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高强异型节点厚钢板现场超长斜立焊施工技术

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:35:06 [收藏]
1、所属科学技术领域
    1、所属科学技术领域
    　　在中国建筑金属结构信息网安装、焊接领域，本工程外框双向倾斜钢柱大部分为多箱体截面,因结构受力需要，部分钢柱分节后的单节重达120t，超出现场吊装设备的起重能力（最大吊装设备为M1280D塔吊，最大起重能力为80吨），根据设计要求，钢柱不能再分节，为满足吊装，需将钢柱的部分箱体或牛腿与主体进行分离安装、现场焊接。
    　　分体柱的现场焊缝具有如下焊接特点：
    　　1、现场焊接长度较大，最长为14.88m，焊缝连续填充量大，单条焊缝填充量达0.55t。焊接时，每根钢柱需要同时成对焊接近30m的焊缝，大量的焊接热量集中，焊接应力和变形控制难度非常大，在国内中国建筑金属结构信息网安装焊接中极为罕见，尚没有先例可借鉴。
    　　2、焊接母材材料强度等级高，Q390D、Q420D高强钢可焊性程度、焊接参数、焊接应力和变形控制等受现场条件、焊接位置与焊接环境影响，存在较多的不确定性因素，对于复杂中国建筑金属结构信息网方面，尚无成熟的规范及焊接工艺参数作参照。
    　　3、焊接位置全部为斜立向位置、超长焊缝和超厚板的焊接，每组焊缝需要大量技术过硬的焊工昼夜连续集中施焊，在施焊过程中容易产生巨大的焊接应力，造成柱体变形、焊缝冷裂纹及母材层状撕裂等质量问题。同时对人员、焊接设备组织和安全保障方面也有很高的要求。
    　　4、焊接为坡口全熔透一级焊缝，焊接工艺、焊接技术措施、质量控制手段和质量检查方面需要进行专家论证，制定有针对性的焊接工艺。
    　　根据该工程复杂的结构体系和现场实际工况，主承建单位在焊接施工方案制定，以及各关键施工技术与措施应用方面，依托传统技术，开展科技创新、大胆探索，进行施工工艺革新，同时大力应用新技术、新材料和新设备，为解决超大（重）型构件满足运输、吊装和结构受力需要而进行节点分离安装、高空高强度厚板长焊缝的立向组拼焊接的成功实现奠定了坚实基础。


    2、主要内容
    　　总体思路：
    　　超长、超厚、高强材质焊缝现场焊接采用的总体思路概括起来是：
    　　（1）、施工前，根据焊接形式有针对性地进行焊接工艺评定；
    　　（2）、钢柱分体安装，先安装本体钢柱、并部分焊接，然后安装分体下来的一部分钢柱。
    　　（3）、焊接前先对焊接坡口两侧的母材进行超声波无损探伤检测，同时用焊缝量规对焊缝的安装组对情况进行仔细的检查。
    　　（4）、使用电加热技术进行焊接预热、后热、加热保温，保证钢柱整体温度同步均匀加热和降温。
    　　（5）、焊接过程中采用分层、分道、对称、同速退焊的方法进行施焊。
    　　（6）、在整个焊接过程中，采用高精度全站仪对钢柱的轴线进行跟踪测量，如钢柱的轴线有所偏移，应及时通过调整焊接顺序和应用电加热技术对钢柱进行校正。
    　　（7）、焊接完成24小时后采用超声波无损探伤和磁粉探伤检测焊缝的焊接质量，同时在一个月内每隔7天对焊缝再次进行检查，防止延迟裂纹的产生。
    　　技术方案：
    1、施工要点
    　　1）、焊接工艺参数
    　　CO2半自动气体保护焊实芯焊丝焊接参数 (立焊)


    　　2）、焊接接头的准备
    　　焊接前应认真检查母材坡口的间隙是否超标，如有超标应在坡口表面用小热输入、多层、多道堆焊方法减小间隙，使坡口角度和间隙达到标准后方可正常施焊。检查边缘是否光滑，确保无影响焊接的割痕缺口，质量应符合 GB50205—2001规范规定的要求，若发现问题，应用磨光机认真打磨处理，合格后方可进行焊接。
    　　3）、分体钢柱的焊接顺序
    　　分体钢柱的立向焊缝纵向通长分布在钢柱内箱体一侧，焊接熔敷金属量大，由于焊接收缩变形产生的焊接应力对结构质量将造成不利因素，而且母体横截面较大刚性对子体形成很大约束，因此控制焊接应力、防止厚板在焊接时的冷裂纹及层状撕裂，将是主要的技术重点，在焊接施工前必须制定出合理的焊接顺序，并严格按照制定的焊接顺序进行焊接作业。
    　　4）、焊接方法
    　　采用薄层多道窄摆幅和分段退焊的焊接方法进行施焊，严格控制单道焊缝的厚度和宽度，减少焊接热输入，以减小降低焊缝的机械性能因素，单道焊缝厚度应不大于5mm、摆动宽度不大于20mm。分段退焊焊接接头的处理：
    　　在分段退焊上段焊缝时，每一层焊接至上一区域分段处止焊，再退至下段与下一区域分段处起焊，焊接至上一段起焊处止。在某一段焊接前，需将上段焊缝起焊处和下区域止焊处的焊接缺陷需用碳弧气刨，并将接头处理成缓坡形状，达到焊接要求，每一层的焊缝接头必须错开不小于50?，以避免焊接缺陷的集中。
    　　5）、焊接工艺要求
    　　在焊接过程严格按照焊接工艺评定的各项焊接参数进行施焊，严禁采用超出工艺评定允许变化范围的电流、电压，在焊接作业点挂设焊接工艺卡，操作者可随时查看并按要求进行焊接操作。
    　　A、预热：
    　　由于分体钢柱的焊缝均是超长焊缝，焊接时安排大量的焊工分段同时施焊，为保证焊接的质量，减小焊接产生的应力，焊前预热非常重要。为达到所需要的温度，焊前预热的预热方式主要以电加热为主，对局部电加热无法加热到的地方采用火焰加热的方式进行，预热温度为：不低于120℃。测温点位于焊缝两侧并离焊缝中心75mm处。
    　　B、层温控制：
    　　与预热一样，超长焊缝层温控制十分困难，焊接时焊缝分段焊接的长度，应控制在一定长度1m左右，需随时对焊接焊缝进行测温监控，层间温度应控制在不低于预热时的温度（即层间温度应不低于120℃），发现层温过低时，必须立即进行加热补偿，待达到温度后再进行焊接。
    　　C、后热及保温
    　　分体钢柱与主体的立向焊缝，由于是分段焊接完成，先焊接完成段的焊缝温度需保持并接近后一段焊接部位焊缝的温度；当整条焊缝全部焊接完成后，应立即放置电加热设备，在放置电加热设备的过程中，为了防止焊缝温度的降低，应先用火焰加热法对焊缝进行补偿加热，保证整个焊缝的温度不低于焊接过程中的最高层间温度（即150℃）。当电加热器的温度升高到150℃以上时，火焰加热换为电加热方法，从而保证焊缝的均匀收缩，减少焊缝分段焊接的收缩产生的应力。后热温度应控制在不低于250℃，恒温120分钟后，进行保温覆盖，然后缓冷至常温。偶遇雷电不能连续施焊时，应立即采取上述后热措施，再次开始焊接前应按上述规定重新预热。
    　　D、焊接时的其它注意事项
    　　1、在开始施焊前，应对施焊人员进行详细的交底，并对焊接人员明确其所在的焊接部位；
    　　2、在焊接过程中，应准备至少两台备用焊机，保证某台焊机出现故障后，立即有焊机投入使用；
    　　3、在焊接过程中，每一个班组应准备至少一名焊工，保证某焊工发生不可预见的紧急情况后，立即有人投入焊接；
    　　4、在整个焊接过程中，安排专人全程进行监护，一来对焊接质量进行监督，二来对焊接工人进行防护，以免发生意外。同时，监护人员还要认真、详细地做好焊接过程中各项参数的记录。
    　　5、若在夏季焊接，由于天气炎热，焊接时焊工都在封闭的环境中施焊，在焊接过程中应对焊接工人做好防暑降温的后勤保障。
    　　关键施工技术：
    　　1、半自动药芯焊丝C02气体保护焊现场焊接技术
    　　使用具有气渣联合保护作用的药芯焊丝C02气体保护焊，提高焊接中的抗风挺度，使得焊缝及热影响区晶粒较细,焊接接头力学性能高。模拟现场实际工况，通过大量焊接工艺试验，选取最佳焊接工艺参数。药芯焊丝C02气体保护焊属气渣联合保护，兼有气保护焊和手工焊两方面的优点，工艺性能好、易操作、施工高效率高、是焊条电弧焊的3～4倍，冶金反应完善、工艺性能好、晶间腐蚀性能及低温冲击性能均较理想；特别是弧稳，飞溅少，焊缝成型光滑美观，熔敷效率高，一般可达75%～85%，而且可以采用大电流进行全位置焊接，对设备要求低等独特优点。
    　　2、超长斜立焊缝现场焊接的电脑自动控温、密集电加热技术
    　　高强钢厚板焊接加热的目的就是为了减少焊缝区与两侧母材的温度差，降低焊接区的冷却速度，减少焊接应力，加速氢的扩散，避免产生淬硬组织，防止产生焊接裂纹。对低合金高强度钢的焊接，焊前预热尤为重要。
    　　在焊接完成后，立即对焊件进行后热处理，确保焊接接头中的残余氢能扩散逸出，减少延迟冷裂纹的产生。由于超重钢柱分离吊装，现场焊接的单条焊缝长度长，母材厚度大，材质高，为了克服传统火焰加热的不均匀性、升温缓慢、工效低以及易破坏母材化学成分的缺点，保证焊缝两侧母材快速升温和受热均匀，采用DWK-360kw电脑温控仪进行控温，每组输出10kw/220V,每台输出36个点，在焊缝两侧加热，并对称布设加热器。每米焊缝用10-20kw磁铁式陶瓷电加热器（外面带铁盒）加热，每台电加热设备最高用电负荷达360kw。构件正面加热，正面测温，加热升温速度应缓慢，一般情况应控制在50℃/h以内，严格控制预热温度和层间温度。测温时，测温点应选在距坡口边缘50mm处，平行于焊缝中心的两条直线上。焊接过程中随时监控，严禁出现过热和过冷现象。
    　　3、多人同步对称、分段分层退焊技术
    　　根据施工经验、结合焊接专家的意见，钢柱母体与子体的焊接连接采用薄层多道窄摆幅、分段分层退焊、多人同时对称焊接的方法。焊前将整条焊缝按1—2m/段进行分段，每段焊缝又分成两或三小段，在每组焊缝的每个分段对称位置处同时配备两名焊工按照规定的焊接顺序从下至上、沿焊缝斜立。方向开始分层多道退焊，焊接选择相同的焊接电流参数及每层的焊接厚度，并尽量保持同时、同速施焊，以保证相同的焊接热输入，使收缩趋于同步。分段焊接顺序为：先从分段上部的1/3处向上焊接，焊完一层后再从中间的1/3处由下向上焊接中间的1/3段的第一层，然后再从此分段的底部向上焊接下面1/3段的第一层，这样完成第一层的焊接；接着再由下向上焊接上面1/3段的第二层，依次类推直到焊接完所在分段部位的全部焊接。焊接中严格控制单道焊缝的厚度和宽度，减少焊接热输入，以减小降低焊缝的机械性能因素，单道焊缝厚度应不大于5mm、摆动宽度不大于20mm。
    　　4、防焊接变形加固与实时位形监测技术
    　　在焊缝两侧，沿焊缝长度方向，每隔1.5m设置刚性约束板，减少焊接变形，同时在焊前预热、焊中和焊后加热过程中用全站仪对钢柱的柱顶三维坐标变化进行实时跟踪测量，避免焊接变形过大，引起柱顶位形的偏移，影响下一节柱的安装定位。一旦出现偏差过大，则调整电加热位置和加热温度、并合理控制升温与恒温时间。
    　　3、保密要点
    　　根据施工经验、结合焊接专家的意见，钢柱母体与子体的焊接连接采用薄层多道窄摆幅、分段分层退焊、多人同时对称焊接的方法。焊前将整条焊缝按1—2m/段进行分段，每段焊缝又分成两小段或三小段，在每组焊缝的每个分段对称位置处同时配备两名焊工按照规定的焊接顺序从下至上、沿焊缝斜立方向开始分层多道退焊，焊接选择相同的焊接电流参数及每层的焊接厚度，并尽量保持同时、同速施焊，以保证相同的焊接热输入，使收缩趋于同步。

    4、与国内外同比情况
    　　1、国内: 根据查新资料表明，超长、超厚板、高强材质焊缝施工现场焊接的工艺在我国属首次应用，因而施工中无类似的工程可以借鉴，本工程中10多根钢柱超长焊缝的顺利完成，将添补我国此项施工工艺的空白，为今后类似工程的施工提供理论依据和实际操作方法。
    　　2、国外: 目前国外介绍本超长焊缝的的文献较少, 能检索到的工程实例少之又之，从焊缝长度、板厚、和最终成形控制变形程度来看，电央电视新台址建设工程的超长焊缝施工难度均比文献中所提到的工程要高出许多。另外, 对前述几方面, 国外尚未没有相应的深入研究和探讨的文献资料，其焊接水平达到国际先进水平。

    5、经济效益及社会效益
    　　经济效益：
    　　Ⅰ、一次性成功完成分体柱高强度材质、超长超厚板焊接。
    　　Ⅱ、总体工期提前5天
    　　减少大型机械租赁费：5*13万=65万元
    　　减少人工费：5*2万=10万元
    　　减少管理费：5*1万=5万元
    　　减少其他措施费:20万元
    　　总共节约费用：100万元
    　　社会效益：
    　　1、通过将超过现有塔吊起重量的钢柱分体后安装、现场焊接的方案，给后序悬臂部分超重构件的深化设计提供了依据，节约了悬臂部分的深化设计时间，从而使得悬臂部分的投料加工得以提前进行，为中央电视台新台址工程2008年在奥运会开幕之前投入运营争取了时间，奠定了基础。
    　　2、根据查新资料表明，超长、超厚板、高强材质焊缝施工现场焊接的工艺在我国属首次应用，因而施工中无类似的工程可以借鉴，本工程中10多根钢柱超长焊缝的顺利完成，将添补我国此项施工工艺的空白，为今后类似工程的施工提供理论依据和实际操作方法。高强钢超长、超厚板现场焊接成功，将为中国建筑新技术的交流、推广与发展发挥重要作用，同时也提高了施工单位的知名度和核心技术竞争力。

    6、应用推广情况
    　　本工程在超长、超厚板斜立焊缝技术，无论从设计到施工都是一次尝试，将为以后类似工程提供宝贵的经验。总结此类技术，形成施工工艺，确保我公司在这方面技术优势，为公司与三局承接工程创造条件。此焊接工艺已获得总公司工法，在上报国家级工法，向全国建筑行业类似工程积极推广。在焊接过程中，中建总公司、各级专家领导、海内外同行多次来现场视察参观，进一步扩大了影响，大大地提高了我企业知名度和信誉。此类超长超厚板焊接技术的成功，将为中国建筑新技术的交流、推广与发展发挥重要作用。
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