復(fù)雜工況下提高超厚鋼板焊接質(zhì)量研究

常志勝

（中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司，北京 100039）

0 引言

低溫、大風(fēng)、雨雪等環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)露天高空焊接施工影響極大，既影響施工人員的安全，又影響焊接質(zhì)量，復(fù)雜工況下鋼結(jié)構(gòu)焊接是施工過程中的關(guān)鍵難題，特別是對(duì)于超厚板，大截面的焊接接頭，極易產(chǎn)生焊縫裂紋和因溫度驟降使焊接焊縫、焊縫熱影響區(qū)的材料性能降低。因此采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施及焊接施工技術(shù)以保證復(fù)雜工況下，焊接質(zhì)量是技術(shù)人員普遍關(guān)注的問題。在冬季進(jìn)行焊接施工時(shí)，通過從設(shè)計(jì)角度深化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造；從技術(shù)方面優(yōu)化焊接順序、焊接工藝；從焊接方面明確焊絲材質(zhì)、控制溫度；在作業(yè)面搭設(shè)平臺(tái)、防風(fēng)棚等措施，改善焊接施工作業(yè)環(huán)境，通過一系列技術(shù)措施，使復(fù)雜工況下焊接規(guī)避沿厚度方向應(yīng)力集中、焊接變形過大、焊縫質(zhì)量缺陷等不良現(xiàn)象，開展復(fù)雜工況下超厚鋼板焊接質(zhì)量研究，可以滿足華北地區(qū)復(fù)雜工況下焊接施工的要求。

1 工程概況

北京地鐵19 號(hào)線新宮車輛段項(xiàng)目位于北京市南四環(huán)外，車輛段占地面積30.05 萬平方米，聯(lián)合檢修庫建筑面積約12 萬平方米，地上2 層，結(jié)構(gòu)高度17.5m，工程總用鋼量約3 萬噸。主要采用Q355B 鋼材，涉及最大板厚80mm，Z 向性能要求為Z35。本工程鋼結(jié)構(gòu)施工處于冬期施工，多大風(fēng)、冰雪天氣，最低溫度達(dá)-15℃。項(xiàng)目為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，鋼柱主要采用十字型截面，最大尺寸為1500×700×25×80mm，部分采用H 型柱+鋼板墻組合構(gòu)件，厚板立焊縫長(zhǎng)達(dá)13.6m，焊接填充量近0.2t，焊接施工的工程量大，大風(fēng)、冰雪及低溫等復(fù)雜工況下焊接質(zhì)量及焊接變形難控制。

2 焊接難點(diǎn)及對(duì)策

2.1 低溫對(duì)焊接質(zhì)量的影響

鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接的主要危害為焊接裂紋和脆斷。由于周圍環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致熔敷金屬在焊后冷卻速度過快，使焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體等脆性組織。同時(shí)冷卻速度加快，還會(huì)使氫透出時(shí)間變短，金屬中殘留的氫濃度增加，延遲裂紋傾向增大。除此以外，在結(jié)構(gòu)拘束度比較大的情況下，冷卻速度過快容易導(dǎo)致焊縫金屬偏析，在焊縫偏析處產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

根據(jù)低溫厚板焊接特點(diǎn)，需要采用合適的焊接工藝以及保障措施，保證施焊環(huán)境、焊縫溫度及焊接構(gòu)件到達(dá)正溫，從而到達(dá)與常溫條件下質(zhì)量相同的焊縫。主要策略包括控制焊縫金屬的冷卻時(shí)間，避免焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體等脆性組織；采取焊后熱處理及保溫緩冷措施，減緩焊接點(diǎn)的冷卻速度，逸出焊縫中的擴(kuò)散氫和消除焊接應(yīng)力，改善和提高焊接接頭性能。

2.2 大風(fēng)、潮濕環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在雨雪天或潮濕環(huán)境中焊接時(shí)，因?yàn)榭諝庵泻休^多水分，電弧會(huì)使水熱分解產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致焊接容易出現(xiàn)氫致裂紋出現(xiàn)。同時(shí)容易導(dǎo)致焊絲受潮，會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。此外大風(fēng)天氣焊接會(huì)破壞CO2氣體對(duì)弧柱區(qū)及熔池的流動(dòng)作用，容易導(dǎo)致焊縫氧化并產(chǎn)生氣孔，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。針對(duì)大風(fēng)、潮濕天氣環(huán)境采取搭設(shè)焊接防風(fēng)棚，焊絲防潮、焊前脫濕等措施減少其對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

3 焊接前準(zhǔn)備

3.1 焊接材料準(zhǔn)備

根據(jù)《建筑工程冬期施工規(guī)程》（JGT J104—2016）及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ 81—2019）規(guī)定，選用負(fù)溫度下鋼結(jié)構(gòu)用的焊絲，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度前提下，選用屈服強(qiáng)度較低，沖擊韌性較好的焊接材料，同焊接規(guī)范相配合使焊縫金屬產(chǎn)生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強(qiáng)韌性。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊選用高純度氣體（純度達(dá)99.9%，含水量不高于0.005%），將氣瓶置于0℃以上的棚內(nèi)，同時(shí)檢查瓶嘴有無冰凍阻塞情況。焊材庫中應(yīng)有脫濕設(shè)備，焊絲使用過程中應(yīng)采取防潮措施，避免氫致裂紋產(chǎn)生。

3.2 焊工防護(hù)

焊工在復(fù)雜工況焊接前，需進(jìn)行焊接技術(shù)理論教育和焊接適應(yīng)性訓(xùn)練，取得合格證后才能進(jìn)行焊接施工。焊接作業(yè)前，應(yīng)配備棉鞋、帽子等防寒用品，能較長(zhǎng)時(shí)間抵抗嚴(yán)寒并可防滑。由于低溫焊接對(duì)焊工的體力消耗較大，應(yīng)減少倒班時(shí)間。同時(shí)在焊接施工過程中時(shí)，應(yīng)配備專門監(jiān)護(hù)人，對(duì)焊工工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及判斷，保證焊接工作的順利進(jìn)行和焊工人身安全。

3.3 施工作業(yè)平臺(tái)及要求

搭設(shè)合適的焊接防護(hù)棚是保證焊接質(zhì)量的重要因素。采用腳手架、三防布等搭設(shè)防風(fēng)保暖棚將焊縫與外界隔離，保持施焊的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，既為焊接作業(yè)人員提供適宜作業(yè)局部環(huán)境又保證焊縫的質(zhì)量。操作棚底部應(yīng)密實(shí)，防止沿焊道形成穿堂風(fēng)。

4 復(fù)雜工況下的焊接施工措施

4.1 溫度控制措施

4.1.1 焊接預(yù)熱

通過在焊接前對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行局部加熱，延長(zhǎng)降溫時(shí)間，避免焊縫中生成馬氏體等脆性組織，預(yù)熱是消除延時(shí)裂紋的有效手段，通過預(yù)熱增加焊接熱循環(huán)，有利于氫的擴(kuò)散溢出。除此以外采用焊前預(yù)熱的工藝能夠減小焊接過程與焊接前后的焊接材料的溫差，從而使得焊接材料在焊接過程中收縮均勻。本工程預(yù)熱采用氧氣—乙炔中性火焰加熱，為了確保Z 向性能鋼板保持良好的延伸率，預(yù)熱范圍由常溫焊接坡口兩側(cè)不小于100mm、板厚的1.5 倍，增加到不小于150mm、板厚的2 倍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)溫度在200～300℃的范圍內(nèi)會(huì)降低鋼材的延伸率，因此預(yù)熱溫度應(yīng)控制在100～150℃，并在焊接過程中持續(xù)保持。

4.1.2 焊接層間溫度控制

焊縫層間溫度控制在90～130℃之間，每個(gè)接頭需一次性焊完。焊接前及時(shí)收集氣象信息，根據(jù)天氣情況組織施焊。遇特殊情況中途必須停止焊接，并對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理和防護(hù)措施。當(dāng)重新焊接時(shí)需對(duì)焊縫重新加熱，加熱溫度比焊接前需提高20～30℃。

4.1.3 焊后處理

低溫焊接的后熱溫度應(yīng)不低于220℃，保溫時(shí)間必須滿足焊接規(guī)范要求（即焊接板厚按每25mm 厚度不小于0.5h，保溫時(shí)間不少于1h）。之后使其緩冷至常溫，緩冷至常溫的時(shí)間不應(yīng)小于1.5h。當(dāng)節(jié)點(diǎn)焊接完成后，必須對(duì)節(jié)點(diǎn)整體加熱到規(guī)定溫度，立即進(jìn)行緩冷處理防護(hù)。當(dāng)焊縫后熱處理達(dá)到要求后，采用保溫措施，需包裹密實(shí)，確定保溫時(shí)間達(dá)到緩冷效果。焊接防護(hù)棚及保溫材料應(yīng)在焊縫接點(diǎn)完全冷卻后，才可以拆除。

4.2 焊接順序

十字型柱焊接由四名焊工對(duì)稱焊接。先對(duì)稱焊接腹板焊縫，再對(duì)稱焊接翼緣板焊縫。焊接嚴(yán)格按照分層多道的方式進(jìn)行，先焊接大于20mm 的焊縫厚度，保證根部焊縫不因焊接應(yīng)力而受到破壞，再循環(huán)焊接，每個(gè)循環(huán)焊接厚度應(yīng)控制在20mm 內(nèi)（共計(jì)2～3 層），各層焊縫的接頭應(yīng)相互錯(cuò)開，每焊完一層都要清除熔渣及飛濺物，如發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣、未焊透等缺陷時(shí)，必須清除重焊，直到將焊縫焊接完成。

圖1 焊接順序

圖2 焊接約束板

4.3 焊接約束措施

為減小焊接變形，在焊縫位置設(shè)置三角約束板固定，約束板焊接在鋼板焊縫兩側(cè)。為確保約束效果，焊接約束板采用20mm厚鋼板，間距為1m 一道進(jìn)行布設(shè)。

4.4 焊接質(zhì)量檢測(cè)

焊接完成后需對(duì)焊縫外觀進(jìn)行檢測(cè)，焊縫表面需平整、光滑、美觀，焊縫不得有夾渣、氣孔、裂紋、未焊滿、咬邊等缺陷，嚴(yán)格檢查焊縫的位置和尺寸，保證焊縫長(zhǎng)度、寬度、厚度均在要求范圍內(nèi)。采用超聲波進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，焊接的質(zhì)量應(yīng)符合低溫鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本工程通過應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況而采取適宜防護(hù)措施，既保證施工作業(yè)安全，又提供適宜焊接作業(yè)環(huán)境，從焊接前準(zhǔn)備、焊前預(yù)熱、焊接順序的合理布置、焊后加熱及保溫及焊接檢測(cè)等措施，避免了鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況環(huán)境下焊接裂紋和殘余應(yīng)力，有效抑制了低溫對(duì)超厚鋼板焊接的影響，為鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況環(huán)境下施工提供了借鑒和參考。