深圳普聯大廈Q345GJC超厚板150mm焊接技術

楊柯 賴騰飛 蘇鎧 易波

【摘要】本文通過對普聯項目節(jié)點區(qū)150mm超厚鋼板焊接研究，分析了超厚板焊接前的準備，焊接過程控制，以及焊接后的焊縫處理等重點，并著重分析優(yōu)化了焊接接頭坡口的設計，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度以及質量。

【關鍵詞】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體用地，北面為生產力咨詢公司、工業(yè)園生產力大廈，西面為科技園公司，南面為服務中心等。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-剪力墻結構體系。

1.2 鋼結構概況

鋼結構底層至頂層均有分布，整個結構由南區(qū)、北區(qū)及南北區(qū)間的連接結構組成，整體鋼結構布局對稱。本工程鋼結構主體為鋼框架柱內設置的十字型鋼骨柱，其中地下室14根，地上28根，同時剪力墻內設有大量零散的構造H型鋼骨柱工程總用鋼量約為2700t。地上二層板面設有一層懸挑鋼梁結構，7～9F、14～17F、21～22F空腹桁架層內樓面設有鋼骨梁，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)點中有一塊鋼板由150mm過渡到70mm分別對應上下作為支撐傳力作用，鋼板最大焊接厚度達到150mm材質為Q345BGJC-Z35，150mm厚度鋼板的焊接是鋼結構制作加工的重難點。

2.超厚板焊接技術

2.1超厚板焊接特點

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，構件施焊時焊縫拘束度高、焊接殘余應力大，焊后應力和變形大。焊接施焊過程中，易產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)易產生淬硬——馬氏體組織，焊縫金屬變脆，產生冷裂紋的傾向增大。產生層狀撕裂的主要原因是由于板材厚度方向上的焊接應力達到一定值后，在夾渣物間斷產生缺口效應，造成應力集中，當它超過材料的變形能力后裂紋就沿著平面方向擴展，產生層狀撕裂，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

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氣體保護焊。首先因為是節(jié)點區(qū)，受焊接空間影響不能使用半自動埋弧焊進行焊接，只能采取使用操作起來方便靈活，能滿足焊接構件所需要的空間要求手工焊的方式來進行焊接。其次是CO2氣體保護焊的線能量小，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，焊接熔化系數大，可節(jié)省工時。綜合考慮我們選擇實芯焊絲CO2氣體保護焊來進行超厚板的焊接。

2.2.2 材料選擇

對于受力復雜的厚板宜采用有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行UT檢查，有裂紋、夾層及分層缺陷的鋼板不得使用。

根據國家規(guī)范GB 50661-2011中對焊接材料的推薦使用標準，同時結合焊接工藝性能、焊接材料等強匹配原則，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氣體保護焊實芯焊絲。

2.2.3 坡口形式選擇

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

常規(guī)的鋼結構厚板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，焊接殘余應力過大；坡口過小，形成窄而深的形式，采用常規(guī)焊接技術極易形成偏析，進而形成熱裂紋，且因為板太厚焊絲難以有效對焊縫根部進行焊接；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，角度過小坡口內部空間太小造成焊接不方便，不能很好保證焊接質量。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，影響焊接質量。通過焊接計算機仿真分析，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性以及焊縫根部的焊接質量，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型坡口采用機加工的方式開設。

2.2.4 焊接前的準備

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行焊接；

2.2.4.2對焊接設備進行檢查，檢查焊機工作性能是否正常，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對焊接工藝進行了交底，焊工對焊接工藝是否清楚；

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

2.2.4.6焊接接頭的清理以及引熄弧板的加設，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，焊接前對焊縫兩側兩倍于板厚加30mm區(qū)域附加超聲波探傷，原材料不得出現裂紋夾渣等缺陷。

2.2.5 焊接

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

成分碳當量計算公式：

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

2.2.5.2焊接開始首先要對焊接區(qū)域進行預熱，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行焊前的預熱，加熱區(qū)域在工件正反面的焊道及兩側100mm-150mm范圍，火焰要在工件表面不停游走，停留時間不宜過長。待構件表面溫度達到60℃后改用電熱偶加熱方式進行預熱，預熱速度3℃/分，大約45分后達到預熱溫度。溫度測量采用紅外線測溫儀，測溫點選擇在正反面焊道兩側各75mm處。

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

2.2.6 焊接過程中注意事項

2.2.6.1 焊接內部質量的控制

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，應采取焊后保溫緩冷，在重新施焊前應按要求進行重新預熱處理。

c.每焊完一層應進行一次層間溫度測量，當層溫超過規(guī)定的溫度時應暫停焊接，待溫度降至規(guī)定范圍內時開始焊接。

d.多層多道焊時，應嚴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行。多道焊的接頭應錯開50mm以上，多層焊應在端部作出臺階。

e.焊縫的根部、面層和邊緣母材不得用尖錘錘擊，嚴禁在構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，要嚴格控制焊接順序。采用多層多道焊并且焊縫兩側對稱焊接的方式進行焊接。焊接過程中要做到勤翻面使焊縫兩側熱輸入量均勻。

2.2.6.3 防層狀撕裂的措施

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

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

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力，預防延遲裂紋的產生。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小時后進行超聲波無損檢測，檢測合格后對構件焊縫區(qū)域的外觀進行處理，把焊接時產生的飛濺、毛刺、焊瘤等缺陷用鏟刀、角磨機清除干凈，并對焊接產生的變形進行矯正處理。

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的質量驗收標準時，應對焊縫進行返修處理。焊縫返修可采用砂輪打磨、碳弧氣刨、鏟鑿或機械加工等方法徹底清除焊縫后進行返修。對于焊縫內部的缺陷，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焊縫內部缺陷返修時，碳弧氣刨清理缺陷后重新焊接前應對焊縫進行預熱，焊接返修的預熱溫度應比同條件下正常焊接的預熱溫度提高30℃～50℃。返修部位應連續(xù)焊接。如中斷焊接時，應采取后熱、保溫措施，防止產生裂紋。焊縫返修完成后，應再次進行焊后熱處理的過程。

3.結語

焊接完成后依據《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB/T11345-2013進行超聲波無損探傷。檢測結果顯示本項目4個節(jié)點焊縫，120mm節(jié)點兩個、150mm節(jié)點兩個共15.68米焊縫，焊縫外觀良好，內部無記錄缺陷，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，提高了工作效率，保證了焊接質量，積累了豐富的超厚板焊接經驗，為以后的超厚板焊接項目打牢基礎，是成功焊接超厚板的強有力保證。

參考文獻

[1]中國人民共和國國家標準，GB 50661-2011鋼結構焊接規(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

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）10-0038-04