超厚板焊接质量控制技术分析

    董立 李忠阳

    

    

    

    【摘要】本文通过对春之眼商业中心项目所使用的材质为Q390GJC-Z25、Q390GJC-Z35钢结构厚板焊接质量控制进行分析、优化和总结，从而达到对类似工程焊接控制管理起到借鉴作用。

    【关键词】钢结构;超高层;超厚板;焊接质量控制

    近年来，高层及超高层建筑越建越多，在高层及超高层建筑中，钢结构由于其结构的优越性，已经在超高层整体结构中占据主导地位，且国内市场对厚板的需求一直保持增长趋势，因此，如何控制厚板焊接质量显得愈发重要。

    1. 工程概况

    昆明春之眼商业中心项目钢结构工程位于昆明市东风广场工人文化宫以南，拓东路以北，盘龙江以东，北京路以西，周边交通和市政设施较为成熟。本项目建筑面积达60.06万m2，总重量约11万t。地下室5层，埋深约23.1m，主要功能为酒店后勤、机电用房、停车场;主塔塔楼地上80层，建筑高度407m，主要使用功能为国际顶级写字楼、国际一线顶级酒店、高端商业和公寓等，是一个集商务、购物、居住、观光为一体的大型城市综合体项目。主塔楼高度407m，建成后将是云贵高原多频地震带第一高楼。

    主塔塔楼主体结构采用巨柱钢框架-核心筒体系。钢结构由筒外巨柱、外框钢柱、楼层钢梁、外框斜撑等组成外筒，由劲性钢柱、连梁及钢板剪力墙等组成内筒，楼层采用钢筋桁架组合楼板，其巨柱之间增设阻尼器增加地震作用下的能耗。构件特性中巨柱由5边形组成，内设竖向分隔板，最大外截面707×4489×2880×2722×4811×100mm，

    最厚钢板100mm;外框圆管柱共计9根，随楼层变化而斜度变化，其最大截面为 Φ2050×40mm;外框斜撑为箱型构件，截面1400×1300×100mm;核心筒钢柱主要为异型和H型钢柱，典型截面为700×500×80×80mm 、H600×500×80×80mm;核心筒钢板剪力墙通长布置，钢板最厚为40mm。

    2.焊接工艺

    2.1材料特点

    Q390钢材综合力学性能、焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均较好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。本工程厚板采用Q390GJC，Q390C是一种低合金高强度结构钢，抗拉强度σb为370～580MPa。

    表1 ?化学成分

    C Si Mn P S

    ≤0.2 ≤0.5 ≤1.7 ≤0.025 ≤0.02

    Mo Cr Nb Ni Cu

    ≤0.1 ≤0.3 ≤0.1 ≤0.5 ≤0.3

    碳当量计算：国际焊接学会推荐的碳当量公式CE（IIW）

    公式（1） ? CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）= 0.617%

    2.2工艺准备

    施工前，对厚板焊接进行前期工艺准备，坡口形式采用单边V型坡口。通过合理控制焊接间隙，钝边和坡口角度三个参数，达到控制焊接质量的效果。

    2.2.1钝边和间隙

    钝边是焊件开坡口时，沿焊件厚度方向未开坡口的端面部分。钝边的作用是防止根部烧穿，但钝边的尺寸又需保证第一层焊缝能焊透。钝边越大，越不易焊透，钝边越小或无钝边，打底焊越容易焊穿。

    间隙是焊前在接头根部之间预留的空隙。间隙的作用是在焊接打底焊道时，保证根部焊透。

    钝边和间隙的尺寸能很好地配合，既可保证焊缝的焊透，又可避免烧穿、焊瘤和未焊透等缺陷。本工程根部间隙取6～8mm，钝边2mm。

    图1

    2.2.2坡口角度

    当电流电压一定的情况下，电弧的形状不变，但會随着坡口夹角的大小上下移动，不会发生左右的变化。很明显，在电弧电压不变的情况下，电弧熔化点到母材的距离相同。

    坡口角度越小，电弧为保持原来形状，电弧上移，电弧下坡口根部的距离就越大;反之，坡口角度越大，电弧为保持原来形状，电弧下移，这个距离就越小。

    由于电弧是由电压控制，电弧长度与电压成正比，随着电压的变化而变化。改变坡口角度，电弧所能到达坡口根部的距离明显不同。

    坡口角度达到45°时，虽能充分焊透，但焊丝填充量增加，未免浪费材料。且施工周期增加明显，恰到好处的坡口角度与达到理想焊缝质量要求的坡口角度为35°～45°为宜。

    3.厚板焊接质量控制措施

    3.1焊接方法

    3.1.1CO2气体保护焊

    本工程焊接均采用二氧化碳气体保护焊的焊接方法，二氧化碳气体保护焊具有生产效率高、焊接成本低、焊接变形小、适用范围广、操作便捷等优点，常为施工现场焊接方法的首选。

    3.1.2打底焊、填充焊、盖面焊

    打底焊：在厚板单面坡口对接焊时，为防止角变形或为为防止角变形或为防止自动焊时发生烧穿现象而先在接头背面坡口根部所进行的一条打底焊道的焊接 。

    填充焊：主要的作用是焊口的金属填充，在不影响焊口力学性能的条件下，要求尽快的填充效率和速度。

    盖面焊：指焊口最表面的一层焊层，要求成型美观，均匀一致，无表面外观缺陷，余高高度控制在0.5到3mm之间，与母材圆滑过渡。余高与母材过渡不好不但会造成应力集中，且会影响防腐补口的密封。

    针对本工程的厚板焊接，为了有效地保证焊接质量，控制焊接变形，采用多层多道的焊接方法，针对65mm厚度以上的钢板，采用打底焊一次，填充焊两次，盖面焊一次，完成焊接。

    3.1.3分段退焊法

    由于焊接时焊缝受热，焊后焊缝又恢复常温，在这个过程中由于热胀冷缩的原理，焊接后一般会产生变形，变形的量和焊接的位置、焊接速度、焊缝热量变化的速度均有关系。而采取分段焊接的方法是在焊接时可以减少较长焊缝的持续加热时间，从而避免温度过高引起变形;本工程施工前对三种分段焊接方法进行分析。

    图2 ?分段退焊示意图

    图3 ?分中段退焊法

    图4 ?分段跳焊法

    ①分中段退焊法：它的优点是中间散热快，缩小焊缝两端的温度差。焊缝热影响区的温度不断急剧增高，减少或避免了热膨胀变形。这种方法特别适用于平焊和仰焊，横焊一般不采用，立焊根本不能用。本工程存在大量对接立焊缝，因此，不予采用。

    ②分段退焊法：这种方法适用于各种空间位置的焊接。钢材较厚，焊缝较长时都可以设挡弧板，多人同时焊接。其优点是可以减小热影响区，避免变形。

    ③分段跳焊法：分段跳焊与分段退焊相似，但相较于分段退焊法可以分散焊缝热量，更加利于应力释放，避免或减小变形。

    通过分析以上三种焊接方法的优缺点及综合分析施工现场实际情况，本工程对厚板焊接采用分段跳焊的方法，每段距离约600mm。

    3.2焊接电流和电弧电压的选择

    焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流。焊接电流大小对焊条的熔化速度、母材熔深、焊缝内在质量、焊接接头性能和生产效率均有重要影响。焊接电流太大，容易在母材金属的两侧产生咬边，甚至烧穿。焊接电流过小，则母材金属未充分加热，容易造成夹渣和未焊透等缺陷。焊接电流大，则熔深大，焊接电流小，则熔深小。且厚板焊接过程中，电流过大，焊后构件变形明显，因此，合理的选用电流参数对质量控制效果明显。

    电弧电压即焊接电压，焊接电压是决定熔宽的主要因素， 电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大，同时弧长拉长，分布半径增大，因而熔深略有减小而熔宽增大。余高减小，这时因为熔宽增大，焊丝熔化量却稍有减小所致。焊接电压过大时，焊剂熔化量增加，电弧不稳，严重时会产生咬边和气孔等缺陷。焊接电压过低时，电弧引燃困难，焊接过程不稳定。只有电弧电压与焊接电流较好的匹配，才能获得较好的焊接过程，并且飞溅小，焊缝成型好。

    本工程焊接电流、电压参数选用见表2。

    3.3焊接速度的选择

    焊接速度：单位时间内完成的焊缝长度称为焊接速度。

    如果焊接速度过快，熔池温度不够，易造成未焊透、未熔合、焊缝成型不良等缺陷。如果焊接速度过慢，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，同时使变形量增大。通过大量试验，焊接速度控制在30～35cm/min为宜。

    3.4焊丝伸长度的选择

    干伸长度对焊机输出的实际电流有很大影响，在焊接过程当中，当干伸长度大时，焊丝的电阻增大，实际电流减少所以很容易在送丝速度不变的情况下，出现熔深变浅，甚至根部未焊透。由于电阻增大，焊丝会因过热而成段熔化，金属飞溅严重，焊缝被空气侵入形成气孔缺陷几率增大。当干伸长度小时，焊丝的电阻减小，实际电流就增大，喷嘴与工件的距离缩短，会造成焊缝过高，成形不良，并且使得导电嘴过热，烧坏导电嘴，造成焊丝堵死，还有造成的飞溅物粘住或堵住喷嘴，影响气体流通，从而造成焊接有气孔。

    通常情况下，焊丝伸长距离宜为焊丝直径的10倍，即伸长度取12mm。

    3.5气体流量

    在焊接电流较大，焊接速度较大，焊丝伸出较长及室外作业等情况下，气体流量要适当增加，以使保护气体达到足够的挺度，提高其抗干扰的能力。当气体流量过大时，对焊缝熔池的吹力增加，冷却作用加强，会形成紊乱气流，破坏气体保护，使焊缝产生气孔等缺陷。因此合理控制气体流量的速度可保证焊接后的质量，本工程焊接过程气体流量控制在15～20L/min。

    3.6预热温度与层间温度控制

    碳当量>0.5%时，钢材的淬硬倾向增大，硬度增加，钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。因此正式焊接工作开始前，对厚钢板的焊缝区要进行预热，焊接时，由于局部的激热速冷，预热可缓解焊接区激热，速冷的过程，减少焊接过程的收缩应力，同时，可以排除焊接区的水分和湿气。

    本工程预热采用电加热或火焰加热，通过火焰加热预热时，需保证焊道两侧各100mm范围内均匀加热，预热温度控制在80℃～120℃为宜。

    层间温度是多道焊缝及母材在施焊下一焊道之前的瞬时最高温度，层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降。如低于预热温度则可能在焊接过程中产生裂纹。本工程的层间温度控制在120℃～250℃。

    温度的监测采用红外线激光测温仪，测温时，激光点应在焊缝两侧100mm处。

    3.7焊接过程约束措施

    厚板焊接过程中，除需控制合理的焊接参数，考虑理论数据与实际操作的差异，仍需增加外部物理约束措施。

    本工程厚板均采用单边V型坡口，在坡口正面两端处增加两块约束钢板，在坡口背面每600m设置一道约束钢板，减少坡口侧焊接接头数量，约束板的规格300×150×20mm。大量试验明，焊接冷却过程中外部约束板对焊缝附近的塑性变形区的收缩等效于反向拉伸，可減小残余应力应变， 采用合理的约束板布置可以有效的控制挠度变形与鼓曲度变形。

    4.分析及总结分

    本工程100mm厚板对接焊缝均为一级焊缝，经超声波无损检测探伤，一次探伤合格率均为99.5%，经一次返修后，合格率达到100%。

    通过焊前充分准备及大量实验结果表明，调节C02气体保护焊相关焊接参数，及合理的设置焊接前的约束措施，可有效的控制厚板焊接引起的整体变形，且大大提高了劳动生产率，降低了成本，取得了较好的经济效益。同时也为类似工程提供了宝贵的经验，可大力推广。

    参考文献

    [1] 钢结构焊接规范（GB50661-2011）

    [2] 张耀林，李可军等.高建钢及厚板在天津高银117大厦项目中的应用.建筑技术开发，2015.

    [3] 龚雪群.Q390厚板的CO2气保焊全熔透焊接技术的应用.焊接技术，2007.

    [4] 许宏.高层钢结构厚板焊接质量控制管理.江西建材，2016.

    （作者单位：中建二局安装工程有限公司）

    【中图分类号】TU391

    【文献标识码】A

    【文章编号】1671-3362（2019）12-0049-03