箱形鋼梁焊接施工工藝在北京城市副中心行政辦公區地塊建筑中的應用

白澤飛

一、工程概況

北京城市副中心行政辦公區二期啟動區FZX-0901-0160地塊項目總建筑面積175693.91m2，占地面積38362.566m2，地上采用鋼框架支撐結構，地下為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，地上鋼柱截面均為箱型，樓梯柱為H型，地下的勁性柱為十字型截面。

二、箱形鋼梁焊接方案

焊接方法多樣，包含單面或雙面坡口、反面清根等，此類方法取得的焊接質量較好，但需要采取清根措施，而箱梁可能會在清根過程中出現明顯的變形。此外，箱梁主焊縫的變形屬于結構焊縫，有一定程度的扭曲，而此類扭曲的出現具有一定程度的不可修復性，因此需要選擇無需清根的焊接工藝。對此，根據焊接質量要求以及類似工程經驗，提出“單面坡口、反面免清根”的方案，具體作業要點有：

1.CO2氣體保護焊，從箱內焊四條角焊縫，代替焊條，在此方式下，一方面可避免焊接時燒穿的問題，另一方面則有助于保證箱體的剛性。

2.箱外坡口焊接施工采用的是船位埋弧自動焊的方法，焊接時保持較大的熱輸入量以及較慢的焊接速度，在此條件下焊透CO2氣體保護焊施工后留下的未熔透部分。經前述的焊接處理后，無需額外清根。

三、工藝原理

1.箱內先采用CO2氣體保護焊的方法予以焊接，提高箱梁的剛性，以免在后續出現不同程度的變形。同時，CO2氣體保護焊的線能輸入量較小，若操作得當，通常不會出現冷裂紋和氫氣孔，焊接質量較好。

2.箱外船位埋弧自動焊，此部分施工采取的是單坡口、不清根的方法，精細化調整焊接工藝參數，規范作業，做到熔透，保證焊接質量。待主梁焊接后，箱梁的剛性進一步提升，而后再繼續采用CO2氣體保護焊的方法，完成箱內隔板、加強板等焊縫的焊接作業。

3.對于鉚工工藝的選取，以有效控制構件外形尺寸為基本前提，挑選適宜的工藝。例如，對隔板和腹板做刨邊處理；腹板與翼板組對時頂緊，在該組合關系下采取無間歇焊接的方法；焊接前，先將箱內的隔板以及加強板組裝成型，由此來提升箱梁的整體剛性。

四、埋弧自動焊工藝參數的設定

焊接工藝參數的合理與否將直接影響焊接效果，在焊接工藝參數具有可行性時，可有效保證熔深，并達到焊透的效果。對于埋弧自動焊，其關鍵的焊接工藝參數，如下：

1.焊接電流

熔深為3～4mm，根據焊接電流與熔深的關系（如圖1所示），選擇合適的焊接電流，即550～650A。

圖1 焊接電流與熔深的關系示意圖（1為Y形坡口；2為I形坡口）

2.電弧電壓

在熔深為3～4mm時，確定第一遍的電弧電壓，即28～32V。

3.焊接速度

盡可能做到勻速焊接，全程穩定在25～26m/h時較為合適。

4.埋弧自動焊接工

根據前述分析，確定埋弧自動焊接工藝的關鍵參數，將數據代入式（1），經過計算后判斷是否可以熔透：

式（1）中：h為熔透深，mm；K為焊透工藝常數，取0.0012；V為焊接速度，mm/min；U為電弧電壓，V；I為為電流，A。

經計算，確定熔深的上、下限值分別為4.6mm、4.7mm。從實際焊接作業情況來看，焊接的熱損失量理論上高于實際值（僅存在小幅度的偏高現象），可滿足焊透的要求。前述提及的內容屬于第一遍的焊接工藝設計思路，而對于后續的第二、三遍，則按照常規焊接方法執行即可。

5.加大熔深

為加大熔深，需要選擇合適的焊絲，通常以直徑為3.2mm的焊絲為宜，焊絲至根部的距離為3mm，根據此數據展開計算，確定坡口角度，即55°，對應鈍邊控制在1～1.5mm。

基于前述提及的數據展開模擬試驗，焊接完成后，安排超聲波探傷檢測。在焊接的18節箱梁中，僅有極少部分存在少量的氣孔、夾渣問題，經統計，合格率達到98%以上；針對存在氣孔、夾渣問題的部分安排返修，進一步檢測發現，實測結果均滿足要求。總體來看，箱梁結構的質量良好，無變形、剛性異常下降等問題，且焊接全程無需矯正。

五、焊接工藝的具體應用

1.在找平的平臺上放置箱梁，安排4名員工，從中間開始逐步向兩端施焊。在應用CO2氣體保護焊的方法后，完成4條主焊縫的焊接作業，焊縫高度5～6mm。

2.在CO2氣體保護焊的基礎上，用船位埋弧自動焊的方法焊接箱梁外側四條角焊縫，此階段的焊接順序如圖2所示。為順利完成焊接作業，需在焊縫兩端設引弧板；隨著焊接施工進程的推進，在焊接二、三道焊縫時，需要檢查前一層，識別該部分的缺陷，予以有效的清理。

圖2 箱梁焊接順序

3.在箱梁內隔板和加強板的焊接施工中，采用CO2氣體保護焊的方法，參與焊接的焊工對稱站位，不可集中在某一處。嚴格控制坡口的尺寸，用刨邊機做刨邊處理，當板的厚度在16mm以內時，其剛度相對有限，為避免板材變形，刨后鈍邊應做到均勻一致，適度修磨超差處；此外，要求腹板與翼板組對并頂緊。

4.焊接前做好準備工作，即全面清理焊縫及周邊的油污等各類雜物，以免影響焊接質量。正式焊接時，協調“刨邊、組對、焊接”三道工序，縮短相鄰兩道工序的中途間隔時間。

5.焊材的質量會直接影響焊接施工效果，因此需要合理選擇焊材。其中，焊接母材以16Mn鋼為宜，焊絲主要為H08MnA，焊劑為H431，定位焊條選用T507。盡可能選擇新焊劑，原因在于老舊的焊劑可能存在顆粒分布不均的情況，或是焊劑內夾雜部分泥土，此類存在缺陷的焊劑被投入使用后，成型的焊縫極有可能出現氣孔、夾渣等質量問題，嚴重影響焊接效果。除此之外，需按照要求對焊劑做適度的烘烤處理，此舉目的在于驅趕潮氣，以免焊劑產生氣孔。

六、冬期低溫條件下的焊接作業要點

焊接易受到現場溫度的影響，因此施焊前需要獲取天氣預報信息，對焊接工期內的天氣情況做初步的了解，在惡劣天氣來臨前，及時調整計劃，暫時停止焊接作業。若焊縫已開焊，此時需在不影響焊接質量的前提下趕工期，焊完板厚的1/3時方可停焊，并在暫停作業后采取熱處理措施，后續恢復焊接時，以預熱的方式提高溫度。

1.焊接預熱

焊接預熱選擇火焰加熱法，首先在焊縫管坡口兩側焊接，該部分焊縫的寬度達到板厚的1.5倍且至少為150mm，加熱溫度超36℃，達到該溫度條件后方可施焊。

2.焊接層溫的控制

加熱選擇的是氧氣和乙炔氣體中性焰加熱的方法，焊接時層間溫度控制在80℃～200℃，用測溫儀監測焊接時的溫度，對比分析焊縫溫度與設計值的關系，若低于設計值，則隨即加熱至合理的溫度區間，而后再恢復焊接。

七、結語

綜上所述，在箱形鋼梁焊接施工中，需要合理選擇CO2氣體保護焊、埋弧自動焊等可行的方法，加強對焊接溫度、焊接速度等關鍵參數的檢測與控制，注重對處細節的檢查，及時發現問題并妥善處理，最終全面保證箱形鋼梁的焊接效果。