结构变形的影响是一个关键因素,每道环包括24个立柱接头、48个环梁接头、48个斜撑接头.而这些接头又全为熔透焊缝,必须制定一个科学、合理的焊接顺序来控制变形.

(1)平面总体焊接顺序.每道环分成24个单元,其中12个主单元由2根立柱、1根环梁和1根斜撑组成,另12个副单元由环梁和斜撑组成.在结构安装校正到位后,对称布置焊接点,首先交错焊接其中12个主单元,然后再交错焊接6个副单元,再焊接3个副单元,留下3个单元作为最终封闭接头.这样对称分布焊接点,可使焊接变形逐步消化在每一个单元内,不会造成累积偏差.

(2)每个单元焊接顺序.每个单元采取环梁―立柱―斜撑的焊接顺序.先焊环梁,使单元具有一定刚度,而立柱竖直方向为相对自由状态,对于立柱的接头焊缝不致产生很大的应力.最后焊接斜撑,由于此时环梁与立柱已焊完,拘束度较大,斜撑会产生一定的焊接残余应力,但要比立柱后焊产生的应力小得多.

(二)焊接应力控制

该工程采取的焊接应力控制措施有:采用合适的焊接坡口,减少焊接填充量,构件安装时不得强行装配,以免产生初始装配应力,采用合理的焊接顺序,对称焊、分段焊,先焊收缩量大的接头,后焊收缩量小的接头,应在尽可能小的拘束下焊接,预先合理设置收缩余量,同一构件两端不同时焊接,保证预热,对层间温度的有效控制,降低焊接接头的拘束度,减小焊接热影响区范围,可降低焊接接头的残余应力,采用高效的CO2焊接方法,可减少焊接道数,减小焊接变形和残余应力,通过有效的工艺和焊接控制,防止或减小焊接接头的返修,采取焊后缓冷或后热,使接头在冷却时能有足够的塑性和宽度均匀消除焊接收缩,降低残余应力峰值和平均值,达到降低焊接残余应力目的.同时必要时采用烘烤和超声波振动的方法进一步达到消减残余应力的目的.

三、结论

(1)该工程现场焊接量比较大,又属于高空环境作业,焊接效率将直接影响到钢结构安装以至整个工程的施工进度.由于采取了前述措施,每个环节的焊接进度都比计划略有提前,在确保焊接质量的同时保证了整个工程的进度.

(2)由于该工程结构高度很高,在超高空环境下对焊工的素质提出了更高的要求.在全面施工前,针对性地对操作工人进行高空焊接培训,主要针对焊接节点形式、焊接方法以及焊接操作位置,以达到工程所需的焊接技能水平,从而适应现场

环境的需要,提高焊接质量.

(3)该工程结构特殊,焊接质量要求高.在施焊前,还进行了现场主要接头模拟试验.通过模拟试验,进一步复核所确定的焊接工艺的可实施性,并确定出在标准接头安装状态下的焊缝收缩量.从该工程的施工结果看,这对整个结构的焊接变形控制是至关重要的.