河南建設大廈厚鋼板現場焊接技術

楊帆

【摘要】本文通過工程應用實例，分析了目前國內較少采用的高層建筑用鋼（GJC）厚鋼板現場焊接的特點，介紹了現場厚板單邊坡口全熔透焊縫焊接的難點、典型焊接工藝及質量保證措施。

【關鍵詞】高建鋼 厚板焊接 變形控制 質量保證措施

應用綜述

本工程位于河南省鄭州市，總建筑面積119695m2，總建筑高度為91.10m。在頂部4層通過連體將兩棟塔樓連接在一起，形成了對稱雙塔連體建筑造型。1～21層形成兩個單獨的塔樓，塔樓采用了鋼筋混凝土框架-核心筒結構，其中十六層以上部分框架采用型鋼混凝土結構，塔樓連體部分采用鋼結構，重約1440噸。

本工程主要采用Q345B、Q345C、Q345GJ等高強度鋼材，其中40㎜以上鋼板使用約976.5噸，約占使用鋼結構總量的39.5%。鋼板最厚達60㎜，是我司加工鋼結構的最大厚度，在我省亦罕見。

1. 厚板現場焊接特點分析

由于受現場垂直運輸設備的起重能力以及運輸條件的限制，建設大廈工程的大量鋼結構構件，如重型鋼柱、超長鋼梁、兩塔樓間連廊桁架等都需要分段分節后以散件的形式運到現場，然后在現場對這些構件進行組裝，在分段對接的位置就產生了大量的厚板需要現場焊接。相對于工廠焊接，厚板現場焊接具有以下特點：

（1）現場焊接的作業環境相對較差。由于現場焊接屬于室外作業，而且一般工程施工的時間跨度較大，建設大廈工程現場焊接作業就經歷夏季了和冬季的轉換，施工過程中遇到了大風、暴雨和霧霾等不利氣象條件的影響。

（2）現場焊接位置受到周邊環境的限制，焊接難度較大。因為構件一旦安裝就位，焊接位置就不能改變，而且不能像在工廠焊接時，可以利用桁車及焊接作業平臺對構件進行翻轉及換位。

（3）現場厚板焊接填充量較大。如一條500mm長的焊縫，板厚60mm，采用二氧化碳氣體保護焊，需要連續焊接近3h。

近年來，現場厚板焊接普遍采用藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊。藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊兼有氣保焊和手工焊兩方面的優點，工藝性能好、易操作、施工效率高，是焊條電弧焊的3～4倍，冶金反應完善、工藝性能好、低溫沖擊性能均較理想；特別是弧穩，飛濺少，焊縫成形光滑美觀，熔敷效率高，一般可達75%～85%，而且適用于全部位焊。本工程采用的焊絲即為ER50-6藥芯焊絲，規格為φ1.2mm。

厚板現場焊接最為常見的焊接缺陷是層狀撕裂和焊接裂紋，最常見的施工質量問題是焊接變形過大。

2. 現場厚板焊接典型工藝流程及焊接工藝

本工程采用經河南二建集團匯豐鋼構分公司焊接工藝評定合格的焊接工藝進行焊接。

3.1現場厚板焊接工藝流程

本工程現場焊接主要有鋼骨柱型鋼翼板腹板對接二保焊橫焊，連體桁架部分型鋼二保焊平焊、橫焊、立焊。桁架提升后與鋼骨柱牛腿對接焊分層施工從上到下進行。

3.2鋼梁厚板現場焊接工藝

本工程的鋼梁采用H形截面在跨度大、受力大的部位，鋼梁的上下翼緣板較厚，超過運輸長度限制的鋼梁需要在現場對接。鋼梁厚板焊接時翼緣的焊接位置為水平位置，腹板的焊接位置為立焊。考慮到仰焊作業難度較大，而且厚板焊接的焊縫填充大，上、下翼緣均采用平焊。

3.3鋼柱厚板現場焊接工藝

本工程鋼柱對接位置采用單邊V形坡口，由于鋼柱有安裝垂直度的要求，所以在焊接過程中要采取對稱焊接的方式施工。對于腹板、翼緣均較厚的H形鋼柱，焊接時先焊接腹板，再焊接翼緣。

3.3.1H型鋼柱子對接采用單邊v形坡口，5mm間隙加襯墊板全熔透焊，腹板留過焊孔，焊接順序采用兩個人先焊接翼板，然后1人完成腹板板對接焊接。見圖3.3-1：

圖3.3-1 H型鋼焊接順序示意圖

3.3.2十字對接焊接坡口形式相同，焊接順序為先焊接腹板，然后兩人完成翼緣板對稱焊接，見圖3.3-2：

圖3.3-2 十字柱焊接順序

3.3.3焊接過程中注意積累焊縫的收縮量值和變化規律。為桁架拼裝焊縫間隙的預留調整提供參考，要求大節點焊接連續性一次完成，隨時進行過程觀測，一旦出現異常情況及時調整焊接順序或做出特殊處理，杜絕焊后大節點鋼柱（桁架）超偏現象。

3.3.4本工程40mm后以上板焊接均采用火焰預熱，預熱溫度按工藝評定指導書要求。母材的最小預熱溫度和層間溫度應按下表要求執行，見表3.3.4。

（1）接頭的預熱溫度應不小于上表規定的溫度，層間溫度不得大于230℃。

（2）接頭預熱溫度的選擇以較厚板為基準，應注意保證厚板側的預熱溫度，嚴格控制薄板側的層間溫度。

（3）預熱時，焊接部位采用烤槍對焊道兩側均勻逐步預熱，加熱區域為被焊接頭中較厚板的兩倍板厚范圍，但不得小于100mm區域。加熱時應盡可能在施焊部位的背面。

（4）預熱和層間溫度的測量應采用紅外線測溫筆進行測量。測量時應距焊縫兩側各75mm。

3. 現場焊接質量保證措施

4.1.焊工培訓

厚板現場焊接的質量與操作者的水平和執行焊接工藝的能力有直接關系。由于每個工程的原材料和結構特點均不相同，在開工之前，即使是持有有效焊工證的焊工也必須進行針對性的焊接培訓，以熟悉現場作業環境及母材的特性。

4.2原材料質量

鋼結構構件的原材料和焊接材料的質量是保證現場焊接質量的基礎。由于厚板現場焊接接頭普遍存在拘束應力大的特點，尤其是在T形、角接連接形式下（厚板H形鋼柱、梁）層狀撕裂現象尤為突出。采購的原材料要求為大廠產品，所有采購的材料必須隨車附有材料質保書、產品合格證等質量證明文件。

材料進場卸貨前必須經過質量管理部外觀、及實測允許偏差檢查合格，40mm厚度以上的板逐張金詳超聲波探傷。提前約請監理方見證取樣，送雙方認可的實驗室復檢合格后方可進行下料施工。

4.3提供較為良好的作業環境

現場厚板焊接因填充量大，一般情況下應確保一條焊縫可以一次焊接完成，避免中途停頓，所以現場焊接操作平臺及防護棚的搭發要求較高。要求在現場焊接部位采用特制型鋼架或腳手架鋼管進行搭設，平臺底部滿鋪跳板，跳板上面覆蓋防火石棉網，焊接操作平臺周邊設踢腳板，防止小件物體墜落。在焊接平臺周邊及頂部，用防火材料搭設防護棚，要求防護棚頂部不透風、周邊不漏水，還能承受一定的外部荷載。

4.4嚴格執行焊前、焊后熱處理工藝

4.4.1本工程40mm后以上板焊接均采用火焰預熱，預熱溫度按工藝評定指導書要求。母材的最小預熱溫度和層間溫度應按下表要求執行，見表4.4.1。

（1）接頭的預熱溫度應不小于上表規定的溫度，層間溫度不得大于230℃。

（2）接頭預熱溫度的選擇以較厚板為基準，應注意保證厚板側的預熱溫度，嚴格控制薄板側的層間溫度。

（3）預熱時，焊接部位采用烤槍對焊道兩側均勻逐步預熱，加熱區域為被焊接頭中較厚板的兩倍板厚范圍，但不得小于100mm區域。加熱時應盡可能在施焊部位的背面。

（4）預熱和層間溫度的測量應采用紅外線測溫筆進行測量。測量時應距焊縫兩側各75mm。

4.4.2焊后處理

本工程焊接后采用保溫棉覆蓋緩冷，時間不少于兩小時。覆蓋去除后，清理焊縫表面的熔碴和金屬飛濺物，焊工自行檢查焊縫的外觀質量；如不符合要求，應焊補或打磨，修補后的焊縫應光滑圓順，不影響原焊縫的外觀質量要求。

4.5采用合適的焊接順序

由于厚板焊接熱輸入量大，焊接收縮量也較大。對于獨立的構件如單獨的鋼柱，宜區采用雙人對稱焊接的方式進行，防止鋼柱焊后垂直度超出規范要求。對于復雜的桁架現場焊接，要求在桁架整體拼裝完成后開始焊接，總體的焊接順序宜從中間向四周展開，盡量避免在周邊形成約束的情況下進行焊接。

4.6加強焊接過程中的變形控制

4.6.1安裝過程中努力控制焊接接頭，將焊接接頭控制在最佳效果，如果出現焊接接頭超標必須進行修整后焊接。當焊接接頭焊道大于圖紙規定尺寸時，應采取單側逐步填充焊道過程將焊道修整至圖紙規定尺寸后焊接，將焊接收縮變形降低到最小，當焊接接頭焊道小于圖紙規定尺寸時，應將坡口尺寸進行修整，達到規定尺寸后進行焊接，確保焊縫有足夠的熔透深度；

4.6.2在同一構件上焊接時，不宜兩端同時焊接，考慮焊接收縮影響應采取一端接頭焊接，當一端接頭焊接完成冷卻至室溫后焊接另一端接頭。

4. 結語

建筑鋼結構厚板現場焊接質量對建筑結構的安全至關重要，在施工過程中容易出現質量問題。施工單位在焊接作業前首先應確保原材料的合格，做好焊接工藝評定試驗，并針對現場的作業環境進行焊工培訓，加強焊接操作過程的管理。在原材料合格的前提下，由合格的焊工按照經過評定合格的焊接工藝施工，厚板現場焊接的質量一定是可以得到保證的。