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高強異型節(jié)點厚鋼板現場超長斜立焊施工技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:35:06 [收藏]
1、所屬科學技術領域
    1、所屬科學技術領域
    　　在鋼結構安裝、焊接領域，本工程外框雙向傾斜鋼柱大部分為多箱體截面,因結構受力需要，部分鋼柱分節(jié)后的單節(jié)重達120t，超出現場吊裝設備的起重能力（最大吊裝設備為M1280D塔吊，最大起重能力為80噸），根據設計要求，鋼柱不能再分節(jié)，為滿足吊裝，需將鋼柱的部分箱體或牛腿與主體進行分離安裝、現場焊接。
    　　分體柱的現場焊縫具有如下焊接特點：
    　　1、現場焊接長度較大，最長為14.88m，焊縫連續(xù)填充量大，單條焊縫填充量達0.55t。焊接時，每根鋼柱需要同時成對焊接近30m的焊縫，大量的焊接熱量集中，焊接應力和變形控制難度非常大，在國內鋼結構安裝焊接中極為罕見，尚沒有先例可借鑒。
    　　2、焊接母材材料強度等級高，Q390D、Q420D高強鋼可焊性程度、焊接參數、焊接應力和變形控制等受現場條件、焊接位置與焊接環(huán)境影響，存在較多的不確定性因素，對于復雜鋼結構方面，尚無成熟的規(guī)范及焊接工藝參數作參照。
    　　3、焊接位置全部為斜立向位置、超長焊縫和超厚板的焊接，每組焊縫需要大量技術過硬的焊工晝夜連續(xù)集中施焊，在施焊過程中容易產生巨大的焊接應力，造成柱體變形、焊縫冷裂紋及母材層狀撕裂等質量問題。同時對人員、焊接設備組織和安全保障方面也有很高的要求。
    　　4、焊接為坡口全熔透一級焊縫，焊接工藝、焊接技術措施、質量控制手段和質量檢查方面需要進行專家論證，制定有針對性的焊接工藝。
    　　根據該工程復雜的結構體系和現場實際工況，主承建單位在焊接施工方案制定，以及各關鍵施工技術與措施應用方面，依托傳統(tǒng)技術，開展科技創(chuàng)新、大膽探索，進行施工工藝革新，同時大力應用新技術、新材料和新設備，為解決超大（重）型構件滿足運輸、吊裝和結構受力需要而進行節(jié)點分離安裝、高空高強度厚板長焊縫的立向組拼焊接的成功實現奠定了堅實基礎。


    2、主要內容
    　　總體思路：
    　　超長、超厚、高強材質焊縫現場焊接采用的總體思路概括起來是：
    　?。?）、施工前，根據焊接形式有針對性地進行焊接工藝評定；
    　　（2）、鋼柱分體安裝，先安裝本體鋼柱、并部分焊接，然后安裝分體下來的一部分鋼柱。
    　?。?）、焊接前先對焊接坡口兩側的母材進行超聲波無損探傷檢測，同時用焊縫量規(guī)對焊縫的安裝組對情況進行仔細的檢查。
    　?。?）、使用電加熱技術進行焊接預熱、后熱、加熱保溫，保證鋼柱整體溫度同步均勻加熱和降溫。
    　?。?）、焊接過程中采用分層、分道、對稱、同速退焊的方法進行施焊。
    　?。?）、在整個焊接過程中，采用高精度全站儀對鋼柱的軸線進行跟蹤測量，如鋼柱的軸線有所偏移，應及時通過調整焊接順序和應用電加熱技術對鋼柱進行校正。
    　?。?）、焊接完成24小時后采用超聲波無損探傷和磁粉探傷檢測焊縫的焊接質量，同時在一個月內每隔7天對焊縫再次進行檢查，防止延遲裂紋的產生。
    　　技術方案：
    1、施工要點
    　　1）、焊接工藝參數
    　　CO2半自動氣體保護焊實芯焊絲焊接參數 (立焊)


    　　2）、焊接接頭的準備
    　　焊接前應認真檢查母材坡口的間隙是否超標，如有超標應在坡口表面用小熱輸入、多層、多道堆焊方法減小間隙，使坡口角度和間隙達到標準后方可正常施焊。檢查邊緣是否光滑，確保無影響焊接的割痕缺口，質量應符合 GB50205—2001規(guī)范規(guī)定的要求，若發(fā)現問題，應用磨光機認真打磨處理，合格后方可進行焊接。
    　　3）、分體鋼柱的焊接順序
    　　分體鋼柱的立向焊縫縱向通長分布在鋼柱內箱體一側，焊接熔敷金屬量大，由于焊接收縮變形產生的焊接應力對結構質量將造成不利因素，而且母體橫截面較大剛性對子體形成很大約束，因此控制焊接應力、防止厚板在焊接時的冷裂紋及層狀撕裂，將是主要的技術重點，在焊接施工前必須制定出合理的焊接順序，并嚴格按照制定的焊接順序進行焊接作業(yè)。
    　　4）、焊接方法
    　　采用薄層多道窄擺幅和分段退焊的焊接方法進行施焊，嚴格控制單道焊縫的厚度和寬度，減少焊接熱輸入，以減小降低焊縫的機械性能因素，單道焊縫厚度應不大于5mm、擺動寬度不大于20mm。分段退焊焊接接頭的處理：
    　　在分段退焊上段焊縫時，每一層焊接至上一區(qū)域分段處止焊，再退至下段與下一區(qū)域分段處起焊，焊接至上一段起焊處止。在某一段焊接前，需將上段焊縫起焊處和下區(qū)域止焊處的焊接缺陷需用碳弧氣刨，并將接頭處理成緩坡形狀，達到焊接要求，每一層的焊縫接頭必須錯開不小于50?，以避免焊接缺陷的集中。
    　　5）、焊接工藝要求
    　　在焊接過程嚴格按照焊接工藝評定的各項焊接參數進行施焊，嚴禁采用超出工藝評定允許變化范圍的電流、電壓，在焊接作業(yè)點掛設焊接工藝卡，操作者可隨時查看并按要求進行焊接操作。
    　　A、預熱：
    　　由于分體鋼柱的焊縫均是超長焊縫，焊接時安排大量的焊工分段同時施焊，為保證焊接的質量，減小焊接產生的應力，焊前預熱非常重要。為達到所需要的溫度，焊前預熱的預熱方式主要以電加熱為主，對局部電加熱無法加熱到的地方采用火焰加熱的方式進行，預熱溫度為：不低于120℃。測溫點位于焊縫兩側并離焊縫中心75mm處。
    　　B、層溫控制：
    　　與預熱一樣，超長焊縫層溫控制十分困難，焊接時焊縫分段焊接的長度，應控制在一定長度1m左右，需隨時對焊接焊縫進行測溫監(jiān)控，層間溫度應控制在不低于預熱時的溫度（即層間溫度應不低于120℃），發(fā)現層溫過低時，必須立即進行加熱補償，待達到溫度后再進行焊接。
    　　C、后熱及保溫
    　　分體鋼柱與主體的立向焊縫，由于是分段焊接完成，先焊接完成段的焊縫溫度需保持并接近后一段焊接部位焊縫的溫度；當整條焊縫全部焊接完成后，應立即放置電加熱設備，在放置電加熱設備的過程中，為了防止焊縫溫度的降低，應先用火焰加熱法對焊縫進行補償加熱，保證整個焊縫的溫度不低于焊接過程中的最高層間溫度（即150℃）。當電加熱器的溫度升高到150℃以上時，火焰加熱換為電加熱方法，從而保證焊縫的均勻收縮，減少焊縫分段焊接的收縮產生的應力。后熱溫度應控制在不低于250℃，恒溫120分鐘后，進行保溫覆蓋，然后緩冷至常溫。偶遇雷電不能連續(xù)施焊時，應立即采取上述后熱措施，再次開始焊接前應按上述規(guī)定重新預熱。
    　　D、焊接時的其它注意事項
    　　1、在開始施焊前，應對施焊人員進行詳細的交底，并對焊接人員明確其所在的焊接部位；
    　　2、在焊接過程中，應準備至少兩臺備用焊機，保證某臺焊機出現故障后，立即有焊機投入使用；
    　　3、在焊接過程中，每一個班組應準備至少一名焊工，保證某焊工發(fā)生不可預見的緊急情況后，立即有人投入焊接；
    　　4、在整個焊接過程中，安排專人全程進行監(jiān)護，一來對焊接質量進行監(jiān)督，二來對焊接工人進行防護，以免發(fā)生意外。同時，監(jiān)護人員還要認真、詳細地做好焊接過程中各項參數的記錄。
    　　5、若在夏季焊接，由于天氣炎熱，焊接時焊工都在封閉的環(huán)境中施焊，在焊接過程中應對焊接工人做好防暑降溫的后勤保障。
    　　關鍵施工技術：
    　　1、半自動藥芯焊絲C02氣體保護焊現場焊接技術
    　　使用具有氣渣聯(lián)合保護作用的藥芯焊絲C02氣體保護焊，提高焊接中的抗風挺度，使得焊縫及熱影響區(qū)晶粒較細,焊接接頭力學性能高。模擬現場實際工況，通過大量焊接工藝試驗，選取最佳焊接工藝參數。藥芯焊絲C02氣體保護焊屬氣渣聯(lián)合保護，兼有氣保護焊和手工焊兩方面的優(yōu)點，工藝性能好、易操作、施工高效率高、是焊條電弧焊的3～4倍，冶金反應完善、工藝性能好、晶間腐蝕性能及低溫沖擊性能均較理想；特別是弧穩(wěn)，飛濺少，焊縫成型光滑美觀，熔敷效率高，一般可達75%～85%，而且可以采用大電流進行全位置焊接，對設備要求低等獨特優(yōu)點。
    　　2、超長斜立焊縫現場焊接的電腦自動控溫、密集電加熱技術
    　　高強鋼厚板焊接加熱的目的就是為了減少焊縫區(qū)與兩側母材的溫度差，降低焊接區(qū)的冷卻速度，減少焊接應力，加速氫的擴散，避免產生淬硬組織，防止產生焊接裂紋。對低合金高強度鋼的焊接，焊前預熱尤為重要。
    　　在焊接完成后，立即對焊件進行后熱處理，確保焊接接頭中的殘余氫能擴散逸出，減少延遲冷裂紋的產生。由于超重鋼柱分離吊裝，現場焊接的單條焊縫長度長，母材厚度大，材質高，為了克服傳統(tǒng)火焰加熱的不均勻性、升溫緩慢、工效低以及易破壞母材化學成分的缺點，保證焊縫兩側母材快速升溫和受熱均勻，采用DWK-360kw電腦溫控儀進行控溫，每組輸出10kw/220V,每臺輸出36個點，在焊縫兩側加熱，并對稱布設加熱器。每米焊縫用10-20kw磁鐵式陶瓷電加熱器（外面帶鐵盒）加熱，每臺電加熱設備最高用電負荷達360kw。構件正面加熱，正面測溫，加熱升溫速度應緩慢，一般情況應控制在50℃/h以內，嚴格控制預熱溫度和層間溫度。測溫時，測溫點應選在距坡口邊緣50mm處，平行于焊縫中心的兩條直線上。焊接過程中隨時監(jiān)控，嚴禁出現過熱和過冷現象。
    　　3、多人同步對稱、分段分層退焊技術
    　　根據施工經驗、結合焊接專家的意見，鋼柱母體與子體的焊接連接采用薄層多道窄擺幅、分段分層退焊、多人同時對稱焊接的方法。焊前將整條焊縫按1—2m/段進行分段，每段焊縫又分成兩或三小段，在每組焊縫的每個分段對稱位置處同時配備兩名焊工按照規(guī)定的焊接順序從下至上、沿焊縫斜立。方向開始分層多道退焊，焊接選擇相同的焊接電流參數及每層的焊接厚度，并盡量保持同時、同速施焊，以保證相同的焊接熱輸入，使收縮趨于同步。分段焊接順序為：先從分段上部的1/3處向上焊接，焊完一層后再從中間的1/3處由下向上焊接中間的1/3段的第一層，然后再從此分段的底部向上焊接下面1/3段的第一層，這樣完成第一層的焊接；接著再由下向上焊接上面1/3段的第二層，依次類推直到焊接完所在分段部位的全部焊接。焊接中嚴格控制單道焊縫的厚度和寬度，減少焊接熱輸入，以減小降低焊縫的機械性能因素，單道焊縫厚度應不大于5mm、擺動寬度不大于20mm。
    　　4、防焊接變形加固與實時位形監(jiān)測技術
    　　在焊縫兩側，沿焊縫長度方向，每隔1.5m設置剛性約束板，減少焊接變形，同時在焊前預熱、焊中和焊后加熱過程中用全站儀對鋼柱的柱頂三維坐標變化進行實時跟蹤測量，避免焊接變形過大，引起柱頂位形的偏移，影響下一節(jié)柱的安裝定位。一旦出現偏差過大，則調整電加熱位置和加熱溫度、并合理控制升溫與恒溫時間。
    　　3、保密要點
    　　根據施工經驗、結合焊接專家的意見，鋼柱母體與子體的焊接連接采用薄層多道窄擺幅、分段分層退焊、多人同時對稱焊接的方法。焊前將整條焊縫按1—2m/段進行分段，每段焊縫又分成兩小段或三小段，在每組焊縫的每個分段對稱位置處同時配備兩名焊工按照規(guī)定的焊接順序從下至上、沿焊縫斜立方向開始分層多道退焊，焊接選擇相同的焊接電流參數及每層的焊接厚度，并盡量保持同時、同速施焊，以保證相同的焊接熱輸入，使收縮趨于同步。

    4、與國內外同比情況
    　　1、國內: 根據查新資料表明，超長、超厚板、高強材質焊縫施工現場焊接的工藝在我國屬首次應用，因而施工中無類似的工程可以借鑒，本工程中10多根鋼柱超長焊縫的順利完成，將添補我國此項施工工藝的空白，為今后類似工程的施工提供理論依據和實際操作方法。
    　　2、國外: 目前國外介紹本超長焊縫的的文獻較少, 能檢索到的工程實例少之又之，從焊縫長度、板厚、和最終成形控制變形程度來看，電央電視新臺址建設工程的超長焊縫施工難度均比文獻中所提到的工程要高出許多。另外, 對前述幾方面, 國外尚未沒有相應的深入研究和探討的文獻資料，其焊接水平達到國際先進水平。

    5、經濟效益及社會效益
    　　經濟效益：
    　?、瘛⒁淮涡猿晒ν瓿煞煮w柱高強度材質、超長超厚板焊接。
    　?、颉⒖傮w工期提前5天
    　　減少大型機械租賃費：5*13萬=65萬元
    　　減少人工費：5*2萬=10萬元
    　　減少管理費：5*1萬=5萬元
    　　減少其他措施費:20萬元
    　　總共節(jié)約費用：100萬元
    　　社會效益：
    　　1、通過將超過現有塔吊起重量的鋼柱分體后安裝、現場焊接的方案，給后序懸臂部分超重構件的深化設計提供了依據，節(jié)約了懸臂部分的深化設計時間，從而使得懸臂部分的投料加工得以提前進行，為中央電視臺新臺址工程2008年在奧運會開幕之前投入運營爭取了時間，奠定了基礎。
    　　2、根據查新資料表明，超長、超厚板、高強材質焊縫施工現場焊接的工藝在我國屬首次應用，因而施工中無類似的工程可以借鑒，本工程中10多根鋼柱超長焊縫的順利完成，將添補我國此項施工工藝的空白，為今后類似工程的施工提供理論依據和實際操作方法。高強鋼超長、超厚板現場焊接成功，將為中國建筑新技術的交流、推廣與發(fā)展發(fā)揮重要作用，同時也提高了施工單位的知名度和核心技術競爭力。

    6、應用推廣情況
    　　本工程在超長、超厚板斜立焊縫技術，無論從設計到施工都是一次嘗試，將為以后類似工程提供寶貴的經驗。總結此類技術，形成施工工藝，確保我公司在這方面技術優(yōu)勢，為公司與三局承接工程創(chuàng)造條件。此焊接工藝已獲得總公司工法，在上報國家級工法，向全國建筑行業(yè)類似工程積極推廣。在焊接過程中，中建總公司、各級專家領導、海內外同行多次來現場視察參觀，進一步擴大了影響，大大地提高了我企業(yè)知名度和信譽。此類超長超厚板焊接技術的成功，將為中國建筑新技術的交流、推廣與發(fā)展發(fā)揮重要作用。
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