負(fù)溫環(huán)境下Z 向性能超厚鋼板焊接施工技術(shù)研究

張 立，陳 兵，杜得強(qiáng)

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司，北京 100000；2.中建科工集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 緒論

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，19號(hào)線一期工程南端，本車輛段占地面積30.05 萬m2，總建筑面積約12 萬m2，地上2 層，建筑高度19.5m，采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，總用鋼量約3 萬t。

北京地鐵19 號(hào)線一期工程施工具有工期緊、用鋼量大、鋼板厚度厚、焊縫要求等級(jí)高等特點(diǎn)，主要采用Q355B 鋼材，涉及最大板厚80mm，Z 向性能為Z35。北京地鐵19 號(hào)線一期工程地處北京地區(qū)，冬季最低溫度達(dá)零下15°C，進(jìn)行常規(guī)焊接施工將難以保證焊縫的質(zhì)量，容易出現(xiàn)鋼板層狀撕裂。為了保證鋼結(jié)構(gòu)施工在低溫環(huán)境下得以如期進(jìn)行，研究總結(jié)帶Z 向性能的超厚鋼板在負(fù)溫環(huán)境下的焊接控制技術(shù)，減小在負(fù)溫環(huán)境下焊接施工產(chǎn)生的焊接應(yīng)力及鋼構(gòu)件變形，避免因應(yīng)力或變形過大或焊接質(zhì)量缺陷而影響帶Z 向性能超厚鋼板的使用性能。

1 負(fù)溫下帶Z 向性能要求超厚鋼板焊接特點(diǎn)

由于北京地鐵19 號(hào)線一期工程地處北京地區(qū)，冬季施工室外最低溫度達(dá)零下15°C，外界環(huán)境溫度與超厚鋼板焊接時(shí)的溫差較大，從而導(dǎo)致在焊接過程中及焊接完成后焊縫降溫速度過快，結(jié)晶速度過快，從而導(dǎo)致焊縫及焊縫熔合區(qū)域鋼材的彈性及塑性性能降低，脆性性能增加，由此，焊縫內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋和母材層狀撕裂等質(zhì)量問題，母材層狀撕裂和焊接殘余應(yīng)力將影響超厚鋼板Z 向性能，為避免負(fù)溫環(huán)境下焊接施工對(duì)超厚鋼板Z向性能的影響，需采取嚴(yán)格有效的焊前預(yù)熱和焊后保溫措。

北京地鐵19 號(hào)線一期工程采用鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼柱主要采用十字型截面，最大尺寸為1500mm×700mm×25mm×80mm，部分采用H 型柱+鋼板墻組合構(gòu)件，厚板立焊縫長達(dá)13.6m，最大焊接板厚達(dá)80mm，負(fù)溫焊接會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力以及較大的鋼板焊接變形。

根據(jù)負(fù)溫環(huán)境下鋼金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)晶的理論，減小負(fù)溫環(huán)境下超厚鋼板焊接的應(yīng)力及變形的關(guān)鍵之處主要為：①縮小局部環(huán)境與施焊鋼構(gòu)件的焊接溫度差，主要是采用焊接局部環(huán)境加熱保溫措施，為焊接施工提供適合的作業(yè)環(huán)境；②從焊接工藝入手，合理開設(shè)焊接破口及焊接順序，避免焊接應(yīng)力過大；③對(duì)施焊部位兩側(cè)的鋼構(gòu)件進(jìn)行約束，主要采取增設(shè)勁板、隔板等措施增加焊接部位兩側(cè)鋼構(gòu)件局部剛度，最大限度減小因焊接溫度變化導(dǎo)致的焊接變形。

2 負(fù)溫環(huán)境下的帶Z 向性能超厚鋼板焊接的控制措施

2.1 焊接施工全過程控制溫度的措施

2.1.1 焊接施工前的溫控措施

由于帶Z 向性能超厚鋼板在低溫環(huán)境下焊接施工前后存在巨大的溫度差，將導(dǎo)致焊縫區(qū)域存在殘余應(yīng)力，且應(yīng)力大小與溫差為正相關(guān)，由此將嚴(yán)重影響焊縫的性能。為保證焊接質(zhì)量，在鋼構(gòu)件焊接前需降低鋼構(gòu)件母材與焊縫區(qū)的強(qiáng)烈溫差，主要是對(duì)焊縫及其周邊母材進(jìn)行加熱，可避免由于局部驟熱和驟冷而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域產(chǎn)生不均勻膨脹和收縮，降低母材及焊縫在鋼板厚度方向因熱脹、冷縮而導(dǎo)致局部由壓應(yīng)力到拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)換幅度。

北京地鐵19 號(hào)線一期工程預(yù)熱采用氧氣-乙炔中性火焰加熱。為確保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。

2.1.2 焊接施工中的溫控措施

負(fù)溫環(huán)境下相較常溫環(huán)境下，焊接施工時(shí)焊縫區(qū)域溫度冷卻速度快，焊接部位熔池極易產(chǎn)生脆硬組織，從而影響焊縫的質(zhì)量和力學(xué)性能。在焊接過程中，每道焊縫層間溫度需保持在80～200℃，一條焊縫應(yīng)一次性連續(xù)焊接完成，盡量避免多次施焊情況。若因天氣或其他突發(fā)因素影響而對(duì)已開焊的焊縫不得不停止施焊作業(yè)時(shí)，要在停止施焊前，需焊接完成1/3 板厚后再停止焊接作業(yè)，并及時(shí)進(jìn)行保溫處理，在后續(xù)再次焊接前，重新進(jìn)行焊接預(yù)熱，相比首次焊前預(yù)熱溫度需更高，且時(shí)間需更久。

2.1.3 焊接施工后的溫控措施

負(fù)溫焊接的后熱溫度應(yīng)不低于220℃，保溫時(shí)間不少于1h，根據(jù)板厚不同保溫時(shí)間不同，保溫時(shí)間遵循0.5h/25mm 的原則。保溫完成后使其緩冷至常溫，緩冷達(dá)到常溫的時(shí)間不小于1.5h。

當(dāng)焊后處理達(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)篷及保溫材料應(yīng)在焊縫接點(diǎn)完全冷卻后，方可拆除。

2.2 焊接工藝措施

對(duì)十字型鋼柱的對(duì)接焊縫進(jìn)行焊接施工作業(yè)時(shí)，遵循對(duì)稱焊接的原則，由2 名操作手法和焊接水平相近的焊工同時(shí)施焊，并且先焊接腹板，再焊接鋼柱翼緣板。焊接作業(yè)時(shí)需嚴(yán)格遵循分層多道的原則，帶Z 向性能超厚鋼板在負(fù)溫環(huán)境下焊接時(shí)，先進(jìn)行打底焊，底部焊縫厚約20mm，隨后進(jìn)行每層焊縫的焊接，每層焊縫厚度應(yīng)控制在15～20mm，最后進(jìn)行蓋面焊接，如圖1 所示。

圖1 焊接作業(yè)先后順序

2.3 控制焊縫局部區(qū)域變形的措施

為減小焊接的變形，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1m 一道布設(shè)，如圖2 所示。

圖2 焊接約束板

2.4 鋼板Z 向性能保證措施

除上述措施外，北京地鐵19 號(hào)線一期工程中采用改善節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)的方法達(dá)到降低鋼板上因承受收縮所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，有效保證鋼板的Z 向性能。在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造時(shí)，可采用以下措施。

（1）設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免外荷載作用在鋼板厚度方向，無法避免時(shí)應(yīng)設(shè)法增加受荷面積以降低厚鋼板表面應(yīng)力。在焊接接頭的焊縫破口設(shè)置時(shí)，適當(dāng)增加焊縫與母材的接觸面積。

（2）選用塑性好的焊接材料，通過這樣的辦法可以使焊縫產(chǎn)生一層先產(chǎn)生塑性變形的緩沖層，在內(nèi)外應(yīng)力作用下達(dá)到應(yīng)力重分布的效果。

3 特點(diǎn)

低溫環(huán)境下Z 向性能超厚鋼板施工現(xiàn)場焊接技術(shù)是在大量現(xiàn)場實(shí)踐中多次對(duì)負(fù)溫環(huán)境下帶Z 向性能超厚鋼板的焊接的不斷研究及改善中總結(jié)形成的，主要特點(diǎn)：

（1）采用有效的方法提高施焊部位周邊及局部環(huán)境溫度，特別是母材本身溫度，改善焊接環(huán)境，提高負(fù)溫超厚鋼板焊接質(zhì)量。

（2）控制焊接施工全過程的溫度變化，通過局部加熱、保溫等方法改善焊接局部環(huán)境溫度，降低溫差，減緩焊縫區(qū)域冷卻速度，避免驟冷產(chǎn)生過大焊接殘余應(yīng)力并減少裂紋的發(fā)生，最大限度避免因焊接溫差對(duì)超厚鋼板Z 向性能的影響。

（3）焊縫裂紋是負(fù)溫環(huán)境下焊接焊縫的主要缺陷，塑形好的焊接材料對(duì)于負(fù)溫環(huán)境下焊接質(zhì)量至關(guān)重要。在選用焊接材料時(shí)，除要保證強(qiáng)度外，要優(yōu)先考慮焊材的塑形及抗裂性能。

（4）從焊縫破口形式、焊接施焊順序等綜合因素考慮，降低焊接應(yīng)力及殘余應(yīng)力對(duì)焊縫的質(zhì)量及焊接變形的影響。

4 適用范圍

本工法適用于低溫環(huán)境下Z 向性能超厚鋼板焊接施工。

5 結(jié)語

北京地鐵19 號(hào)線新宮車輛段項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程總用鋼量約為3 萬t，最大鋼板板厚達(dá)80mm，Z 向性能為Z35，焊縫總長度約3000m，施工現(xiàn)場工況復(fù)雜，且經(jīng)歷冬季施工，結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，工作人員從設(shè)計(jì)到施工一系列流程上采用合理節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、焊接工藝、溫控措施以及防變形等措施，規(guī)避沿厚度方向應(yīng)力集中現(xiàn)象，提出負(fù)溫環(huán)境下Z 向性能超厚鋼板焊接施工技術(shù)，大大降低焊縫裂紋等缺陷的發(fā)生，避免因焊接溫差過大而導(dǎo)致較大的應(yīng)力和變形，降低負(fù)溫環(huán)境下焊接施工對(duì)超厚鋼板Z 向性能的影響。該技術(shù)的成功應(yīng)用為以后的同類型工程提供有益的參考價(jià)值。