箱形鋼梁焊接施工工藝在北京城市副中心行政辦公區(qū)地塊建筑中的應(yīng)用

白澤飛

一、工程概況

北京城市副中心行政辦公區(qū)二期啟動(dòng)區(qū)FZX-0901-0160地塊項(xiàng)目總建筑面積175693.91m2，占地面積38362.566m2，地上采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，地下為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上鋼柱截面均為箱型，樓梯柱為H型，地下的勁性柱為十字型截面。

二、箱形鋼梁焊接方案

焊接方法多樣，包含單面或雙面坡口、反面清根等，此類方法取得的焊接質(zhì)量較好，但需要采取清根措施，而箱梁可能會(huì)在清根過程中出現(xiàn)明顯的變形。此外，箱梁主焊縫的變形屬于結(jié)構(gòu)焊縫，有一定程度的扭曲，而此類扭曲的出現(xiàn)具有一定程度的不可修復(fù)性，因此需要選擇無需清根的焊接工藝。對此，根據(jù)焊接質(zhì)量要求以及類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出“單面坡口、反面免清根”的方案，具體作業(yè)要點(diǎn)有：

1.CO2氣體保護(hù)焊，從箱內(nèi)焊四條角焊縫，代替焊條，在此方式下，一方面可避免焊接時(shí)燒穿的問題，另一方面則有助于保證箱體的剛性。

2.箱外坡口焊接施工采用的是船位埋弧自動(dòng)焊的方法，焊接時(shí)保持較大的熱輸入量以及較慢的焊接速度，在此條件下焊透CO2氣體保護(hù)焊施工后留下的未熔透部分。經(jīng)前述的焊接處理后，無需額外清根。

三、工藝原理

1.箱內(nèi)先采用CO2氣體保護(hù)焊的方法予以焊接，提高箱梁的剛性，以免在后續(xù)出現(xiàn)不同程度的變形。同時(shí)，CO2氣體保護(hù)焊的線能輸入量較小，若操作得當(dāng)，通常不會(huì)出現(xiàn)冷裂紋和氫氣孔，焊接質(zhì)量較好。

2.箱外船位埋弧自動(dòng)焊，此部分施工采取的是單坡口、不清根的方法，精細(xì)化調(diào)整焊接工藝參數(shù)，規(guī)范作業(yè)，做到熔透，保證焊接質(zhì)量。待主梁焊接后，箱梁的剛性進(jìn)一步提升，而后再繼續(xù)采用CO2氣體保護(hù)焊的方法，完成箱內(nèi)隔板、加強(qiáng)板等焊縫的焊接作業(yè)。

3.對于鉚工工藝的選取，以有效控制構(gòu)件外形尺寸為基本前提，挑選適宜的工藝。例如，對隔板和腹板做刨邊處理；腹板與翼板組對時(shí)頂緊，在該組合關(guān)系下采取無間歇焊接的方法；焊接前，先將箱內(nèi)的隔板以及加強(qiáng)板組裝成型，由此來提升箱梁的整體剛性。

四、埋弧自動(dòng)焊工藝參數(shù)的設(shè)定

焊接工藝參數(shù)的合理與否將直接影響焊接效果，在焊接工藝參數(shù)具有可行性時(shí)，可有效保證熔深，并達(dá)到焊透的效果。對于埋弧自動(dòng)焊，其關(guān)鍵的焊接工藝參數(shù)，如下：

1.焊接電流

熔深為3～4mm，根據(jù)焊接電流與熔深的關(guān)系（如圖1所示），選擇合適的焊接電流，即550～650A。

圖1 焊接電流與熔深的關(guān)系示意圖（1為Y形坡口；2為I形坡口）

2.電弧電壓

在熔深為3～4mm時(shí)，確定第一遍的電弧電壓，即28～32V。

3.焊接速度

盡可能做到勻速焊接，全程穩(wěn)定在25～26m/h時(shí)較為合適。

4.埋弧自動(dòng)焊接工

根據(jù)前述分析，確定埋弧自動(dòng)焊接工藝的關(guān)鍵參數(shù)，將數(shù)據(jù)代入式（1），經(jīng)過計(jì)算后判斷是否可以熔透：

式（1）中：h為熔透深，mm；K為焊透工藝常數(shù)，取0.0012；V為焊接速度，mm/min；U為電弧電壓，V；I為為電流，A。

經(jīng)計(jì)算，確定熔深的上、下限值分別為4.6mm、4.7mm。從實(shí)際焊接作業(yè)情況來看，焊接的熱損失量理論上高于實(shí)際值（僅存在小幅度的偏高現(xiàn)象），可滿足焊透的要求。前述提及的內(nèi)容屬于第一遍的焊接工藝設(shè)計(jì)思路，而對于后續(xù)的第二、三遍，則按照常規(guī)焊接方法執(zhí)行即可。

5.加大熔深

為加大熔深，需要選擇合適的焊絲，通常以直徑為3.2mm的焊絲為宜，焊絲至根部的距離為3mm，根據(jù)此數(shù)據(jù)展開計(jì)算，確定坡口角度，即55°，對應(yīng)鈍邊控制在1～1.5mm。

基于前述提及的數(shù)據(jù)展開模擬試驗(yàn)，焊接完成后，安排超聲波探傷檢測。在焊接的18節(jié)箱梁中，僅有極少部分存在少量的氣孔、夾渣問題，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，合格率達(dá)到98%以上；針對存在氣孔、夾渣問題的部分安排返修，進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，實(shí)測結(jié)果均滿足要求。總體來看，箱梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量良好，無變形、剛性異常下降等問題，且焊接全程無需矯正。

五、焊接工藝的具體應(yīng)用

1.在找平的平臺(tái)上放置箱梁，安排4名員工，從中間開始逐步向兩端施焊。在應(yīng)用CO2氣體保護(hù)焊的方法后，完成4條主焊縫的焊接作業(yè)，焊縫高度5～6mm。

2.在CO2氣體保護(hù)焊的基礎(chǔ)上，用船位埋弧自動(dòng)焊的方法焊接箱梁外側(cè)四條角焊縫，此階段的焊接順序如圖2所示。為順利完成焊接作業(yè)，需在焊縫兩端設(shè)引弧板；隨著焊接施工進(jìn)程的推進(jìn)，在焊接二、三道焊縫時(shí)，需要檢查前一層，識(shí)別該部分的缺陷，予以有效的清理。

圖2 箱梁焊接順序

3.在箱梁內(nèi)隔板和加強(qiáng)板的焊接施工中，采用CO2氣體保護(hù)焊的方法，參與焊接的焊工對稱站位，不可集中在某一處。嚴(yán)格控制坡口的尺寸，用刨邊機(jī)做刨邊處理，當(dāng)板的厚度在16mm以內(nèi)時(shí)，其剛度相對有限，為避免板材變形，刨后鈍邊應(yīng)做到均勻一致，適度修磨超差處；此外，要求腹板與翼板組對并頂緊。

4.焊接前做好準(zhǔn)備工作，即全面清理焊縫及周邊的油污等各類雜物，以免影響焊接質(zhì)量。正式焊接時(shí)，協(xié)調(diào)“刨邊、組對、焊接”三道工序，縮短相鄰兩道工序的中途間隔時(shí)間。

5.焊材的質(zhì)量會(huì)直接影響焊接施工效果，因此需要合理選擇焊材。其中，焊接母材以16Mn鋼為宜，焊絲主要為H08MnA，焊劑為H431，定位焊條選用T507。盡可能選擇新焊劑，原因在于老舊的焊劑可能存在顆粒分布不均的情況，或是焊劑內(nèi)夾雜部分泥土，此類存在缺陷的焊劑被投入使用后，成型的焊縫極有可能出現(xiàn)氣孔、夾渣等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響焊接效果。除此之外，需按照要求對焊劑做適度的烘烤處理，此舉目的在于驅(qū)趕潮氣，以免焊劑產(chǎn)生氣孔。

六、冬期低溫條件下的焊接作業(yè)要點(diǎn)

焊接易受到現(xiàn)場溫度的影響，因此施焊前需要獲取天氣預(yù)報(bào)信息，對焊接工期內(nèi)的天氣情況做初步的了解，在惡劣天氣來臨前，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃，暫時(shí)停止焊接作業(yè)。若焊縫已開焊，此時(shí)需在不影響焊接質(zhì)量的前提下趕工期，焊完板厚的1/3時(shí)方可停焊，并在暫停作業(yè)后采取熱處理措施，后續(xù)恢復(fù)焊接時(shí)，以預(yù)熱的方式提高溫度。

1.焊接預(yù)熱

焊接預(yù)熱選擇火焰加熱法，首先在焊縫管坡口兩側(cè)焊接，該部分焊縫的寬度達(dá)到板厚的1.5倍且至少為150mm，加熱溫度超36℃，達(dá)到該溫度條件后方可施焊。

2.焊接層溫的控制

加熱選擇的是氧氣和乙炔氣體中性焰加熱的方法，焊接時(shí)層間溫度控制在80℃～200℃，用測溫儀監(jiān)測焊接時(shí)的溫度，對比分析焊縫溫度與設(shè)計(jì)值的關(guān)系，若低于設(shè)計(jì)值，則隨即加熱至合理的溫度區(qū)間，而后再恢復(fù)焊接。

七、結(jié)語

綜上所述，在箱形鋼梁焊接施工中，需要合理選擇CO2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊等可行的方法，加強(qiáng)對焊接溫度、焊接速度等關(guān)鍵參數(shù)的檢測與控制，注重對處細(xì)節(jié)的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并妥善處理，最終全面保證箱形鋼梁的焊接效果。