超厚板焊接質(zhì)量控制技術(shù)分析

董立 李忠陽

【摘要】本文通過對春之眼商業(yè)中心項目所使用的材質(zhì)為Q390GJC-Z25、Q390GJC-Z35鋼結(jié)構(gòu)厚板焊接質(zhì)量控制進(jìn)行分析、優(yōu)化和總結(jié)，從而達(dá)到對類似工程焊接控制管理起到借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);超高層;超厚板;焊接質(zhì)量控制

近年來，高層及超高層建筑越建越多，在高層及超高層建筑中，鋼結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，已經(jīng)在超高層整體結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，且國內(nèi)市場對厚板的需求一直保持增長趨勢，因此，如何控制厚板焊接質(zhì)量顯得愈發(fā)重要。

1. 工程概況

昆明春之眼商業(yè)中心項目鋼結(jié)構(gòu)工程位于昆明市東風(fēng)廣場工人文化宮以南，拓東路以北，盤龍江以東，北京路以西，周邊交通和市政設(shè)施較為成熟。本項目建筑面積達(dá)60.06萬m2，總重量約11萬t。地下室5層，埋深約23.1m，主要功能為酒店后勤、機(jī)電用房、停車場;主塔塔樓地上80層，建筑高度407m，主要使用功能為國際頂級寫字樓、國際一線頂級酒店、高端商業(yè)和公寓等，是一個集商務(wù)、購物、居住、觀光為一體的大型城市綜合體項目。主塔樓高度407m，建成后將是云貴高原多頻地震帶第一高樓。

主塔塔樓主體結(jié)構(gòu)采用巨柱鋼框架-核心筒體系。鋼結(jié)構(gòu)由筒外巨柱、外框鋼柱、樓層鋼梁、外框斜撐等組成外筒，由勁性鋼柱、連梁及鋼板剪力墻等組成內(nèi)筒，樓層采用鋼筋桁架組合樓板，其巨柱之間增設(shè)阻尼器增加地震作用下的能耗。構(gòu)件特性中巨柱由5邊形組成，內(nèi)設(shè)豎向分隔板，最大外截面707×4489×2880×2722×4811×100mm，

最厚鋼板100mm;外框圓管柱共計9根，隨樓層變化而斜度變化，其最大截面為 Φ2050×40mm;外框斜撐為箱型構(gòu)件，截面1400×1300×100mm;核心筒鋼柱主要為異型和H型鋼柱，典型截面為700×500×80×80mm 、H600×500×80×80mm;核心筒鋼板剪力墻通長布置，鋼板最厚為40mm。

2.焊接工藝

2.1材料特點(diǎn)

Q390鋼材綜合力學(xué)性能、焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性能均較好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性。本工程厚板采用Q390GJC，Q390C是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，抗拉強(qiáng)度σb為370～580MPa。

表1 ?化學(xué)成分

C Si Mn P S

≤0.2 ≤0.5 ≤1.7 ≤0.025 ≤0.02

Mo Cr Nb Ni Cu

≤0.1 ≤0.3 ≤0.1 ≤0.5 ≤0.3

碳當(dāng)量計算：國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式CE（IIW）

公式（1） ? CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）= 0.617%

2.2工藝準(zhǔn)備

施工前，對厚板焊接進(jìn)行前期工藝準(zhǔn)備，坡口形式采用單邊V型坡口。通過合理控制焊接間隙，鈍邊和坡口角度三個參數(shù)，達(dá)到控制焊接質(zhì)量的效果。

2.2.1鈍邊和間隙

鈍邊是焊件開坡口時，沿焊件厚度方向未開坡口的端面部分。鈍邊的作用是防止根部燒穿，但鈍邊的尺寸又需保證第一層焊縫能焊透。鈍邊越大，越不易焊透，鈍邊越小或無鈍邊，打底焊越容易焊穿。

間隙是焊前在接頭根部之間預(yù)留的空隙。間隙的作用是在焊接打底焊道時，保證根部焊透。

鈍邊和間隙的尺寸能很好地配合，既可保證焊縫的焊透，又可避免燒穿、焊瘤和未焊透等缺陷。本工程根部間隙取6～8mm，鈍邊2mm。

圖1

2.2.2坡口角度

當(dāng)電流電壓一定的情況下，電弧的形狀不變，但會隨著坡口夾角的大小上下移動，不會發(fā)生左右的變化。很明顯，在電弧電壓不變的情況下，電弧熔化點(diǎn)到母材的距離相同。

坡口角度越小，電弧為保持原來形狀，電弧上移，電弧下坡口根部的距離就越大;反之，坡口角度越大，電弧為保持原來形狀，電弧下移，這個距離就越小。

由于電弧是由電壓控制，電弧長度與電壓成正比，隨著電壓的變化而變化。改變坡口角度，電弧所能到達(dá)坡口根部的距離明顯不同。

坡口角度達(dá)到45°時，雖能充分焊透，但焊絲填充量增加，未免浪費(fèi)材料。且施工周期增加明顯，恰到好處的坡口角度與達(dá)到理想焊縫質(zhì)量要求的坡口角度為35°～45°為宜。

3.厚板焊接質(zhì)量控制措施

3.1焊接方法

3.1.1CO2氣體保護(hù)焊

本工程焊接均采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接方法，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(diǎn)，常為施工現(xiàn)場焊接方法的首選。

3.1.2打底焊、填充焊、蓋面焊

打底焊：在厚板單面坡口對接焊時，為防止角變形或為為防止角變形或為防止自動焊時發(fā)生燒穿現(xiàn)象而先在接頭背面坡口根部所進(jìn)行的一條打底焊道的焊接 。

填充焊：主要的作用是焊口的金屬填充，在不影響焊口力學(xué)性能的條件下，要求盡快的填充效率和速度。

蓋面焊：指焊口最表面的一層焊層，要求成型美觀，均勻一致，無表面外觀缺陷，余高高度控制在0.5到3mm之間，與母材圓滑過渡。余高與母材過渡不好不但會造成應(yīng)力集中，且會影響防腐補(bǔ)口的密封。

針對本工程的厚板焊接，為了有效地保證焊接質(zhì)量，控制焊接變形，采用多層多道的焊接方法，針對65mm厚度以上的鋼板，采用打底焊一次，填充焊兩次，蓋面焊一次，完成焊接。

3.1.3分段退焊法

由于焊接時焊縫受熱，焊后焊縫又恢復(fù)常溫，在這個過程中由于熱脹冷縮的原理，焊接后一般會產(chǎn)生變形，變形的量和焊接的位置、焊接速度、焊縫熱量變化的速度均有關(guān)系。而采取分段焊接的方法是在焊接時可以減少較長焊縫的持續(xù)加熱時間，從而避免溫度過高引起變形;本工程施工前對三種分段焊接方法進(jìn)行分析。

圖2 ?分段退焊示意圖

圖3 ?分中段退焊法

圖4 ?分段跳焊法

①分中段退焊法：它的優(yōu)點(diǎn)是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)的溫度不斷急劇增高，減少或避免了熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。本工程存在大量對接立焊縫，因此，不予采用。

②分段退焊法：這種方法適用于各種空間位置的焊接。鋼材較厚，焊縫較長時都可以設(shè)擋弧板，多人同時焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可以減小熱影響區(qū)，避免變形。

③分段跳焊法：分段跳焊與分段退焊相似，但相較于分段退焊法可以分散焊縫熱量，更加利于應(yīng)力釋放，避免或減小變形。

通過分析以上三種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)及綜合分析施工現(xiàn)場實(shí)際情況，本工程對厚板焊接采用分段跳焊的方法，每段距離約600mm。

3.2焊接電流和電弧電壓的選擇

焊接時流經(jīng)焊接回路的電流稱為焊接電流。焊接電流大小對焊條的熔化速度、母材熔深、焊縫內(nèi)在質(zhì)量、焊接接頭性能和生產(chǎn)效率均有重要影響。焊接電流太大，容易在母材金屬的兩側(cè)產(chǎn)生咬邊，甚至燒穿。焊接電流過小，則母材金屬未充分加熱，容易造成夾渣和未焊透等缺陷。焊接電流大，則熔深大，焊接電流小，則熔深小。且厚板焊接過程中，電流過大，焊后構(gòu)件變形明顯，因此，合理的選用電流參數(shù)對質(zhì)量控制效果明顯。

電弧電壓即焊接電壓，焊接電壓是決定熔寬的主要因素， 電弧電壓增大后，電弧功率加大，工件熱輸入有所增大，同時弧長拉長，分布半徑增大，因而熔深略有減小而熔寬增大。余高減小，這時因為熔寬增大，焊絲熔化量卻稍有減小所致。焊接電壓過大時，焊劑熔化量增加，電弧不穩(wěn)，嚴(yán)重時會產(chǎn)生咬邊和氣孔等缺陷。焊接電壓過低時，電弧引燃困難，焊接過程不穩(wěn)定。只有電弧電壓與焊接電流較好的匹配，才能獲得較好的焊接過程，并且飛濺小，焊縫成型好。

本工程焊接電流、電壓參數(shù)選用見表2。

3.3焊接速度的選擇

焊接速度：單位時間內(nèi)完成的焊縫長度稱為焊接速度。

如果焊接速度過快，熔池溫度不夠，易造成未焊透、未熔合、焊縫成型不良等缺陷。如果焊接速度過慢，使高溫停留時間增長，熱影響區(qū)寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，機(jī)械性能降低，同時使變形量增大。通過大量試驗，焊接速度控制在30～35cm/min為宜。

3.4焊絲伸長度的選擇

干伸長度對焊機(jī)輸出的實(shí)際電流有很大影響，在焊接過程當(dāng)中，當(dāng)干伸長度大時，焊絲的電阻增大，實(shí)際電流減少所以很容易在送絲速度不變的情況下，出現(xiàn)熔深變淺，甚至根部未焊透。由于電阻增大，焊絲會因過熱而成段熔化，金屬飛濺嚴(yán)重，焊縫被空氣侵入形成氣孔缺陷幾率增大。當(dāng)干伸長度小時，焊絲的電阻減小，實(shí)際電流就增大，噴嘴與工件的距離縮短，會造成焊縫過高，成形不良，并且使得導(dǎo)電嘴過熱，燒壞導(dǎo)電嘴，造成焊絲堵死，還有造成的飛濺物粘住或堵住噴嘴，影響氣體流通，從而造成焊接有氣孔。

通常情況下，焊絲伸長距離宜為焊絲直徑的10倍，即伸長度取12mm。

3.5氣體流量

在焊接電流較大，焊接速度較大，焊絲伸出較長及室外作業(yè)等情況下，氣體流量要適當(dāng)增加，以使保護(hù)氣體達(dá)到足夠的挺度，提高其抗干擾的能力。當(dāng)氣體流量過大時，對焊縫熔池的吹力增加，冷卻作用加強(qiáng)，會形成紊亂氣流，破壞氣體保護(hù)，使焊縫產(chǎn)生氣孔等缺陷。因此合理控制氣體流量的速度可保證焊接后的質(zhì)量，本工程焊接過程氣體流量控制在15～20L/min。

3.6預(yù)熱溫度與層間溫度控制

碳當(dāng)量>0.5%時，鋼材的淬硬傾向增大，硬度增加，鋼材焊接熱影響區(qū)就容易產(chǎn)生冷裂紋。因此正式焊接工作開始前，對厚鋼板的焊縫區(qū)要進(jìn)行預(yù)熱，焊接時，由于局部的激熱速冷，預(yù)熱可緩解焊接區(qū)激熱，速冷的過程，減少焊接過程的收縮應(yīng)力，同時，可以排除焊接區(qū)的水分和濕氣。

本工程預(yù)熱采用電加熱或火焰加熱，通過火焰加熱預(yù)熱時，需保證焊道兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)均勻加熱，預(yù)熱溫度控制在80℃～120℃為宜。

層間溫度是多道焊縫及母材在施焊下一焊道之前的瞬時最高溫度，層間溫度過高會引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降。如低于預(yù)熱溫度則可能在焊接過程中產(chǎn)生裂紋。本工程的層間溫度控制在120℃～250℃。

溫度的監(jiān)測采用紅外線激光測溫儀，測溫時，激光點(diǎn)應(yīng)在焊縫兩側(cè)100mm處。

3.7焊接過程約束措施

厚板焊接過程中，除需控制合理的焊接參數(shù)，考慮理論數(shù)據(jù)與實(shí)際操作的差異，仍需增加外部物理約束措施。

本工程厚板均采用單邊V型坡口，在坡口正面兩端處增加兩塊約束鋼板，在坡口背面每600m設(shè)置一道約束鋼板，減少坡口側(cè)焊接接頭數(shù)量，約束板的規(guī)格300×150×20mm。大量試驗明，焊接冷卻過程中外部約束板對焊縫附近的塑性變形區(qū)的收縮等效于反向拉伸，可減小殘余應(yīng)力應(yīng)變， 采用合理的約束板布置可以有效的控制撓度變形與鼓曲度變形。

4.分析及總結(jié)分

本工程100mm厚板對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%。

通過焊前充分準(zhǔn)備及大量實(shí)驗結(jié)果表明，調(diào)節(jié)C02氣體保護(hù)焊相關(guān)焊接參數(shù)，及合理的設(shè)置焊接前的約束措施，可有效的控制厚板焊接引起的整體變形，且大大提高了勞動生產(chǎn)率，降低了成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時也為類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗，可大力推廣。

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（作者單位：中建二局安裝工程有限公司）

【中圖分類號】TU391

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）12-0049-03