珠海歌劇院工程焊接工藝及技術

闕子雄 杜冰冰 王濤

珠海歌劇院工程焊接工藝及技術

闕子雄 杜冰冰 王濤

1. 工程概況及焊接特點

(1)工程概況 珠海歌劇院工程主要由大劇場、小劇場以及中部大天窗三部分組成。大、小劇場主體結構為框架——剪力墻結構，兩組貝殼形體為空間鋼桁架結構。每組貝殼形體由兩片對稱的貝殼狀鋼架通過中部聯系桁架連為一體。

以大劇場為例，單片貝殼狀鋼架高度為60m，寬約80m，由徑向桁架、環向系桿組成，鋼架外表面呈平滑曲面。其中徑向桁架為平面弧形桁架，由箱形構件構成，高6～8m，材質為Q345B（板厚≤35mm）和Q390GJC（板厚＞35mm）；環向系桿為箱型彎扭構件，材質為Q345B。小劇場鋼結構特征則基本類似（見圖1）。

圖1 大劇場局部示意

（2）焊接特點 本工程彎弧、彎扭類構件占比達80%，構件造型復雜，結構受力特殊，貝殼狀鋼架為全焊接結構，因此焊接量大，焊接要求高。

焊接難點一：箱形構件的縱向和橫向焊縫均采用全熔透焊縫，焊縫質量為一級，支座和節點處的所有連接焊縫為一級焊縫，焊縫質量整體要求高。

焊接難點二：實際生產中，存在節點部位加勁肋數量多、徑向桁架弦桿彎弧構件與牛腿側壁間夾角較小、空間全位置施焊等情況，如何控制焊接變形及焊后降低焊接殘余應力等是焊接工藝的難點。

2. 焊接設備及焊接材料的選擇及應用情況

選用擺動式氣體保護焊自動焊接小車設備，型號為HK—8SS—W（見圖2），此設備經過改進可以沿著曲面行走，主要用于彎扭箱型構件平焊位置的打底焊接和填充焊接。

選用半自動氣體保護焊設備，此種設備具備輕便靈活的特點，主要用于小夾角位置、立焊和仰焊等。

選用弧形小車埋弧焊設備（見圖3），此種設備經過改進后可以沿曲面行走，具備埋弧焊高速焊接成形美觀的特點，主要用于彎扭箱體構件的蓋面焊接。

焊接材料的選擇如表1所示。

3. 彎扭構件關鍵焊接工藝及焊接技術

（1）坡口加工 彎扭板件的

坡口在無模成形前先采用機械加工的方式加工（見圖4），坡口角度以30°為最佳，過大的坡口會增加熔敷金屬，造成焊接變形過大。異型板件采取火焰切割坡口，坡口面應去除淬硬層，避免焊接接頭晶粒粗大和脆硬現象。

圖2 擺動式氣體保護焊自動焊接小車

圖3 弧形小車埋弧焊

圖4 機械加工坡口

（2）焊前準備和焊接環境焊接前應清理焊接區域內的水分、油污及氧化皮等影響焊接質量的物質，并打磨露出良好金屬光澤（見圖5）。

圖5 坡口打磨

天氣氣溫≤-10℃時必須停工或搭制保溫房，一般作業氣溫應≥0℃。氣體保護焊作業時風速若≥2m/s，必須搭制防風棚才能進行施焊。

（3）預熱、層間溫度及焊后處理 預熱方式采用火焰及電加熱器兩種方式，最低預熱要求應符合表2要求。

表1

表2

層間溫度控制在最低預熱溫度與250℃之間。預熱焊接部位焊后應立即采用保溫棉覆蓋使焊道緩冷。

（4）焊接參數的選擇 選用原則：采用小的熱輸入焊接，如表3所示。

表3

（5）焊接工藝操作要點 在焊道中引熄弧時，引熄弧位置應錯開25mm以上。引弧應采用回焊手法，熄弧應填滿弧坑。焊接時應采用多層多道焊接，嚴禁寬幅擺動焊接（擺幅寬度限制為20mm）。蓋面焊接時應充分填滿弧坑、焊道（包括引、熄弧板部位）。GMAW焊接中電弧終止處的焊坑，在重新起弧前清除焊渣等，并確認焊縫無焊接缺陷。進行多層焊接時，須清除前一道焊縫的焊渣以及焊道內的飛濺、雜物后才能實施下道焊接。可用錘擊的方式減小焊接應力，但打底焊縫及蓋面焊縫不可采用錘擊。直線焊接時應注意保持焊接速度均勻，避免焊縫凹凸不平。定位點焊：焊縫長度為40～60mm，間距為300～500mm，焊腳尺寸為4～6mm。

4. 焊接變形的控制

彎扭構件主要以中薄板箱形為主，構件外形屬細長桿類，箱體焊接的主要變形有撓曲（正彎）、側彎、角變形及扭曲變形

等，必須在組裝、焊接時加以控制。根據工廠對以往工程的制作經驗，對于此類結構的變形，主要通過以下的方法進行控制。

（1）焊接方法 以擺動式CO2氣體保護焊自動焊接小車設備為主，從而實現自動化焊接，最大程度上保障焊接質量。施焊時采用短路過渡技術，控制焊接變形。

（2）焊接順序 彎扭構件主體焊縫焊接順序為：從中間向兩邊，采取分段退焊法施焊。彎扭構件主要以中薄板箱形為主，外形屬細長桿件，頭三道主體焊縫必須在胎架上有剛性固定的情況下焊接（橫焊位置焊接見圖6），施焊時由兩名焊工同時在兩側對稱進行。然后可以將構件翻轉到水平位置采用自動焊接小車進行填充和蓋面，焊接完畢后必須回胎檢測矯正。

圖6 主體焊縫焊接

牛腿與彎扭本體施焊順序為：先對稱施焊牛腿腹板與彎扭本體腹板焊縫，再對稱施焊牛腿翼板與本體翼板對接焊縫（見圖7）。

圖7 牛腿焊接

節點處隔板與翼腹板焊縫施焊順序為：先對稱施焊隔板與腹板焊縫，再施焊隔板與上翼板焊縫，最后施焊隔板與下翼板焊縫。

（3）合理的組焊順序 采取“化整為零，集零為整”的分部裝配法進行裝配、焊接。如彎扭構件分解為彎扭本體和牛腿分別裝配、焊接成形，矯正合格后，再進行總裝、焊接（見圖8、圖9）。通過此種方法，可以把焊接應力分散到各部件中，焊接應力大為降低，將焊接變形的不利影響控制到最小。

圖8 牛腿單獨組焊

圖9 牛腿與主體整體組裝

（4）剛性支撐 箱體內部設置隔板以及角部定位器（見圖10），外部設置馬板、弓形夾緊器等（見圖11），除了保證裝配精度，還可起到剛性支撐作用，控制焊接變形。

圖10 隔板以及角部定位器

圖11 弓形夾緊器

5. 焊縫質量檢測

焊縫外觀檢測：焊縫需保持均勻，不得有裂紋、未熔合、夾渣、咬邊和氣孔等缺陷。外觀質量檢查標準應符合GB50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》。

超聲波無損檢測：全熔透一級焊縫按焊縫條數及長度進行100%UT檢測，內部缺陷評定等級不低于《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級》（GB11345—1989）標準規定的BⅡ級。

6. 結語

彎扭構件的制作精度是珠海歌劇院工程施工的關鍵，焊接工藝和焊接變形的有效控制又是保證彎扭構件制作精度的關鍵。珠海歌劇院構件的成功制作和安裝是鋼結構制作智慧和經驗的結晶，也是全國優秀焊接工程的又一經典力作。

20151219

闕子雄等，浙江精工鋼構集團有限公司。