復雜工況下提高超厚鋼板焊接質量研究

常志勝

（中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039）

0 引言

低溫、大風、雨雪等環境對鋼結構露天高空焊接施工影響極大，既影響施工人員的安全，又影響焊接質量，復雜工況下鋼結構焊接是施工過程中的關鍵難題，特別是對于超厚板，大截面的焊接接頭，極易產生焊縫裂紋和因溫度驟降使焊接焊縫、焊縫熱影響區的材料性能降低。因此采取適當的防護措施及焊接施工技術以保證復雜工況下，焊接質量是技術人員普遍關注的問題。在冬季進行焊接施工時，通過從設計角度深化節點構造；從技術方面優化焊接順序、焊接工藝；從焊接方面明確焊絲材質、控制溫度；在作業面搭設平臺、防風棚等措施，改善焊接施工作業環境，通過一系列技術措施，使復雜工況下焊接規避沿厚度方向應力集中、焊接變形過大、焊縫質量缺陷等不良現象，開展復雜工況下超厚鋼板焊接質量研究，可以滿足華北地區復雜工況下焊接施工的要求。

1 工程概況

北京地鐵19 號線新宮車輛段項目位于北京市南四環外，車輛段占地面積30.05 萬平方米，聯合檢修庫建筑面積約12 萬平方米，地上2 層，結構高度17.5m，工程總用鋼量約3 萬噸。主要采用Q355B 鋼材，涉及最大板厚80mm，Z 向性能要求為Z35。本工程鋼結構施工處于冬期施工，多大風、冰雪天氣，最低溫度達-15℃。項目為型鋼混凝土結構，鋼柱主要采用十字型截面，最大尺寸為1500×700×25×80mm，部分采用H 型柱+鋼板墻組合構件，厚板立焊縫長達13.6m，焊接填充量近0.2t，焊接施工的工程量大，大風、冰雪及低溫等復雜工況下焊接質量及焊接變形難控制。

2 焊接難點及對策

2.1 低溫對焊接質量的影響

鋼結構低溫焊接的主要危害為焊接裂紋和脆斷。由于周圍環境溫度過低，導致熔敷金屬在焊后冷卻速度過快，使焊縫及熱影響區出現馬氏體等脆性組織。同時冷卻速度加快，還會使氫透出時間變短，金屬中殘留的氫濃度增加，延遲裂紋傾向增大。除此以外，在結構拘束度比較大的情況下，冷卻速度過快容易導致焊縫金屬偏析，在焊縫偏析處產生結晶裂紋。

根據低溫厚板焊接特點，需要采用合適的焊接工藝以及保障措施，保證施焊環境、焊縫溫度及焊接構件到達正溫，從而到達與常溫條件下質量相同的焊縫。主要策略包括控制焊縫金屬的冷卻時間，避免焊縫及熱影響區出現馬氏體等脆性組織；采取焊后熱處理及保溫緩冷措施，減緩焊接點的冷卻速度，逸出焊縫中的擴散氫和消除焊接應力，改善和提高焊接接頭性能。

2.2 大風、潮濕環境對焊接質量的影響

在雨雪天或潮濕環境中焊接時，因為空氣中含有較多水分，電弧會使水熱分解產生氫氣，導致焊接容易出現氫致裂紋出現。同時容易導致焊絲受潮，會嚴重影響焊接質量。此外大風天氣焊接會破壞CO2氣體對弧柱區及熔池的流動作用，容易導致焊縫氧化并產生氣孔，進而影響焊接質量。針對大風、潮濕天氣環境采取搭設焊接防風棚，焊絲防潮、焊前脫濕等措施減少其對焊接質量的影響。

3 焊接前準備

3.1 焊接材料準備

根據《建筑工程冬期施工規程》（JGT J104—2016）及《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ 81—2019）規定，選用負溫度下鋼結構用的焊絲，在滿足設計強度前提下，選用屈服強度較低，沖擊韌性較好的焊接材料，同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性。

二氧化碳氣體保護焊選用高純度氣體（純度達99.9%，含水量不高于0.005%），將氣瓶置于0℃以上的棚內，同時檢查瓶嘴有無冰凍阻塞情況。焊材庫中應有脫濕設備，焊絲使用過程中應采取防潮措施，避免氫致裂紋產生。

3.2 焊工防護

焊工在復雜工況焊接前，需進行焊接技術理論教育和焊接適應性訓練，取得合格證后才能進行焊接施工。焊接作業前，應配備棉鞋、帽子等防寒用品，能較長時間抵抗嚴寒并可防滑。由于低溫焊接對焊工的體力消耗較大，應減少倒班時間。同時在焊接施工過程中時，應配備專門監護人，對焊工工作狀態進行監控及判斷，保證焊接工作的順利進行和焊工人身安全。

3.3 施工作業平臺及要求

搭設合適的焊接防護棚是保證焊接質量的重要因素。采用腳手架、三防布等搭設防風保暖棚將焊縫與外界隔離，保持施焊的溫度在規定范圍內，既為焊接作業人員提供適宜作業局部環境又保證焊縫的質量。操作棚底部應密實，防止沿焊道形成穿堂風。

4 復雜工況下的焊接施工措施

4.1 溫度控制措施

4.1.1 焊接預熱

通過在焊接前對焊接區域進行局部加熱，延長降溫時間，避免焊縫中生成馬氏體等脆性組織，預熱是消除延時裂紋的有效手段，通過預熱增加焊接熱循環，有利于氫的擴散溢出。除此以外采用焊前預熱的工藝能夠減小焊接過程與焊接前后的焊接材料的溫差，從而使得焊接材料在焊接過程中收縮均勻。本工程預熱采用氧氣—乙炔中性火焰加熱，為了確保Z 向性能鋼板保持良好的延伸率，預熱范圍由常溫焊接坡口兩側不小于100mm、板厚的1.5 倍，增加到不小于150mm、板厚的2 倍。經實驗表明當溫度在200～300℃的范圍內會降低鋼材的延伸率，因此預熱溫度應控制在100～150℃，并在焊接過程中持續保持。

4.1.2 焊接層間溫度控制

焊縫層間溫度控制在90～130℃之間，每個接頭需一次性焊完。焊接前及時收集氣象信息，根據天氣情況組織施焊。遇特殊情況中途必須停止焊接，并對焊縫進行熱處理和防護措施。當重新焊接時需對焊縫重新加熱，加熱溫度比焊接前需提高20～30℃。

4.1.3 焊后處理

低溫焊接的后熱溫度應不低于220℃，保溫時間必須滿足焊接規范要求（即焊接板厚按每25mm 厚度不小于0.5h，保溫時間不少于1h）。之后使其緩冷至常溫，緩冷至常溫的時間不應小于1.5h。當節點焊接完成后，必須對節點整體加熱到規定溫度，立即進行緩冷處理防護。當焊縫后熱處理達到要求后，采用保溫措施，需包裹密實，確定保溫時間達到緩冷效果。焊接防護棚及保溫材料應在焊縫接點完全冷卻后，才可以拆除。

4.2 焊接順序

十字型柱焊接由四名焊工對稱焊接。先對稱焊接腹板焊縫，再對稱焊接翼緣板焊縫。焊接嚴格按照分層多道的方式進行，先焊接大于20mm 的焊縫厚度，保證根部焊縫不因焊接應力而受到破壞，再循環焊接，每個循環焊接厚度應控制在20mm 內（共計2～3 層），各層焊縫的接頭應相互錯開，每焊完一層都要清除熔渣及飛濺物，如發現有氣孔、夾渣、未焊透等缺陷時，必須清除重焊，直到將焊縫焊接完成。

圖1 焊接順序

圖2 焊接約束板

4.3 焊接約束措施

為減小焊接變形，在焊縫位置設置三角約束板固定，約束板焊接在鋼板焊縫兩側。為確保約束效果，焊接約束板采用20mm厚鋼板，間距為1m 一道進行布設。

4.4 焊接質量檢測

焊接完成后需對焊縫外觀進行檢測，焊縫表面需平整、光滑、美觀，焊縫不得有夾渣、氣孔、裂紋、未焊滿、咬邊等缺陷，嚴格檢查焊縫的位置和尺寸，保證焊縫長度、寬度、厚度均在要求范圍內。采用超聲波進行內部缺陷檢測，焊接的質量應符合低溫鋼結構焊接的質量標準。

5 結束語

本工程通過應對復雜工況而采取適宜防護措施，既保證施工作業安全，又提供適宜焊接作業環境，從焊接前準備、焊前預熱、焊接順序的合理布置、焊后加熱及保溫及焊接檢測等措施，避免了鋼結構在復雜工況環境下焊接裂紋和殘余應力，有效抑制了低溫對超厚鋼板焊接的影響，為鋼結構在復雜工況環境下施工提供了借鑒和參考。