大直徑厚壁異種鋼管現(xiàn)場(chǎng)CO2氣體保護(hù)焊技術(shù)

王維說

摘 要：CO2氣體保護(hù)焊是鋼結(jié)構(gòu)工程的最常用的焊接方法之一，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣是工程結(jié)構(gòu)安全與否的基礎(chǔ)。通過對(duì)大直徑、厚壁鑄鋼和鍛鋼焊接難點(diǎn)的剖析，從預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度及工藝試驗(yàn)多方面論證了工藝的可行性，制定了周密的焊接工藝措施，并成功應(yīng)用于深圳大運(yùn)中心主體育場(chǎng)工程，可為類似厚板鋼結(jié)構(gòu)工程焊接提供借鑒。

關(guān)鍵詞：預(yù)熱溫度；層間溫度；氣體保護(hù)焊；深圳大運(yùn)中心 引言

隨著我國(guó)大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的興建，鑄鋼件越來越多地應(yīng)用于以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑工程中，鍛鋼件也在大型場(chǎng)館建筑中得以應(yīng)用。深圳大運(yùn)中心主體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)主體中采用了大直徑厚壁鍛管，這是目前國(guó)內(nèi)建筑工程中第一次使用，因鑄鋼件、鍛鋼件制造工藝不同，環(huán)焊縫處于應(yīng)力集中區(qū)，且焊接區(qū)的拘束度大，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)條件差，焊后易出現(xiàn)焊接裂紋，故大直徑厚壁鑄鋼管、鍛管的現(xiàn)場(chǎng)焊接難度較大。

1 鑄鋼件鍛件概況及難點(diǎn)分析

1.1 本工程主體育場(chǎng)有20組鑄鋼節(jié)點(diǎn)和鍛管焊接，壁厚達(dá)200mm，鍛管重16.2t-28.2t，節(jié)點(diǎn)重70.8t-95.5t。

1.2 構(gòu)件驗(yàn)收嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及深化圖紙技術(shù)要求進(jìn)行，不符合質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件不準(zhǔn)進(jìn)場(chǎng)。根據(jù)鍛管長(zhǎng)度設(shè)置好鍛管下部的支墊高度，使焊口位置距操作架平臺(tái)1.3米高，以有利于焊工工作，并進(jìn)行垂直度校正。吊裝相應(yīng)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)就位，拼接、校正并固定，經(jīng)驗(yàn)收合格后交于焊接工段進(jìn)行焊接。鑄鋼節(jié)點(diǎn)與下部鍛管組合焊接（示意圖1）應(yīng)在每個(gè)單元安裝位置就近進(jìn)行，并應(yīng)在對(duì)應(yīng)吊車的起吊性能范圍。肩谷組合節(jié)點(diǎn)最重為123.7t，采用750t履帶吊進(jìn)行吊裝時(shí)應(yīng)在以吊車的回轉(zhuǎn)中心、半徑48m范圍內(nèi)組合焊接。

圖2焊接坡口和尺寸示意圖 圖3 焊接順序

1.3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)和鍛管材質(zhì)

鑄鋼管節(jié)點(diǎn)和鍛管的材質(zhì)牌號(hào)為GS-20Mn5N，選用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN17182，具體熔煉分析化學(xué)成份見表1（單位為%）。當(dāng)碳當(dāng)量在Ceq=0.4%～0.6%時(shí)，鋼材易淬硬，說明焊接性已變差。

直徑1400mm，200mm厚壁鑄鋼GS -20Mn5N，交貨狀態(tài)為正火鋼，其機(jī)械性能要求的機(jī)械性能為：屈服強(qiáng)度大于240MPa，極限抗拉強(qiáng)度為450-600MPa，延伸率≥20%，沖擊功≥34J。GS -20Mn5N鍛鋼交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)鋼，其技術(shù)要求屈服強(qiáng)度不低于310 MPa，極限抗拉強(qiáng)度490-650MPa， 延伸率≥20%，沖擊功≥34J。

1.4 鍛鋼和鑄鋼焊接的難點(diǎn)

正火鋼焊接熱輸入的確定主要依據(jù)是防止過熱區(qū)脆化和焊接裂紋兩個(gè)方面，一般要求熱輸入量較小。調(diào)質(zhì)鋼焊接不宜采用大直徑的焊條或焊絲，應(yīng)盡量采用多層多道焊工藝，最好采用窄焊道而不用橫向擺動(dòng)的運(yùn)條技術(shù)。這樣既可以使焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬有較好的韌性，又能減少焊接變形。

2 預(yù)熱溫度和后熱溫度的保證

本工程所采用的鑄造管、鍛管壁厚達(dá)200mm，為保證焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊接裂紋，焊接時(shí)必須進(jìn)行預(yù)熱及控制層間溫度。

2.1 拘束度分析

如圖1所示，節(jié)點(diǎn)自重較大，焊接時(shí)焊縫沿鍛管縱向的焊接收縮拘束度較大。鑄管鍛管壁厚達(dá)200mm，其自身沿徑向（直徑方向）和環(huán)向（圓周方向）有較大的焊接收縮拘束度。經(jīng)綜合分析，鑄鋼管柱的焊接拘束度定為高級(jí)。

2.2 確定預(yù)熱溫度的方法

預(yù)熱可以減小焊件與焊縫的溫度梯度，降低焊接接頭的冷卻速度，減少溫度差所造成的應(yīng)力和淬硬組織，預(yù)熱是防止冷裂紋有效措施之一。要求預(yù)熱的工件，其層間溫度不能低于預(yù)熱溫度，層間溫度的最大值參照AWSD 1.1：2000（美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范2000版）附錄XI選取的預(yù)熱溫度與層間溫度，按化學(xué)成分計(jì)算裂紋敏感成份參數(shù)Pcm及敏感度指數(shù)Pw， CO2氣體保護(hù)焊接含氫量低，為H1級(jí)，敏感成份參數(shù)和敏感度見表2。壁厚75mm以上的厚板不同拘束度下的最低預(yù)熱溫度和層間溫度見表3。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+V/10+5B=0.347

Pw=12Pcm+lgH=4.86 （取H=5）

故敏感度指數(shù)為E級(jí)。

表2 H1級(jí)含氫量敏感成份和敏感度

表3 大于75mm厚板的最低預(yù)熱溫度和層間溫度（℃）

查表3得最低預(yù)熱溫度和層間溫度為160℃，由此確定預(yù)熱溫度為160℃-170℃，層間溫度不低于預(yù)熱溫度，不高于200℃。

3 確定坡口、焊接材料、工藝參數(shù)

經(jīng)綜合分析確定鑄鋼管、鍛管口形式選用V型坡口，坡口形式及尺寸見圖2，坡口向外開，由鑄造廠加工。焊接材料和工藝參數(shù)的選用見表4。

表4 焊接材料及工藝參數(shù)的選用

4 焊接工藝評(píng)定

（1）因深圳大運(yùn)中心工程大直徑厚壁鍛管目前國(guó)內(nèi)建筑工程中首次采用，為確保焊接質(zhì)量，獲得適合本工程的各種焊接參數(shù)組合，按要求必須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

（2） 試驗(yàn)根據(jù)所選坡口形式、預(yù)熱與后熱溫度及焊接工藝參數(shù)，組合后焊件尺寸采用800mm×500mm×200mm，嚴(yán)格按焊接工藝要求進(jìn)行。

（3） 試件經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)及宏觀金相檢驗(yàn)均合格，說明所選焊接工藝規(guī)范合理，各種組合條件滿足施焊要求。

（4）焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的順利通過，為最終確定鑄鍛件焊接施工工藝方案提供了依據(jù)。

5 焊接工藝要求

5.1 對(duì)于安裝焊接這一關(guān)系到整體安裝質(zhì)量的特殊工序，在正式施焊前4-8小時(shí)提前進(jìn)行防護(hù)?；疽螅荷喜可酝革L(fēng)、但不滲漏；中部寬松，能抵抗強(qiáng)風(fēng)的傾覆，不致使大股冷空氣透入；下部承載力足夠3名以上作業(yè)人員同時(shí)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，需穩(wěn)定、無晃動(dòng)，不因甲的作業(yè)給乙的正在作業(yè)造成干擾；可以存放必需的作業(yè)器具和預(yù)備材料且不給作業(yè)造成障礙，無可造成器具材料失控墜落的縫隙，中部及下部防護(hù)采用阻燃材料遮蔽。在整個(gè)焊接過程中，要有專人跟蹤未來3天的天氣情況，如可能有下雨的天氣應(yīng)提前做好防雨的措施，保證整個(gè)焊縫的焊接能夠連續(xù)完成。endprint

5.2 焊前清理。GS20Mn5鋼具有淬硬傾向，因此在焊接前對(duì)鋼的熱切割面用角向磨光機(jī)進(jìn)行打磨處理，打磨厚度2 mm，至露出原始金屬光澤。同時(shí)對(duì)坡口加工造成的鈍邊、凹槽進(jìn)行打磨處理，要求不留鈍邊和避免坡口面留有加工凹槽。

5.3 坡口形狀控制。要求在加工及安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行深化圖紙要求，坡口角度35°，間隙10mm。焊前進(jìn)行坡口形狀檢查，項(xiàng)目為錯(cuò)邊、間隙、焊縫原始寬度三項(xiàng)。

5.4 預(yù)熱、層間溫度及后熱溫度控制。GS20Mn5鋼在150 ℃～200 ℃冷裂紋敏感性小。焊接前，用履帶式電加熱器對(duì)焊縫處進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)各150mm，預(yù)熱溫度至160～170℃后， 恒溫1小時(shí)，層間溫度不低于預(yù)熱溫度，不高于200℃。焊接完畢后，立即進(jìn)行后熱處理，后熱溫度250 ℃～300 ℃，后熱時(shí)間3-4h后熱完成，用巖棉包裹保溫緩冷至環(huán)境溫度。

5.5 測(cè)溫方法。測(cè)溫采用紅外測(cè)溫儀，測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在焊縫原始邊緣兩側(cè)各100 -150 mm處。使用紅外測(cè)溫儀時(shí)，需注意測(cè)溫儀需垂直于測(cè)溫表面，距離應(yīng)不大于200mm。層間溫度測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)在焊道起點(diǎn)，距離焊道熄弧端300 mm以上。后熱溫度測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)在焊道表面。當(dāng)焊縫焊接溫度低于要求時(shí)，立即加熱到規(guī)定要求之后在進(jìn)行焊接。當(dāng)焊縫焊接溫度高于要求時(shí)，緩冷到規(guī)定要求之后進(jìn)行焊接。

5.6 使用高純度的二氧化碳?xì)怏w，其純度應(yīng)保證：CO2含量≥99.9%，水蒸氣與乙醇總含量（V/V）不得高于0.005%，并不得檢出液態(tài)水。實(shí)芯焊絲開盤后應(yīng)連續(xù)用完避免受潮。

5.7 焊接順序。把圓周分成三等份（如圖3），預(yù)熱溫度達(dá)到后，由三名有兩個(gè)以上工程厚板焊接經(jīng)驗(yàn)的焊工保持同時(shí)、同速、對(duì)稱施焊，并選擇相同的焊接電流參數(shù)及每層的焊接厚度，保證相同的焊接熱輸入，使收縮趨于同步。

6 結(jié)束語

因準(zhǔn)備充分，焊接過程控制嚴(yán)格，焊縫外觀質(zhì)量良好。焊接緩冷至環(huán)境溫度24h后，經(jīng)100%超聲波檢測(cè)和100%磁粉探傷，焊縫的內(nèi)部質(zhì)量均一次性達(dá)到一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，獲得了十分理想的結(jié)果。通過對(duì)深圳大運(yùn)中心主體育場(chǎng)大直徑鑄管鍛管的焊接實(shí)踐，豐富了現(xiàn)場(chǎng)異種鋼材厚板焊接技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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