超低溫環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)焊接

朱智文 蔣曉斌

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412000）

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超低溫環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)焊接

朱智文 蔣曉斌

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412000）

摘 要：寒冷地區(qū)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，使用常規(guī)焊接技術(shù)難以施工。本文主要介紹超低溫條件下鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工技術(shù)，包含-30℃環(huán)境下厚鋼板焊接施工技術(shù)和-42℃環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)手工電弧焊焊接技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，以期為進(jìn)一步研究提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超低溫 鋼結(jié)構(gòu) 焊接

1 超低溫環(huán)境下焊接技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的焊接性

鋼結(jié)構(gòu)的焊接是指鋼材料經(jīng)過(guò)加壓、加熱、加壓且加熱，使用或者不使用焊接所需的填充材料，使得鋼焊件間的原子間相互結(jié)合的加工方法。影響鋼材焊接性因素主要包括溫度、環(huán)境、鋼材材質(zhì)、鋼材厚度、鋼材和焊條的化學(xué)成分。

1.2 焊機(jī)和焊條的選擇

超低溫環(huán)境下進(jìn)行鋼焊接，應(yīng)盡量選擇沖擊韌度好、屈服強(qiáng)度低的鈦鈣型或低氫型焊條；當(dāng)要求焊縫平整、美觀、光滑時(shí)，應(yīng)選擇鈦鈣型或鈦型焊條；當(dāng)要求抗裂性、韌性、塑性較高時(shí)，可選擇低氫型焊條。

2 -30℃環(huán)境下厚鋼板焊接施工技術(shù)

本項(xiàng)目是在沈陽(yáng)進(jìn)行，室外溫度最低為-30℃；鋼材板厚最大為100mm，個(gè)別結(jié)構(gòu)中的焊縫較為密集，焊接填充料近500kg。

2.1 -30℃環(huán)境下鋼板厚焊接特點(diǎn)

由于工程處于寒冷的沈陽(yáng)，室外溫度最低可達(dá)到-30℃。對(duì)鋼材進(jìn)行焊接時(shí)，其表面溫度會(huì)迅速降低，焊縫處迅速形成內(nèi)部結(jié)晶，其塑性和彈性顯著增加，易在焊縫處形成層狀撕裂。因此，難以用普通焊接技術(shù)保證焊接質(zhì)量。本文采用的鋼板帶加強(qiáng)層，厚度可達(dá)600～1100mm，焊接時(shí)易產(chǎn)生變形，在核心十字區(qū)域焊縫密集，焊接殘余應(yīng)力較大，易造成焊縫重疊，相互之間的影響較大。

2.2 -30℃環(huán)境下鋼板厚焊接技術(shù)的關(guān)鍵及實(shí)施過(guò)程

經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐研究，本文總結(jié)了超低溫厚鋼板焊接技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)：先進(jìn)的加熱保溫措施、焊接順序和安裝順序的合理性以及焊接工藝的優(yōu)化。

2.2.1 焊接前的準(zhǔn)備工作及預(yù)熱工作

焊接前，應(yīng)該做好以下準(zhǔn)備工作：（1）采用高性能實(shí)芯焊絲，同時(shí)進(jìn)行保溫和烘焙，以防止焊縫在低溫環(huán)境下產(chǎn)生冷脆的現(xiàn)象。（2）搭防護(hù)棚，為焊接工作提供一個(gè)相對(duì)密閉的空間，保證焊接環(huán)境熱量最大化。

焊接前的預(yù)熱工作：焊接前，采用電加熱法對(duì)鋼材進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接前清理焊縫間的雜質(zhì)以保證焊接的質(zhì)量，根據(jù)鋼材的不同厚度選擇不同的加熱溫度，在焊縫坡口兩側(cè)120mm內(nèi)的范圍進(jìn)行加熱。

2.2.2 控制焊接層溫

通過(guò)加熱、保溫、紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)等方式，保證焊接層溫度保持在120～150℃。當(dāng)焊縫需要重新預(yù)熱時(shí)，加熱溫度應(yīng)相應(yīng)提高20～30℃。

2.2.3 焊后加熱處理及焊后保溫

焊接后，應(yīng)立即實(shí)施焊后加熱處理?？梢蕴岣呓宇^溫度，盡量保證焊接區(qū)域儲(chǔ)熱均勻，以最大程度消除焊接面層和根部的溫差、遠(yuǎn)近焊縫的溫差、橫向焊縫上下部之間的溫差等。

焊后保溫：為降低熱量散失速度，采用電加熱設(shè)備將焊縫兩側(cè)的溫度加熱至200～250℃，保溫60～90min；可加蓋至少5～8cm的耐高溫、保溫性能好的保溫棉，以阻止外界環(huán)境對(duì)焊接件的降溫。

2.2.4 -30℃超低溫厚鋼板的焊接方向和焊接順序

工字柱焊接順序：當(dāng)鋼板為雙坡口，厚度大于35mm時(shí)，應(yīng)先焊接腹板，接著同步對(duì)稱地焊接翼緣板，最后割除引弧板、打磨、探傷。當(dāng)鋼板為單坡口、厚度小于35mm時(shí)，應(yīng)先焊接翼緣板，接著焊接腹板，最后割除引弧板、打磨、探傷。

十字型柱焊接順序：先對(duì)稱焊接腹板，再對(duì)稱焊接翼緣板，整個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行（每個(gè)循環(huán)焊接的厚度應(yīng)控制在20mm以內(nèi)），保證焊接應(yīng)力不會(huì)破壞根部的焊縫，直至完成焊接工作。

鋼梁的焊接順序：鋼板的兩端不可同時(shí)焊接，待一側(cè)焊縫冷卻至常溫時(shí)，再進(jìn)行另一側(cè)的焊接。

2.2.5 超低溫厚鋼板焊接的應(yīng)力控制措施

在焊縫兩側(cè)設(shè)置約束板，以減小焊接的收縮變形，其位置可根據(jù)工程實(shí)際靈活設(shè)置?？梢赃m當(dāng)增加約束支撐，以最大限度減少焊接殘余變形；采用零件整平、超聲波振動(dòng)、振動(dòng)時(shí)效法等方法釋放焊后殘余應(yīng)力。

3 -42℃環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)手工電弧焊焊接工藝

本項(xiàng)目是在蒙古國(guó)巴格諾爾進(jìn)行，室外最低溫度可達(dá)-42℃，需完成342t鋼結(jié)構(gòu)焊接拼裝任務(wù)。

3.1 焊接材料及焊接工具

焊接材料：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇適宜的電焊條，并進(jìn)行相應(yīng)的保溫和烘焙處理，嚴(yán)謹(jǐn)采用生銹、脫落的焊條，且忌酸堿焊條混用；（2）在進(jìn)行坡口連接時(shí)，應(yīng)采用引弧板。焊接主要機(jī)具：焊鉗、電焊機(jī)（交、直流）、氧乙炔焊槍、焊條保溫桶及烘箱等。

3.2 -42℃環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)手工電弧焊的焊接工藝

焊接前的準(zhǔn)備工作：技術(shù)人員要熟悉施工作業(yè)圖紙、施工技術(shù)、施工要求、施工目標(biāo)、施工流程等，選擇適宜的施工場(chǎng)地。焊接前，要根據(jù)焊件厚度，對(duì)焊材進(jìn)行預(yù)熱處理?？刹捎醚跻胰不鹧婧婵绢A(yù)熱厚度4mm以上的焊件，預(yù)熱溫度控制在50～70℃之間，預(yù)熱范圍控制在焊縫周圍小于100mm的區(qū)域內(nèi)。

焊接過(guò)程中采用手工電弧焊焊接工藝。

焊后保溫：焊接后，采用氧乙炔火焰烘燒對(duì)焊件進(jìn)行保溫，加熱溫度保持在150～300℃之間，保持1～2小時(shí)，以有效避免焊縫處產(chǎn)生裂紋、脆斷等現(xiàn)象。焊縫進(jìn)行預(yù)處理后，采用毛氈進(jìn)行圍護(hù)，防止熱量散失。再者，應(yīng)將氧氣瓶和發(fā)生器設(shè)置于暖棚中或者利用溫水、毛氈等進(jìn)行保溫措施，以防止氧氣瓶和發(fā)生器出現(xiàn)結(jié)冰情況而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 焊接質(zhì)量檢查及注意問(wèn)題

對(duì)焊縫的質(zhì)量檢查：完成焊接工作后，要檢查焊接質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，要迅速采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修補(bǔ)工作。

焊接應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)。第一，焊接材料應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行焊接工作的焊工應(yīng)具備相應(yīng)的資格證書，經(jīng)考試合格上崗操作；采用超聲波技術(shù)進(jìn)行探傷檢查，焊接的質(zhì)量應(yīng)符合超低溫鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。第二，焊縫表面應(yīng)平整、光滑、美觀，焊縫不得有夾渣、表面氣孔、焊瘤、裂紋、電弧擦傷、未焊滿、咬邊等缺陷；焊接后的焊件的焊接允許偏差，但應(yīng)滿足允許偏差項(xiàng)目參數(shù)表的各項(xiàng)指標(biāo)。第三，焊接后的焊件應(yīng)注意采取相應(yīng)的阻止降溫的措施，禁止在焊后撞砸接頭，禁止在焊縫外母材上引??；需隱秘的焊縫應(yīng)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的質(zhì)量驗(yàn)收后再進(jìn)行隱蔽加工。第四，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接部位的相對(duì)位置尺寸，保證所焊接的焊縫長(zhǎng)度、寬度、厚度均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。第五，應(yīng)采用核實(shí)的焊接流程和焊接工藝參數(shù)，并在規(guī)定的時(shí)間和溫度下對(duì)焊件進(jìn)行加熱和烘焙；焊接過(guò)程中，不允許隨意搬動(dòng)焊件，要徹底清理干凈焊接區(qū)域，以避免焊縫出現(xiàn)裂紋和表面氣泡。第六，當(dāng)進(jìn)行多層焊接作業(yè)時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理干凈焊縫中的雜質(zhì)；采用手工電弧焊焊接工藝時(shí)，要按照正確的流程進(jìn)行操作，采用合適的焊接弧長(zhǎng)，注意熔渣的流動(dòng)方向；當(dāng)采用的焊條為堿性時(shí)，應(yīng)保證熔渣向后流動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

以上工程實(shí)踐，皆是對(duì)低溫環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的探究，并取得了成功。通過(guò)加熱保溫、改善環(huán)境及焊件實(shí)際溫度、焊接順序和安裝順序的合理布置、焊接工藝的優(yōu)化、焊后加熱及保溫措施的實(shí)施、焊接措施的強(qiáng)化等，有效降低了鋼結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及焊接變形，有效抑制了溫度對(duì)鋼材性能的改變。這些先進(jìn)技術(shù)的探究，為鋼結(jié)構(gòu)在寒冷地區(qū)的施工提供了理論和實(shí)踐依據(jù)，為提升質(zhì)量、縮短工期提供了有力保證和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017-2011鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ81-2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出社，2002.

Welding of Steel Structure in Super Low Temperature Environment

ZHU Zhiwen，JIANG Xiaobin
（Hunan chemical engineering， Career Technical College，Zhuzhou 412000）

Abstract:It is difficult to use conventional welding technology for steel structure welding in cold area. This paper mainly introduced under the condition of super low temperature steel structure welding construction technology， contains 30 DEG C environment under thick plate welding construction technology and 42 DEG C under the environment of steel manual arc welding technology the successful experience， to provide some theoretical and practical basis for further research.

Key words:ultra low temperature， steel structure， welding