超大型鑄鋼件安裝焊接施工技術(shù)

馮 軼

(浙江省建工集團有限責任公司,浙江 杭州 310012)

1 工程概況

中信銀行杭州分行新大樓工程位于浙江省杭州市錢江新城,地下3層,地上20層,建筑高度99m,總建筑面積58 980.1 m2。地下室采用“二墻合一”式地下連續(xù)墻+鋼柱梁的形式,部分為勁性混凝土結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)為外筒內(nèi)框式鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,體型復雜、鋼構(gòu)件壁厚大、異型節(jié)點多。鋼結(jié)構(gòu)總量約1.5萬t,構(gòu)件總數(shù)約0.4萬件；整體立面呈多面切角,結(jié)構(gòu)最大跨度為67 m,構(gòu)件最大截面規(guī)格為□1 600 mm×1 200 mm×100 mm,焊接板最大厚度100 mm；大型鑄鋼節(jié)點較多(圖1),單件最重達96 t。鋼結(jié)構(gòu)焊接材質(zhì)主要為Q345B與Q345B、Q345GJC與Q345GJC、Q345GJC-Z25與G20Mn5QT等。

圖1 鑄鋼節(jié)點分布圖

2 施工重點與難點

2.1 體系復雜性、重要性

如圖2所示,鑄鋼節(jié)點ZG-01、ZG-04為六軸交匯集中受力構(gòu)件,壁厚140～200 mm,單重96 t,其所連接的框架斜柱跨度72 m,中心高度超過30 m,斜柱截面為□1 600 mm×1 200 mm×100 mm,焊接板最大厚度100 mm。該結(jié)構(gòu)單元為本工程最重要、受力最復雜的部位,尤其是鑄鋼節(jié)點ZG-01、ZG-04,安裝難度較大,質(zhì)量要求較高。

圖2 超大型鑄鋼節(jié)點定位模擬

2.2 場地條件制約、吊裝難度大

ZG-01、ZG-04鑄鋼件單重96 t,超過了場內(nèi)2臺ZSL1000型塔吊的吊重范圍,需采用大型吊裝機械。而場內(nèi)施工空間極其狹小,基坑邊距離用地紅線最寬處僅7 m,最窄處不到3 m,無法進行大型吊裝機械的周轉(zhuǎn)就位,極大地制約了鑄鋼件的吊裝調(diào)度工作。

2.3 焊接難度大

1)鑄鋼節(jié)點采用低合金鑄鋼,與之連接的鋼柱、鋼梁材質(zhì)均為低合金高強結(jié)構(gòu)鋼。由于鑄鋼件對強度要求較高,整體剛性很強,因此其焊接過程中的質(zhì)量控制極為重要。

2)鑄鋼節(jié)點為多桿件集中交匯,對空間定位精度要求極高,因此焊接過程中的變形控制難度大。

3)鑄鋼節(jié)點及與其連接桿件均為厚板構(gòu)件,焊接板最大厚度100 mm,焊接熔敷量大,焊接殘余應力大。

4)鑄鋼件勻質(zhì)性較差,可焊性差；且框架斜柱材質(zhì)為Q345GJC-Z25,鑄鋼件材質(zhì)為G20 Mn5QT,不同材質(zhì)焊接難度大。

3 鑄鋼件吊裝就位

經(jīng)對施工現(xiàn)場的詳細勘察,結(jié)合吊裝作業(yè)可操作性分析,采取大型吊裝機械進行吊裝,則存在以下兩方面問題：

1)場地內(nèi)空間過于狹小,無法滿足相應噸位吊車的就位周轉(zhuǎn)需求。

2)若采取在場外馬路上進行起吊作業(yè),則吊車?？课恢镁嚯x鑄鋼節(jié)點安裝就位位置超過25 m,對吊車型號的選擇將產(chǎn)生制約。

綜合以上因素,通過對鑄鋼節(jié)點進行吊裝模擬分析,決定采取350 t履帶吊吊裝+滑移就位相結(jié)合的方法。首先搭設(shè)滑移支架和滑移梁,支架底部支座位于基礎(chǔ)底板內(nèi)。吊裝機械采用350 t履帶式起重機(型號LIEBHERR LR1350/1),停靠于場地南側(cè)馬路上,分別將鑄鋼件ZG-01和ZG-04吊裝至滑移軌道上,再通過牽引裝置將鑄鋼件拉至指定安裝位置就位。吊裝及滑移工況示意見圖3、圖4。

圖3 鑄鋼件吊裝工況

圖4 鑄鋼件滑移就位示意

4 鑄鋼件與厚板焊接缺陷分析

針對大型鑄鋼件及厚板的焊接質(zhì)量控制難題,從主要焊接質(zhì)量缺陷(如裂紋、氣孔、未焊透等)入手,結(jié)合主觀、客觀因素對產(chǎn)生原因進行全面分析研究,歸納如下[1]：

1)焊工技術(shù)參差不齊,存在部分焊工操作經(jīng)驗及技能水準有欠缺,若參與鑄鋼件的焊接工作,易使焊接質(zhì)量不能得到保證。

2)焊工在鑄鋼件焊接過程中未按焊接工藝要求操作,由于焊接工藝相對復雜、操作程序多、技術(shù)交底不徹底等因素,造成部分焊工對焊接工藝不熟悉,操作不當。

3)部分焊接設(shè)備老化,導致焊接過程中電流電壓不穩(wěn)、焊把線破損、CO2氣純度不夠等問題,影響焊接質(zhì)量。

4)鑄鋼件本身可焊性差,其形狀不規(guī)則、厚度不均勻、組織不均勻、晶粒粗大,焊接控制難度大,易產(chǎn)生裂紋等缺陷。且若鑄鋼件化學成分控制不當,硫、磷、碳的含量過高,極易使鑄鋼件在焊接過程中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

5)焊材的選擇不當,未進行焊接工藝評定或未按焊接工藝評定要求選擇焊材,且焊材儲存、保管不當,導致受潮,使用前亦未進行烘干處理,使焊接過程中接頭部位產(chǎn)生大量氫,帶來冷裂紋等缺陷。

6)坡口未清理干凈,存在鐵銹、油污、積水等殘留物,在焊接高溫環(huán)境下分解產(chǎn)生擴散氫,是造成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的主要原因之一。

7)焊接次序控制不當,導致焊縫不合理收縮,產(chǎn)生過多拘束應力,引起節(jié)點連接部位尺寸偏差及裂紋的產(chǎn)生。

8)施焊速度、電流大小控制不當,使焊縫結(jié)晶過程中,凝固收縮不均衡,在應力作用下發(fā)生開裂。

9)由于焊接板厚度較大,焊縫根部間隙較寬,故焊接需采用堆焊方法。若堆焊方法不當,堆焊順序及堆焊過程控制不合理,可加劇焊縫在焊接過程中膨脹收縮的不均勻性,增加殘余應力的產(chǎn)生積累,導致裂紋等缺陷。

10)焊接過程溫度控制不當,包括焊接前未按要求進行預熱或預熱不到位，施焊時焊縫層間溫度控制不當，施焊后熱處理不當三個方面,可增加接頭擴散氫含量及殘余應力積累,引起焊縫冷裂紋。

11)由于焊接為室外作業(yè),施焊環(huán)境差,加上多風雨、環(huán)境溫度過低等因素影響,致焊縫冷卻速度過快,加劇接頭的應變率和淬硬傾向,產(chǎn)生焊縫裂紋。

5 焊接質(zhì)量控制措施

針對上述引起焊縫質(zhì)量缺陷的原因,從人員組織、材料設(shè)備控制、工藝措施制訂實施等方面著手,采取了以下一系列對策來推進和保障焊接質(zhì)量工作：

1)員工組織是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ),考慮本鑄鋼件焊接質(zhì)量的重要性,特安排工作經(jīng)驗6年以上的老員工來進行鑄鋼件的焊接,且都有厚板焊接經(jīng)驗,并在現(xiàn)場進行實際焊接考核,擇優(yōu)選取。

2)在施焊前進行鑄鋼件的焊接工藝評定,將評定合格的焊接工藝報告作為本工程鑄鋼件的焊接作業(yè)指導書,組織焊工對鑄鋼件的焊接工藝、操作流程、注意事項等進行詳細的交底。

3)重新采購一批全新合格的CO2氣保護焊機,確保CO2純度達99.99%,專用于鑄鋼件的焊接作業(yè)。

4)本工程鑄鋼件材質(zhì)為G20 Mn5QT,加工制作過程中嚴格按規(guī)范、設(shè)計及工藝要求，對材質(zhì)、造型、冶煉、澆注、清砂、熱處理、性能檢驗等進行全程控制,化學成分及力學性能控制標準見表1～2。

表1 鑄鋼件化學成分標準

表2 鑄鋼件力學性能標準

5)根據(jù)設(shè)計、規(guī)范要求并通過合格的焊接工藝評定,確定鑄鋼件與箱型柱的焊接方法為半自動藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊(FCAW-G),焊材選用金橋YJ501型φ1.2藥芯焊絲(E501T-1型)。焊材使用管理要求如下：焊材使用前按生產(chǎn)批號進行成分、性能的復驗,合格后方可用于工程；焊材按類別、批號分類標識、堆放,保持堆放場地通風、干燥；焊條使用前按說明書要求進行烘焙、保溫,并做烘焙記錄；控制焊條每次領(lǐng)用量不超過4 h的使用量,若超過4 h,應重新烘焙；施焊前再對焊接材料進行認真檢查,確認焊材干燥可用[2]。

6)對于坡口存在的鐵銹、油污、積水等影響焊縫質(zhì)量的殘留物,安排專人于焊接前進行細致地清理。其中對于坡口處的吸附水,由于水分在電弧高溫作用下分解是焊接氣體中氫的主要來源,因此采用火焰噴嘴加熱予以徹底清除。

7)總體焊接順序是影響接頭處拘束應力積累的重要因素,是控制結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵內(nèi)容,因此須制定一個科學、合理的焊接順序并嚴格執(zhí)行,同時輔以過程變形監(jiān)控,及時糾偏調(diào)整[3]。

①在結(jié)構(gòu)安裝校正到位后,對稱布置焊接點,安排偶數(shù)名焊工進行施焊。鑄鋼件與箱型柱的連接接頭焊縫安排4名焊工。

②保持對稱焊接的焊接參數(shù)和焊縫層數(shù)等因素一致。

③每個接頭須連續(xù)施焊,如不能保持連續(xù)施焊應注意接頭的緩冷與重新加熱。每個焊工焊接量按8 h排班布置,完成后才能進行交班,并做好交接記錄。

④鑄鋼件與箱型柱對接焊縫交錯施焊順序示意

見圖5。

圖5 對接焊縫交錯施焊順序

⑤每道焊縫收頭需熔至上一道焊縫端部約50 mm處,即錯開50 mm,不使焊道的接頭集中在一處。

⑥控制結(jié)構(gòu)變形：在整個焊接過程中,隨時用測量儀器進行變形監(jiān)控。當某個點處偏差可能超控時,調(diào)控焊接順序,及時加以糾偏。

8)根據(jù)鑄鋼件焊接工藝要求,確定焊接工藝參數(shù)表(表3),以精確指導現(xiàn)場施焊時焊接電流大小及焊接速度的控制。

表3 焊接工藝參數(shù)表

9)對于本工程的鑄鋼件與斜向箱型柱的焊接,采用堆焊方法進行,根據(jù)焊接工藝評定明確堆焊施工要求如下[2]。

①堆焊順序：構(gòu)件組對固定完畢后,在各施焊位置上先在一側(cè)堆焊至標準坡口35°+8 mm,冷卻到150 ℃后再進行焊接。堆焊順序見圖6。

圖6 對焊順序示意圖

②堆焊過程控制：焊工必須嚴格按照操作規(guī)程進行焊接,必須要做到道道清渣,確認每一道每一層都無缺陷。堆焊時采用小線能量焊接,每層厚度4～5 mm,除立焊位置外不準擺動電弧,立焊位置電弧擺動不得超過15 mm,焊接過程中嚴格執(zhí)行多層多道焊。

③堆焊結(jié)束：當堆焊完成以后,按照設(shè)計要求再次確認間隙大小,當符合設(shè)計要求以后,對堆焊部分進行打磨,打磨要求和構(gòu)件表面一樣平整,打磨完成后進行正式填充焊接。

10)焊接過程中進行合理的溫度控制,可以有效地減少拘束應力積累,避免應力集中造成局部撕裂,同時也利于接頭中氫的擴散逸出。針對本工程大型鑄鋼件與箱型厚板的焊接,結(jié)合焊接工藝評定,對焊前預熱，施焊時層間溫度控制，施焊后熱處理的要求如下[3]：

①焊前預熱 預熱溫度：根據(jù)母材性能并結(jié)合以往施工經(jīng)驗,對于t≥60 mm的鋼板焊接時采用電加熱片伴隨預熱,預熱溫度為120～150 ℃。

焊接熱輸入：控制焊接熱輸入范圍為15～25 kJ/cm。

預熱方法：采用電加熱的方法,預熱范圍為坡口及坡口兩側(cè)不小于板厚的1.5倍寬度,且不小于100 mm。測溫點距離焊縫邊緣應不小于焊件的最大厚度值,且不得小于75 mm。預熱時必須緩慢且均勻,以避免出現(xiàn)裂紋和變形。

②焊縫層間溫度控制 控制焊縫層間溫度在150～250 ℃,可保證在多層焊中后道焊縫施焊時有起碼的預熱條件,以避免出現(xiàn)熱應力裂紋。具體方式為：通過補充加熱或緩慢焊接來控制層間溫度。

③焊后熱處理 因鑄鋼件及厚板焊接的工作量極大,因此焊后應在條件允許的范圍內(nèi)對其進行整體或局部退火熱處理,以消除應力,防止裂紋的產(chǎn)生,具體的退火工藝隨鑄鋼件的材料、厚度等不同而有所不同。對于本工程鑄鋼件焊接接頭,因體量較大而導致現(xiàn)場后熱有一定難度,故考慮采用焊后保溫措施處理,即焊后用保溫石棉包裹接頭兩側(cè)不小于500 mm的范圍,然后根據(jù)板厚進行一段時間的保溫,保溫時間不小于1 h。達到保溫時間后再緩冷至環(huán)境溫度。

11)為減少施焊環(huán)境對焊接質(zhì)量的影響,分別采取了以下措施[3]：焊接時搭設(shè)防護棚，外掛三防布，內(nèi)設(shè)取暖設(shè)備等。①焊接作業(yè)區(qū)風速要求：手工電弧焊時不得超過8 m/s,CO2氣體保護焊不得超過2 m/s,若超過則采取防風措施。②防風雨措施：搭設(shè)全封閉式防雨棚,圍繞防水棚上方鋼柱四周縫隙處采用防水材料封堵,使雨水不致順鋼柱向下流淌,避免造成焊接區(qū)淬火。③室外低溫焊接作業(yè)時,在棚內(nèi)設(shè)置取暖設(shè)備,既能保證焊接質(zhì)量,也能給焊工一個更為舒適的施焊環(huán)境。

6 結(jié) 語

1)隨著大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展,鑄鋼節(jié)點的應用越來越廣泛,其不僅具有其他成型工藝難以得到的輪廓形狀復雜的零件,又能保持鋼所具有的各種性能。這不僅降低了成本,而且簡化了鋼結(jié)構(gòu)制造的工藝過程。同時隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑體態(tài)不斷增大和結(jié)構(gòu)體系的不斷新穎化,鑄鋼節(jié)點的形式愈來愈復雜,單體體量愈來愈大。從而對鑄鋼件的加工制作、吊裝就位、焊接成型等帶來了較高的難度。

2)本工程地下鋼結(jié)構(gòu)與地上鋼結(jié)構(gòu)銜接處設(shè)置了4個鑄鋼節(jié)點,其中2個單體重量為96 t,與其連接構(gòu)件最大截面規(guī)格為□1 600 mm×1 200 mm×100 mm,焊接板最大厚度為100 mm,吊裝、焊接的難度極大。施工過程中通過采取合理利用空間，事先策劃多步驟進行，滑移就位等措施,有效解決了狹小場地空間下超大型鑄鋼節(jié)點的吊裝難題。

3)在焊接質(zhì)量控制方面,通過從焊縫缺陷的形成機理入手,對引起缺陷的原因進行抽絲剝繭式的全面、深入分析研究,從人員、設(shè)備、材料管理，到焊前準備、施焊環(huán)境保障、焊接次序部署、焊接方法優(yōu)化、過程溫度控制等方面細化地采取各個針對措施,顯著地降低了大型鑄鋼件與厚板焊接的質(zhì)量通病發(fā)生率,并帶動了結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)完成,工程已榮獲2013—2014年度中國鋼結(jié)構(gòu)金獎。同時,上述措施、策略可為類似超大型鑄鋼節(jié)點的施工提供借鑒。