高層建筑中厚鋼板的焊接施工技術(shù)探討

栗勝華

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑及大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑大量涌現(xiàn)，厚鋼板和超厚鋼板得到了大量的使用。以某鋼結(jié)構(gòu)高層建筑工程為背景，對(duì)超厚鋼板的焊接施工技術(shù)做了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；厚鋼板；焊接技術(shù)

1 工程案例

某高層建筑工程項(xiàng)目是該地的標(biāo)志性建筑?？傄?guī)劃建筑面積為42.1萬m2，其中地上建筑面積33.5萬m2，包括3棟高層建筑（45～52層）及6層裙房，其中A塔為48層甲級(jí)辦公樓、高度為245.1m；B塔為52層高檔公寓及五星級(jí)酒店，高度為266.4m，C塔為45層高檔住宅，高度為177.4m。建筑結(jié)構(gòu)形式為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，鋼板為Q345B，最厚鋼板達(dá)60mm以上。

2 厚鋼板的焊接施工技術(shù)

2.1 主要焊接材料

（1）母材

該工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用了多種厚度的鋼板，最厚鋼板達(dá)60mm以上，均屬于厚鋼板系列。鋼板為Q345B，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，焊接時(shí)對(duì)冷卻速度較為敏感。

（2）焊接材料

埋弧自動(dòng)焊：開坡口交焊縫采用H08Mn2E焊絲配氟堿型SJl01q焊劑焊接，不開坡口焊縫采用H10Mn2焊絲配氟堿型焊劑SJl01焊接。焊絲的直徑根據(jù)不同坡口形式采用不同的焊絲直徑。

CO2氣體保護(hù)焊：

普通角焊縫CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊采用藥芯焊絲TWE-711焊接；熔透角焊縫采用TWE-711Ni焊接，焊絲直徑1.2mm。TWE-711為碳鋼及490MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼用之氣體保護(hù)藥芯焊絲。使用純C02為保護(hù)氣體，適用于全位置焊接，電弧穩(wěn)定、火花少、悍渣剝離性件、X-Ray檢測(cè)性能優(yōu)異，具有良好的低溫沖擊韌性。

手工電弧焊：采用J507RH焊條焊接，焊條直徑3.2mm或4mm。J507RH是高韌性超低氫鈉型低合金鋼焊條。具有良好的塑性、低溫韌性和抗裂性能，工藝性能較好。

2.2 焊接前準(zhǔn)備

該地區(qū)的冬季平均氣溫-2.1℃，屬于焊接冬季施工，如采取的焊接施工措施不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，并產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)焊接作業(yè)區(qū)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)將構(gòu)件焊接區(qū)各方向大于或等于二倍鋼板厚度且不小于100mm范圍內(nèi)的母材，加熱到20℃以上后方可施焊，且在焊接過程中均不應(yīng)低于這一溫度。對(duì)于Q345級(jí)別鋼材，當(dāng)在板厚超過60mm情況下，應(yīng)采取焊前預(yù)熱及焊后熱處理。

根據(jù)理論分析，低溫焊接施工的著重要點(diǎn)是預(yù)防冷熱裂紋的產(chǎn)生。預(yù)熱是防止產(chǎn)生冷熱裂紋的有效措施。預(yù)熱可以降低焊接冷卻速度，抑制熱影響區(qū)中淬硬馬氏體的產(chǎn)生，降低熱影響區(qū)的硬度和焊接應(yīng)力，有助于氫從焊接接頭中逸出。

預(yù)熱方式主要有電加熱、火焰加熱等方式，電加熱與火焰加熱相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：預(yù)熱區(qū)域受熱均勻，有效防止局部受熱造成的接頭附加應(yīng)力；升溫速度均勻、可控，防止造成母材過熱等現(xiàn)象，可達(dá)到母材充分均勻預(yù)熱；對(duì)于整體結(jié)構(gòu)焊縫而言，防止受熱不均造成構(gòu)件變形。本工程中對(duì)低溫作業(yè)條件下厚板焊接采用電加熱方式，預(yù)熱溫度進(jìn)行不低于140℃的要求，測(cè)溫點(diǎn)的距離要求為離焊縫坡口邊緣50mm，時(shí)間為4-5h。要求時(shí)刻監(jiān)控焊縫的溫度，其中層間溫度的控制要求是不小于預(yù)熱時(shí)的溫度。當(dāng)層間的溫度太低時(shí)，應(yīng)立即開始火焰加熱補(bǔ)償，等到了指定要求后才能繼續(xù)進(jìn)行焊接。因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)焊接中采取的固定方式為剛性，為防止由于氫和應(yīng)力共同作用在焊縫根部產(chǎn)生延遲裂紋，對(duì)于大于60mm的厚板施焊時(shí)，應(yīng)采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施，后熱溫度不低于250℃，持續(xù)恒溫2h后，再進(jìn)行保溫覆蓋，緩慢冷卻至常溫。該措施可以減緩焊縫的冷卻速度，有助于擴(kuò)散氫的逸出。

在低溫環(huán)境施工中，SMAW焊接根據(jù)Av值（1根焊條所焊焊縫的長度與該焊條長度（除焊條頭）之比）控制熱輸人容易成功。在Av>0.6的條件下，通過控制不同焊接位置的Av完成了大電流、薄焊道、多層多道的焊接技術(shù)，有效的提高了焊縫的溫度，避免了淬硬組織的發(fā)生。

焊后熱處理，是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時(shí)，進(jìn)行的低溫?zé)崽幚怼Ｒ话阋?guī)范為加熱到200～350℃，保溫2～6小時(shí)。焊后熱處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對(duì)于防止低合金鋼焊接時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。

2.3 焊接工藝選定

經(jīng)過對(duì)施工條件以及施工質(zhì)量要求的充分考慮，最終決定對(duì)于厚鋼板采用多層多道施焊方法。

（1）可以減少焊接變形。單層焊的時(shí)候，一般都要運(yùn)條，焊縫寬度比較寬，變形比較大。多層焊時(shí)一般是不運(yùn)條，可以減少變形量；

（2）減少焊縫應(yīng)力。由于單層焊時(shí)變形大，造成了應(yīng)力也比較大。多層焊時(shí)的變形小，在焊接結(jié)構(gòu)的剛性比較大時(shí)，所產(chǎn)生的拘束應(yīng)力會(huì)大大減少；

（3）防止焊縫過熱。由于多層焊時(shí)的輸入熱量比多層焊時(shí)小，焊縫的熱影響區(qū)小，焊縫高溫停留時(shí)間短，防止了焊縫接頭的過熱，有效的改善了焊縫接頭的金相組織；

（4）可以起到焊后熱處理的作用。多層焊時(shí)，后道焊縫對(duì)前道焊縫進(jìn)行退火處理，減少了前道焊縫的應(yīng)力，同時(shí)由于后道焊縫到前道焊縫的再加熱，細(xì)化了前道焊縫的晶粒，提高了焊縫的整體韌性；

（5）多層多道焊可以提高焊縫金屬的質(zhì)量，特別是塑性，這是因?yàn)楹髮樱ǖ溃┖缚p對(duì)前層（道）焊縫具有熱處理的作用，相當(dāng)于對(duì)前層（道）焊縫進(jìn)行了一次正火處理，因而改善了二次組織。對(duì)最后一道焊縫，可在其焊縫上再施焊一條退火焊道；

（6）多層焊時(shí)應(yīng)連續(xù)施焊，中間可采取輪流換人進(jìn)行焊接，如中途必須中止焊接，則應(yīng)采取以下措施：焊滿坡口2/3以上深度；立即蓋上多層石棉布保溫，并作好臨時(shí)固定壓緊；重新焊接時(shí)，需在規(guī)定的預(yù)熱溫度基礎(chǔ)上再提高25～50℃進(jìn)行預(yù)熱，必須使板厚方向預(yù)熱透；應(yīng)控制層間溫度<230℃，但不應(yīng)低于預(yù)熱溫度；

（7）每一焊道焊接完成后應(yīng)及時(shí)清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷時(shí)，應(yīng)清除后方可再焊。在連續(xù)焊接過程中應(yīng)控制焊接區(qū)母材溫度，使層間溫度的上、下限符合工藝文件要求。遇有中斷施焊的情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)暮鬅岜卮胧┰俅魏附訒r(shí)重新預(yù)熱溫度應(yīng)高于初始預(yù)熱溫度。坡口底層焊道采用焊條手工電弧焊時(shí)宜使用不大于4mm的焊條施焊，底層根部焊道的最小尺寸應(yīng)適宜，但最大厚度不應(yīng)超過6。

2.4 焊接現(xiàn)場測(cè)試

對(duì)工程中涉及的焊接材料、規(guī)格及其焊接位置進(jìn)行了焊接測(cè)試檢驗(yàn)。低溫焊接測(cè)試分析：

（1）環(huán)境溫度的變化對(duì)焊接質(zhì)量造成的影響并不是決定性的。環(huán)境溫度的改變，尤其是母材本身的溫度，以及焊接后熱是保證低溫焊接成功的關(guān)鍵因素。

（2）預(yù)熱溫度的不同會(huì)造成強(qiáng)度上的差異，尤其厚板焊接，低溫環(huán)境肯定會(huì)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)造成影響。

（3）預(yù)熱溫度的降低會(huì)造成焊縫綜合指標(biāo)的降低，原因是環(huán)境溫度太低會(huì)直接加速焊縫的冷卻。

3 結(jié)語

在高層建筑工程施工中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)中常常會(huì)遇到超厚板的焊接，焊接過程中，由于焊接熱的存在，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形，而在施工過程中，要想方設(shè)法把焊接殘余應(yīng)力和殘余變形減低到最低，所以選擇合適的焊接材料，采取合理焊接工藝尤為重要。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王濤.淺析焊接在高層建筑施工中的質(zhì)量管理[J].黑龍江科技信息，2011（24）.

[2]任鵬，劉建彪.論鋼焊接在高層建筑施工中的質(zhì)量管理[J].土木建筑學(xué)術(shù)文庫，2011（1）.

[3]滕秀宙.淺析高層鋼結(jié)構(gòu)焊接現(xiàn)場的施工工藝[OL/J].城市建設(shè)理論研究（電子版）.2014（36）.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]