低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工技術(shù)應(yīng)用分析

楊秉睿

（甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)工程中構(gòu)件在低溫下的加工與焊接（即在冬季施工）一直是工程界長(zhǎng)期關(guān)注的課題。尤其是地處北方的各類廠房、住宅等建筑工程，都可能存在一段很長(zhǎng)時(shí)間的冬季施工期。隨著冬季氣溫的逐漸降低，以及晝夜溫差大的特點(diǎn)，給鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工在進(jìn)度、質(zhì)量等方面帶來諸多不利因素，甚至出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)生脆斷等嚴(yán)重質(zhì)量問題[1-2]。因此，合理的加工工藝和控制過程是低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工的關(guān)鍵。本文以新疆寶能城二期鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，分析低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工技術(shù)的應(yīng)用。

1 低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工的難點(diǎn)分析

新疆寶能城二期鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，其箱體板厚、尺寸大、截面存在變化，冬季施工，困難重重。

1.1 鋼板厚度大

以地下一節(jié)柱為例，全樓共計(jì)42支箱型鋼柱（見圖1所示），箱體翼腹板最厚可達(dá)到100mm，而常規(guī)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度在30～50mm。原材取樣、氣割下料、腹板坡口角度及焊接預(yù)熱、緩冷溫度控制都與常規(guī)建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工有著很大區(qū)別，尤其是厚鋼板在加工過程中存在非常大的約束應(yīng)力，同時(shí)，焊接過程中，焊縫冷卻速度極快，焊縫一次結(jié)晶區(qū)域偏析的概率大大增加,若同時(shí)施加一定作用的拉應(yīng)力，則在焊縫中心極易發(fā)生結(jié)晶裂紋，即產(chǎn)生熱裂紋。

圖1 鋼柱結(jié)構(gòu)圖

1.2 構(gòu)件截面大，重量大，截面存在變化

該項(xiàng)目箱體均分為上中下三節(jié)，截面大，且存在變化，截面尺寸從?500×1000至?1400×1700不等（見圖1所示），而超過1200mm截面箱體無法進(jìn)入常規(guī)門式箱型埋弧自動(dòng)焊機(jī)機(jī)架內(nèi)，需使用更為靈活的自動(dòng)焊焊接設(shè)備。同時(shí)，構(gòu)件重量大，最大單件起吊重量可達(dá)6.9t，整只構(gòu)件對(duì)接后重量可達(dá)15t，構(gòu)件翻身危險(xiǎn)性更大。

1.3 低溫環(huán)境的影響

該項(xiàng)目構(gòu)件加工周期1個(gè)月，加工量約4000t，工期非常緊張。此加工工期正好處于冬季，溫度特點(diǎn)為晝夜溫差大，白天最高溫度可達(dá)到10℃，夜間溫度最低下探至-15℃。由于該項(xiàng)目工期緊張，生產(chǎn)用工采用兩班倒的形式，因此，較大的晝夜溫差以及環(huán)境溫度的驟變成為厚板箱體加工的關(guān)鍵影響因素。特別是低溫焊接對(duì)焊縫金屬危害的直接表征就是焊縫金屬表面裂紋和延遲裂紋[3]。

2 低溫下加工工藝及過程控制

2.1 氣割下料

下料前：注意提前根據(jù)板厚選擇匹配型號(hào)的割嘴；加工大料前，要求使用槍嘴火焰（注意不要打開切割氧）。為防止鋼板淬硬，產(chǎn)生表面冷裂紋，通過在鋼板上來回行走的方式（以來回2趟為宜），對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)行切割下料。

下料過程：對(duì)于40mm厚度以上的鋼板，為防止鋼板邊緣化學(xué)成分偏析引起層狀撕裂，通常要求下料時(shí)對(duì)鋼板兩側(cè)邊緣（沿鋼板軋制方向）進(jìn)行修割，修割寬度要求≥50mm。

實(shí)驗(yàn)板取樣：需按排版圖所排方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)板取樣，嚴(yán)禁在鋼板邊緣處下料取樣。取好的樣品在表面用記號(hào)筆標(biāo)注樣品材質(zhì)、規(guī)格及軋制方向，并統(tǒng)一堆放。

2.2 坡口加工工藝及質(zhì)量要求

開坡口前，根據(jù)下料工藝單先復(fù)核主板零件外形尺寸；尺寸復(fù)核無誤后，根據(jù)坡口加工圖進(jìn)行劃線；經(jīng)檢查核對(duì)劃線尺寸后，對(duì)坡口邊進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到規(guī)定要求后，采用火焰半自動(dòng)切割機(jī)進(jìn)行坡口作業(yè)[4]。

作業(yè)過程中，要求同一主板上的2條坡口加工方向一致；過程中及時(shí)復(fù)測(cè)主板尺寸及坡口尺寸。

坡口完成后，首先檢查坡口表面是否平滑，并將鋸齒狀割紋及豁口打磨至平滑過渡，嚴(yán)禁使用二保焊將割紋豁口補(bǔ)焊填平。

打磨合格后，由專職質(zhì)檢員對(duì)坡口進(jìn)行滲透探傷（PT），檢驗(yàn)坡口表面及近表面是否有缺陷。

2.3 變截面箱體拼裝工藝及控制

（1）低溫下的厚板使用半自動(dòng)切割機(jī)開坡口會(huì)因加熱產(chǎn)生拱彎等更大的熱變形，為抵消這種變形，對(duì)已開好坡口的主板進(jìn)行尺寸、外觀復(fù)核；對(duì)有旁彎、拱彎的板先進(jìn)行火焰矯正，如圖2所示。

圖2 主板火焰矯正

（2）對(duì)于變截面箱體拼裝，關(guān)鍵在于異形尺寸及角度控制要準(zhǔn)確。因此，拼裝時(shí)要利用縱向隔板形狀與箱體外形角度尺寸一致的特點(diǎn)對(duì)其放樣，先將箱型翼緣板放置到位，同時(shí)使用厚板邊條料作為縱隔板定位支撐料，再將橫隔板定位點(diǎn)焊。

2.4 箱型柱主焊縫焊接工藝及質(zhì)量要求

2.4.1 質(zhì)量要求

為保證主焊縫打底時(shí)不出現(xiàn)夾渣等缺陷，裝配箱型柱前，將扁鐵打磨至金屬光澤后裝兩側(cè)板，并點(diǎn)焊。

2.4.2 焊前預(yù)熱

首先根據(jù)焊縫熱影響區(qū)規(guī)定即板厚的30%范圍，計(jì)算本工程熱影響區(qū)范圍為12～30mm；其次計(jì)算主焊縫受熱寬度為板厚的3倍，即120～300mm不等（該項(xiàng)目箱體厚度為40～100mm）。采用熱傳導(dǎo)加熱方式使用氧氣-天然氣對(duì)主焊縫位置進(jìn)行烘烤預(yù)熱。整體對(duì)鋼柱翼腹板坡口處、熱影響區(qū)及主焊縫兩側(cè)進(jìn)行加熱，預(yù)熱范圍為鋼板厚度的3倍，預(yù)熱溫度在100～120℃之間。

2.4.3 層溫控制及打底焊過程控制

當(dāng)焊縫溫度達(dá)到相應(yīng)預(yù)熱溫度后，開始施焊。值得注意的是，預(yù)熱后鋼板熱量的散失主要發(fā)生在第一層焊道敷蓋前，因此，為了保證焊縫的層間溫度不低于預(yù)熱溫度（100～120℃）且不高于250℃，采用數(shù)顯測(cè)溫儀對(duì)焊縫側(cè)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。測(cè)溫時(shí)，要求一道焊縫間隔600mm記一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且通條焊縫不少于4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。焊道預(yù)熱溫度在每一段焊道即將引弧施焊前加以核對(duì)，若溫度不達(dá)標(biāo)，要先加熱至100℃后才能繼續(xù)施焊。當(dāng)完成第一層焊道敷蓋后，層間溫度已滿足要求且此時(shí)熱量散失緩慢，后續(xù)施焊過程則無需對(duì)焊縫再進(jìn)行加熱。

打底焊：為防止焊接變形，采用線能量輸出更小的CO2氣體保護(hù)焊設(shè)備進(jìn)行主焊縫打底。為保證焊縫熱輸入均勻，要求數(shù)個(gè)焊工對(duì)一個(gè)面上的兩道焊縫同時(shí)對(duì)稱施焊，直至焊縫高度填充至10mm左右，進(jìn)行構(gòu)件翻身，按此方法繼續(xù)焊接其余兩條焊縫，直至焊縫高度填充至30mm左右。焊接完畢，應(yīng)由數(shù)對(duì)焊工在焊縫溫度冷卻前及時(shí)清理表面熔渣及飛濺，同時(shí)檢查外觀質(zhì)量。檢查焊道的平面度，并及時(shí)對(duì)低處進(jìn)行填充。多道焊時(shí)每一道焊縫接頭應(yīng)錯(cuò)開，且每道接頭應(yīng)由下至上呈階梯狀，起始焊接應(yīng)從坡口側(cè)開始施焊。每一道焊縫焊接完成后，需及時(shí)記錄施焊位置、焊接電流、焊接電壓、焊接前后焊縫溫度及構(gòu)件幾何尺寸，同時(shí)，及時(shí)觀察構(gòu)件變形情況，見如圖3所示。

圖3 焊接過程檢測(cè)

焊縫填充：由于超過1200mm截面箱體無法進(jìn)入常規(guī)門式箱型埋弧自動(dòng)焊機(jī)機(jī)架內(nèi)（門式焊機(jī)僅能容納1000mm以內(nèi)截面箱體），同時(shí)考慮到厚板焊接需使用小的線能量多層多道焊接，因此選擇單絲小車埋弧焊進(jìn)行焊縫填充及蓋面。焊接前應(yīng)先檢查構(gòu)件幾何尺寸并對(duì)箱體內(nèi)支撐進(jìn)行加固。為保證焊縫熱輸入均勻，要求焊工對(duì)一個(gè)面上的兩道焊縫同時(shí)進(jìn)行一層焊縫（需焊接2～3道）作業(yè)，直至焊縫高度填充至20mm左右。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行翻身，先將焊縫預(yù)熱至相應(yīng)溫度，并按此方法繼續(xù)交替循環(huán)焊接其余兩條焊縫，直至焊縫高度填充直35mm左右。對(duì)構(gòu)件再次進(jìn)行翻身，按上述方式焊接填充及蓋面。之后再次對(duì)構(gòu)件翻身完成其余兩條焊縫的填充蓋面。

2.4.4 焊后保溫及焊縫檢測(cè)

主焊縫完成蓋面后，對(duì)箱體4道主焊縫兩側(cè)整體進(jìn)行火焰加熱，直至焊縫溫度達(dá)到350℃。達(dá)到加熱溫度后，立即用硅酸鋁材質(zhì)保溫材料采用包裹的方式進(jìn)行保溫，并定時(shí)對(duì)焊縫溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔為0.5h，若時(shí)間間隔內(nèi)溫度降≥100℃，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)熱，務(wù)必保證焊縫熱損耗＜100℃/0.5h，同時(shí)做好保溫處理［6］。以本工程加工構(gòu)件最厚鋼板（100mm厚）為例，焊后保溫時(shí)間應(yīng)≥2h，若在2h內(nèi)焊縫熱損耗超過規(guī)定范圍，則說明后熱不成功，需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)熱工作。保溫時(shí)間持續(xù)2h。之后，取下保溫棉，對(duì)箱體自然降溫至室溫，48h后采用超聲波進(jìn)行內(nèi)部缺陷探傷。經(jīng)過檢測(cè)后，構(gòu)件合格率達(dá)到100%，滿足要求。

2.5 上下柱對(duì)接工藝及質(zhì)量控制

（1）下柱上表面端銑：上下柱對(duì)接時(shí)，必須保證對(duì)接面水平光滑，因此，將已探傷合格的下柱轉(zhuǎn)運(yùn)至端銑機(jī)處，進(jìn)行端銑。

（2）上下柱對(duì)接工藝：將已端銑完成的上柱與對(duì)應(yīng)下柱進(jìn)行對(duì)接，采用螺栓調(diào)節(jié)方式對(duì)對(duì)接處進(jìn)行微調(diào)，對(duì)接好后用馬板做臨時(shí)固定，加裝柱底板與柱腳加筋板。

（3）對(duì)接環(huán)縫焊接及吊裝：完成上下柱對(duì)接后，為防止柱底板變形，先焊接柱腳加筋板，之后，同時(shí)對(duì)柱底板和對(duì)接環(huán)縫施焊。

對(duì)接后的構(gòu)件重量最大可達(dá)15t，因此，為保證構(gòu)件翻身時(shí)的人身安全，采用平衡梁對(duì)構(gòu)件進(jìn)行起吊。

3 結(jié)束語

本文以新疆寶能城二期鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，分析了大尺寸變截面厚板箱體在冬季加工的難點(diǎn)。該工程的實(shí)踐證明，低溫下大尺寸變截面厚板箱體的加工必須在氣割下料、坡口加工、變截面箱體拼裝、箱型柱主焊縫焊接、上下柱對(duì)接等方面加強(qiáng)質(zhì)量控制，才能確保工程質(zhì)量。