管桁架冬季焊接施工及控制要點(diǎn)

董寶平 李洋

0 引言

目前，項(xiàng)目施工工期普遍比較緊張，因此冬季焊接施工不可避免，國(guó)內(nèi)冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接施工較少，尤其管桁架冬季焊接施工更少，本文通過(guò)工程實(shí)例，為以后類似管桁架冬季焊接施工提供了借鑒。

1 工程概況

江蘇省鹽城市南海未來(lái)城市民中心工程屋面鋼結(jié)構(gòu)為傾角9.49°斜網(wǎng)格型大跨度圓形鋼管桁架，跨度39.6m，總重約533t。管桁架上下弦桿為Φ500×25mm 鋼管、腹桿為Φ402×20mm、Φ325×14mm 鋼管。桁架最高點(diǎn)為19.96m。

2 低溫焊接理論要點(diǎn)

冬季焊接，焊縫的降溫速度比一般溫度時(shí)快得多，容易出現(xiàn)脆硬組織，大大增加了冷裂紋的敏感性，從而使焊縫更易出現(xiàn)冷裂紋。另外，在焊接過(guò)程中，焊縫中熔融金屬的冷卻過(guò)程中周邊的低溫環(huán)境會(huì)嚴(yán)重降低游離的氫在金屬中的溶解速率，極大增加了熔融金屬中的氫原子的含量，冷卻的速度超過(guò)一定范圍值，就會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。

本工程在管桁架弦桿、腹桿交叉節(jié)點(diǎn)焊接處存在三向應(yīng)力，焊接速度過(guò)快，由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的共同作用，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載荷載能力降低，容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)生斷裂。

結(jié)合上述分析，總結(jié)冬季鋼結(jié)構(gòu)焊接的關(guān)鍵因素：（1）提高焊接作業(yè)環(huán)境和焊接管桁架桿件的溫度；（2）選擇市場(chǎng)上價(jià)格經(jīng)濟(jì)的含氫量低的焊接材料；（3）桿件位置要定位準(zhǔn)確，減小管桁架在弦桿、腹桿交叉處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而降低焊縫開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 施工方法

本工程鋼結(jié)構(gòu)管桁架弦桿及腹桿均采用Q345B 低合金高強(qiáng)度鋼材，按照桿件位置、長(zhǎng)度不同厚度分別為14mm、20mm、25mm 三種。以鹽城以往各年的氣象記錄報(bào)告來(lái)看，冬季最低的天氣平均溫度基本在于-6℃至10℃兩個(gè)溫度之間，根據(jù)規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)的周邊氣溫＜0℃，且≥-10℃的情況下，應(yīng)采取合理有效的加熱和安全簡(jiǎn)便的防護(hù)措施，本文據(jù)此給出管桁架冬季焊接施工方法。

3.1 施工準(zhǔn)備

焊接所需管桁架桿件類鋼材、含氫量低的焊絲等材料嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的規(guī)定和要求。

管桁架桿件類鋼材的焊條應(yīng)遵循產(chǎn)品保存手冊(cè)來(lái)進(jìn)行烘烤。施工前，從烤箱取出焊接棒，保存在對(duì)應(yīng)的保溫筒中，保溫筒保持工作狀態(tài)，不得切斷電源。露出時(shí)間超過(guò)2h 及以上的必須再次進(jìn)行烘烤，烘烤總次數(shù)不能超過(guò)2 次。管桁架桿件間主要采用焊絲焊接，安排專人對(duì)焊絲進(jìn)行保管，焊絲貯存在通風(fēng)干燥處，嚴(yán)禁油污污染，在保管倉(cāng)庫(kù)內(nèi)采取木墊高度20cm的防潮措施，保證其性能始終良好。

管桁架桿件焊接采用二氧化碳的氣體保護(hù)焊，焊接所使用的二氧化碳的體積純度應(yīng)≥99.5%，其含水率應(yīng)≤0.005%。本項(xiàng)目采用瓶裝氣體，若氣瓶?jī)?nèi)的壓力出現(xiàn)＜1N/mm的情況，必須立即停止使用。作業(yè)中要經(jīng)常檢查瓶嘴有無(wú)堵塞、冰凍等情況，并及時(shí)疏通，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

本工程管桁架采用高空散拼法，在焊接作業(yè)區(qū)域四周，用木板、彩條布等，在桿件焊接節(jié)點(diǎn)位置搭設(shè)便于拆卸的防風(fēng)圍護(hù)棚，搭設(shè)過(guò)程中確保防護(hù)密實(shí)且不透風(fēng)，同時(shí)外掛耐火保溫簾，盡最大可能降低焊接作業(yè)區(qū)域與外界寒冷環(huán)境進(jìn)行熱傳遞的效率。

3.2 焊接預(yù)熱處理

管桁架桿件采用150t 履帶吊車，從管桁架鋼材堆放場(chǎng)地運(yùn)到規(guī)定位置焊接工作，在地面管桁架吊到指定位置前，將管桁架桿件焊接焊縫兩側(cè)的毛刺、鐵銹、油污、泥漿和雨雪等進(jìn)行清潔，確保焊接質(zhì)量提升焊接效率。焊接前管桁架的安裝位置要核對(duì)準(zhǔn)確，確保結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)位置及要求，避免因定位不準(zhǔn)產(chǎn)生焊接部位的應(yīng)力集中。

在工程中的焊接預(yù)熱處理中，采用氧氣乙炔烤槍的火焰對(duì)桿件焊接部位進(jìn)行加熱。施工中，將鋼材桿件的相貫線的焊接區(qū)域，垂直于焊縫向兩側(cè)≥2 倍的鋼材的厚度，并且至少要≥100mm 范圍內(nèi)的鋼材加熱到≥60℃，才能具備開(kāi)始焊接的作業(yè)條件，在桿件相貫線焊縫焊接過(guò)程中定期采用專用紅外溫度計(jì)對(duì)焊接區(qū)域的溫度進(jìn)行測(cè)量，過(guò)程中焊接范圍內(nèi)管桁架桿件鋼材溫度均不得＜60℃的條件。

3.3 焊接過(guò)程控制

本工程管桁架桿件多達(dá)363 根，且長(zhǎng)短型號(hào)不一，管桁架焊接過(guò)程中的焊接產(chǎn)生的應(yīng)力如何控制是難點(diǎn)，為避免管桁架桿件因焊接應(yīng)力偏位，施工過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)處相貫線焊縫均由兩個(gè)焊工對(duì)稱施焊，確保桿件節(jié)點(diǎn)的自身內(nèi)部的焊接應(yīng)力處于平衡等狀態(tài)。先進(jìn)行同環(huán)境下的焊接試驗(yàn)段，檢測(cè)焊縫后，焊縫結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。按照試驗(yàn)段的焊接順序進(jìn)行安裝焊接。

屋面管桁架安裝焊接順序?yàn)椋褐鞴荑旒堋喂荑旒堋苓叚h(huán)側(cè)管桁架；每榀屋面管桁架安裝焊接順序?yàn)椋汗荑旒艿南孪覘U件→管桁架的豎向腹桿件→管桁架的上弦桿件→管桁架斜腹桿件。以上安裝均采用以最高點(diǎn)和最低點(diǎn)為軸線的對(duì)稱的焊接作業(yè)方式，并每天兩次測(cè)量桿件軸線位置，確保桿件不偏位。

管桁架桿件焊縫焊接前應(yīng)事先搜集氣象資料，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)、寒流等惡劣天氣接近時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)有效對(duì)策，必須放棄焊接工作。若焊縫在焊接過(guò)程中，突然遇到惡劣天氣變化，應(yīng)采取相應(yīng)保護(hù)措施，至少焊縫焊接層數(shù)累計(jì)厚度≥1/3 板厚，才能通知施工工人暫停手中工作，并安排施工人員進(jìn)行熱處理和保溫措施。當(dāng)繼續(xù)焊接時(shí)，施焊前采用氧氣乙炔火焰噴槍加熱，將相應(yīng)管桁架相貫線焊接區(qū)域加熱溫度達(dá)到80～90℃后，再繼續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)。

本工程管桁架桿件鋼材厚度均＞9mm，故管桁架所有桿件對(duì)接焊縫處均應(yīng)分多層焊接，焊縫焊接工人，要從上到下沿管桁架相貫線，逐層將焊縫堆疊。焊接焊縫的每道熔融金屬的溫度控制在60-240℃之間，焊接施工時(shí)派專人用紅外溫度計(jì)對(duì)桿件溫度進(jìn)行監(jiān)視。

3.4 焊后熱處理

本工程管桁架最多處有9 根桿件處在同一節(jié)點(diǎn)處焊接，焊后熱處理顯得尤為重要。如果合理地進(jìn)行焊接完后的處理工作，不僅可以基本消除焊接施工產(chǎn)生的應(yīng)力，可以使氫元素逃離焊縫，減少由于氫分子的形成而產(chǎn)生的焊縫的應(yīng)力集中，避免發(fā)生氫脆性裂縫。

管桁架桿件焊后熱處理范圍最好被控制在焊縫兩側(cè)管桁架桿件的壁厚3 倍且≥200mm 范圍內(nèi)，用氧乙炔火焰進(jìn)行烘烤，在焊接結(jié)束后焊縫金屬?zèng)]有完全冷卻的時(shí)候立即進(jìn)行，加熱溫度為200～300℃，由于氣溫低，熱損大，烘烤時(shí)采用多把噴槍持續(xù)進(jìn)行。

處理結(jié)束后用石棉等保溫、耐火材料對(duì)焊縫焊接區(qū)域進(jìn)行覆蓋來(lái)保溫。焊縫保溫時(shí)間按板厚每30mm 保溫1h 進(jìn)行控制，但總保溫時(shí)間≥2h，冷卻速度控制在≤10℃/min。

慢慢冷卻后，清掃檢查焊縫并組織專業(yè)人員用超聲波對(duì)焊接部位進(jìn)行探傷，探傷不滿足要求的逐個(gè)處理，速度要快，不能影響后續(xù)防腐防火工序的施工。

4 控制要點(diǎn)

焊接時(shí)嚴(yán)禁雨水、雪花等飄落在正在焊接的管桁架焊縫上，同時(shí)環(huán)境濕度＞90%時(shí)，嚴(yán)禁進(jìn)行相關(guān)焊接作業(yè)。

管桁架桿件位置定位要準(zhǔn)確無(wú)誤，焊接前后均要及時(shí)進(jìn)行復(fù)核，偏差超過(guò)相關(guān)規(guī)定應(yīng)及時(shí)糾正，保證管桁架桿件間由于結(jié)構(gòu)偏差產(chǎn)生的應(yīng)力盡量最小，從而保證管桁架桿件的焊接的焊縫質(zhì)量。

焊接前預(yù)熱措施要提前調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇合適的加熱方式，保證鋼材在穩(wěn)定的溫度區(qū)間進(jìn)行焊接。桿件的弧形焊縫焊接過(guò)程需要對(duì)稱地、連續(xù)地、均勻地進(jìn)行，使焊縫的收縮量變小，從而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的影響變小。

采用含氫量低的焊接材料，從根本方面著手降低氫含量，從而降低由于氫氣過(guò)多產(chǎn)生薄弱點(diǎn)造成裂紋現(xiàn)象的發(fā)生概率。

管桁架冬季焊接施工開(kāi)始前，必須安排專人進(jìn)行相應(yīng)的桿件焊接的連接施工方法的工藝評(píng)定，依據(jù)報(bào)告來(lái)確定焊接的實(shí)際流程及操作工藝是否滿足工程需要。在焊接整體構(gòu)件拼接的順序選擇中，從結(jié)構(gòu)中心向周圍對(duì)稱展開(kāi)焊接，不能同時(shí)焊接一個(gè)部件的兩端。

5 焊縫質(zhì)量效果驗(yàn)證

通過(guò)選擇符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的安裝焊接方法，管桁架的焊接質(zhì)量得到了良好的保證，焊縫經(jīng)超聲波檢測(cè)達(dá)到一級(jí)焊縫II 等。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程通過(guò)試驗(yàn)段和焊縫檢測(cè)結(jié)果確定了管桁架屋面在冬季焊接的施工方法與質(zhì)量控制要點(diǎn)，希望為以后類似的鋼結(jié)構(gòu)管桁架結(jié)構(gòu)冬季焊接施工提供借鑒。