大直徑厚壁異種鋼管現場CO2氣體保護焊技術

王維說

摘 要：CO2氣體保護焊是鋼結構工程的最常用的焊接方法之一，焊接質量的優劣是工程結構安全與否的基礎。通過對大直徑、厚壁鑄鋼和鍛鋼焊接難點的剖析，從預熱溫度、層間溫度、后熱溫度及工藝試驗多方面論證了工藝的可行性，制定了周密的焊接工藝措施，并成功應用于深圳大運中心主體育場工程，可為類似厚板鋼結構工程焊接提供借鑒。

關鍵詞：預熱溫度；層間溫度；氣體保護焊；深圳大運中心 引言

隨著我國大型鋼結構建筑的興建，鑄鋼件越來越多地應用于以鋼結構為主體的建筑工程中，鍛鋼件也在大型場館建筑中得以應用。深圳大運中心主體育場鋼結構主體中采用了大直徑厚壁鍛管，這是目前國內建筑工程中第一次使用，因鑄鋼件、鍛鋼件制造工藝不同，環焊縫處于應力集中區，且焊接區的拘束度大，現場施工作業條件差，焊后易出現焊接裂紋，故大直徑厚壁鑄鋼管、鍛管的現場焊接難度較大。

1 鑄鋼件鍛件概況及難點分析

1.1 本工程主體育場有20組鑄鋼節點和鍛管焊接，壁厚達200mm，鍛管重16.2t-28.2t，節點重70.8t-95.5t。

1.2 構件驗收嚴格按設計及深化圖紙技術要求進行，不符合質量驗收標準的構件不準進場。根據鍛管長度設置好鍛管下部的支墊高度，使焊口位置距操作架平臺1.3米高，以有利于焊工工作，并進行垂直度校正。吊裝相應的鑄鋼節點就位，拼接、校正并固定，經驗收合格后交于焊接工段進行焊接。鑄鋼節點與下部鍛管組合焊接（示意圖1）應在每個單元安裝位置就近進行，并應在對應吊車的起吊性能范圍。肩谷組合節點最重為123.7t，采用750t履帶吊進行吊裝時應在以吊車的回轉中心、半徑48m范圍內組合焊接。

圖2焊接坡口和尺寸示意圖 圖3 焊接順序

1.3 鑄鋼節點和鍛管材質

鑄鋼管節點和鍛管的材質牌號為GS-20Mn5N，選用德國標準DIN17182，具體熔煉分析化學成份見表1（單位為%）。當碳當量在Ceq=0.4%～0.6%時，鋼材易淬硬，說明焊接性已變差。

直徑1400mm，200mm厚壁鑄鋼GS -20Mn5N，交貨狀態為正火鋼，其機械性能要求的機械性能為：屈服強度大于240MPa，極限抗拉強度為450-600MPa，延伸率≥20%，沖擊功≥34J。GS -20Mn5N鍛鋼交貨狀態為調質鋼，其技術要求屈服強度不低于310 MPa，極限抗拉強度490-650MPa， 延伸率≥20%，沖擊功≥34J。

1.4 鍛鋼和鑄鋼焊接的難點

正火鋼焊接熱輸入的確定主要依據是防止過熱區脆化和焊接裂紋兩個方面，一般要求熱輸入量較小。調質鋼焊接不宜采用大直徑的焊條或焊絲，應盡量采用多層多道焊工藝，最好采用窄焊道而不用橫向擺動的運條技術。這樣既可以使焊接熱影響區和焊縫金屬有較好的韌性，又能減少焊接變形。

2 預熱溫度和后熱溫度的保證

本工程所采用的鑄造管、鍛管壁厚達200mm，為保證焊接質量，避免出現焊接裂紋，焊接時必須進行預熱及控制層間溫度。

2.1 拘束度分析

如圖1所示，節點自重較大，焊接時焊縫沿鍛管縱向的焊接收縮拘束度較大。鑄管鍛管壁厚達200mm，其自身沿徑向（直徑方向）和環向（圓周方向）有較大的焊接收縮拘束度。經綜合分析，鑄鋼管柱的焊接拘束度定為高級。

2.2 確定預熱溫度的方法

預熱可以減小焊件與焊縫的溫度梯度，降低焊接接頭的冷卻速度，減少溫度差所造成的應力和淬硬組織，預熱是防止冷裂紋有效措施之一。要求預熱的工件，其層間溫度不能低于預熱溫度，層間溫度的最大值參照AWSD 1.1：2000（美國鋼結構焊接規范2000版）附錄XI選取的預熱溫度與層間溫度，按化學成分計算裂紋敏感成份參數Pcm及敏感度指數Pw， CO2氣體保護焊接含氫量低，為H1級，敏感成份參數和敏感度見表2。壁厚75mm以上的厚板不同拘束度下的最低預熱溫度和層間溫度見表3。

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+V/10+5B=0.347

Pw=12Pcm+lgH=4.86 （取H=5）

故敏感度指數為E級。

表2 H1級含氫量敏感成份和敏感度

表3 大于75mm厚板的最低預熱溫度和層間溫度（℃）

查表3得最低預熱溫度和層間溫度為160℃，由此確定預熱溫度為160℃-170℃，層間溫度不低于預熱溫度，不高于200℃。

3 確定坡口、焊接材料、工藝參數

經綜合分析確定鑄鋼管、鍛管口形式選用V型坡口，坡口形式及尺寸見圖2，坡口向外開，由鑄造廠加工。焊接材料和工藝參數的選用見表4。

表4 焊接材料及工藝參數的選用

4 焊接工藝評定

（1）因深圳大運中心工程大直徑厚壁鍛管目前國內建筑工程中首次采用，為確保焊接質量，獲得適合本工程的各種焊接參數組合，按要求必須進行焊接工藝評定試驗。

（2） 試驗根據所選坡口形式、預熱與后熱溫度及焊接工藝參數，組合后焊件尺寸采用800mm×500mm×200mm，嚴格按焊接工藝要求進行。

（3） 試件經力學性能試驗檢驗，各項性能指標及宏觀金相檢驗均合格，說明所選焊接工藝規范合理，各種組合條件滿足施焊要求。

（4）焊接工藝評定試驗的順利通過，為最終確定鑄鍛件焊接施工工藝方案提供了依據。

5 焊接工藝要求

5.1 對于安裝焊接這一關系到整體安裝質量的特殊工序，在正式施焊前4-8小時提前進行防護。基本要求：上部稍透風、但不滲漏；中部寬松，能抵抗強風的傾覆，不致使大股冷空氣透入；下部承載力足夠3名以上作業人員同時進行相關作業，需穩定、無晃動，不因甲的作業給乙的正在作業造成干擾；可以存放必需的作業器具和預備材料且不給作業造成障礙，無可造成器具材料失控墜落的縫隙，中部及下部防護采用阻燃材料遮蔽。在整個焊接過程中，要有專人跟蹤未來3天的天氣情況，如可能有下雨的天氣應提前做好防雨的措施，保證整個焊縫的焊接能夠連續完成。endprint

5.2 焊前清理。GS20Mn5鋼具有淬硬傾向，因此在焊接前對鋼的熱切割面用角向磨光機進行打磨處理，打磨厚度2 mm，至露出原始金屬光澤。同時對坡口加工造成的鈍邊、凹槽進行打磨處理，要求不留鈍邊和避免坡口面留有加工凹槽。

5.3 坡口形狀控制。要求在加工及安裝過程中嚴格執行深化圖紙要求，坡口角度35°，間隙10mm。焊前進行坡口形狀檢查，項目為錯邊、間隙、焊縫原始寬度三項。

5.4 預熱、層間溫度及后熱溫度控制。GS20Mn5鋼在150 ℃～200 ℃冷裂紋敏感性小。焊接前，用履帶式電加熱器對焊縫處進行預熱，預熱范圍為焊縫兩側各150mm，預熱溫度至160～170℃后， 恒溫1小時，層間溫度不低于預熱溫度，不高于200℃。焊接完畢后，立即進行后熱處理，后熱溫度250 ℃～300 ℃，后熱時間3-4h后熱完成，用巖棉包裹保溫緩冷至環境溫度。

5.5 測溫方法。測溫采用紅外測溫儀，測溫點設置在焊縫原始邊緣兩側各100 -150 mm處。使用紅外測溫儀時，需注意測溫儀需垂直于測溫表面，距離應不大于200mm。層間溫度測溫點應在焊道起點，距離焊道熄弧端300 mm以上。后熱溫度測溫點應在焊道表面。當焊縫焊接溫度低于要求時，立即加熱到規定要求之后在進行焊接。當焊縫焊接溫度高于要求時，緩冷到規定要求之后進行焊接。

5.6 使用高純度的二氧化碳氣體，其純度應保證：CO2含量≥99.9%，水蒸氣與乙醇總含量（V/V）不得高于0.005%，并不得檢出液態水。實芯焊絲開盤后應連續用完避免受潮。

5.7 焊接順序。把圓周分成三等份（如圖3），預熱溫度達到后，由三名有兩個以上工程厚板焊接經驗的焊工保持同時、同速、對稱施焊，并選擇相同的焊接電流參數及每層的焊接厚度，保證相同的焊接熱輸入，使收縮趨于同步。

6 結束語

因準備充分，焊接過程控制嚴格，焊縫外觀質量良好。焊接緩冷至環境溫度24h后，經100%超聲波檢測和100%磁粉探傷，焊縫的內部質量均一次性達到一級焊縫標準，獲得了十分理想的結果。通過對深圳大運中心主體育場大直徑鑄管鍛管的焊接實踐，豐富了現場異種鋼材厚板焊接技術。

參考文獻

[1]李久林，高樹棟，邱德隆.厚鋼板熱加工及焊接方法[Z].中國：100493825C，2009.

[2]張漢謙.鋼熔焊接頭金屬學[M].北京：機械工業出版社，2000.endprint