厚板箱型K節點防層狀撕裂焊接工藝

（中建鋼構武漢有限公司，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。鋼材材質執行歐標標準，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，結構形式為立面斜交網格，構件形式為箱型柱/梁、箱型米字節點、箱型K節點等。

由于結構設計需要，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生層狀撕裂[1-2]。特別是箱型K節點構件（見圖1），在主體的翼緣板側和腹板側均存在箱型牛腿構件，牛腿焊縫與本體焊縫交叉重疊，節點區有很強的拉伸應力，由于鋼材本身存在非金屬夾雜物，極易誘發層狀裂紋。

圖1 箱型K節點構件

1 層狀撕裂的產生機理及影響因素

1.1 層狀撕裂產生機理

層狀撕裂既可在焊接中及焊后冷卻過程中產生，也可在焊接完成數周后產生[3－5]。由于結構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合面處產生微裂紋，隨著荷載的增加，微裂紋開始擴展逐步形成大裂紋，裂紋繼續擴展，便出現多處相互平行的“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。

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生不同程度的影響[11－13]。焊縫尺寸直接影響熱影響區的大小；焊接坡口形式決定著結構連接的受力方式及焊后的殘余應力；不同的焊接方法產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、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如表1所示。

2.3 焊接順序設計

（1）箱型構件主體焊接順序。

箱型構件應力應變狀態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，從而控制構件的應力應變狀態。（2）K型節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，主體區域易發生層狀撕裂，特別是圖6中圓圈內區域，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側焊縫焊接；②兩側對稱完成牛腿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

圖5 箱型構件主體焊接順序

圖6 K型節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傾向，預防厚板層狀撕裂的產生[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 結論

針對馬來西亞箱型K節點構件，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，均從翼板側開始。箱體主焊縫、K型節段牛腿與主體的焊縫采取合理的焊接方法和焊接順序，控制構件的應力應變狀態。嚴格控制預熱、后熱及層間溫度，消除焊縫及母材內部的焊接殘余應力。通過以上措施，有效避免了層狀撕裂的產生，確保海外項目構件的交貨質量。

圖7 預熱及后熱過程