高效钢结构厚板焊接技术探析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：建筑钢结构厚板焊接技术得到了很大发展，是一项方兴未艾的实用技术。国家体育场钢结构焊接工程采用了同原建筑钢结构焊接工程不完全一致的组合工艺，提高了焊接效率，保证了焊接质量，为厚板焊接技术提供了有益的借鉴经验。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程高强厚钢板全部采用了多层多道错位焊接技术。

随着钢板厚度的增加、焊接难度增加。在我国当时的标准GB/T 1591—1994《低合金高强度结构钢》和YB 4104—2000《高层建筑结构用钢板》规定钢板厚度最大仅为100mm，不仅仅可以看到厚板在生产和焊接上的难度，而且看出远远落后于建筑钢结构焊接工程的发展速度。

无论在理论和实践两方面都证明：建筑钢结构并不一定需要钢板越厚越好，然而由于实现设计师的理念，建筑钢结构焊接工程中厚钢板得到越来越大量的使用，国家体育场钢结构焊接工程中Q460-Z35厚度110mm和Q345GJD厚度100mm；北京新保利工程使用轧制H形钢翼板厚度达125mm（材质ASTMA913Gr60），基本代表了我国建筑钢结构焊接工程的用钢厚度。建筑钢结构厚板焊接技术得到了很大发展，是一项方兴未艾的实用技术。

国家体育场钢结构焊接工程采用了同原建筑钢结构焊接工程不完全一致的组合工艺，提高了焊接效率，保证了焊接质量，为厚板焊接技术提供了有益的借鉴经验。

1.厚板焊接坡口的设计

由于厚板焊接工程量大、难度高，技术界十分重视坡口的设计：坡口小易形成窄而深的形式，焊缝成形系数偏小，影响一次结晶、容易产生区域偏析；在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生。坡口加大，不仅仅焊接量增加，焊缝的焊接残余应力也增加，这对钢结构体系初始应力的控制极其不利，同时也影响工程工期。国家体育场钢结构焊接工程中，经过大量的试验研究，确定坡口角度为30～35°，间隙为6～10mm。工程实践和工艺评定结果证明了这一坡口角度的科学性、合理性。

2.预热、后热采用远红外电加热技术

厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生，准确的预热、层间温度、后热温度是防止裂纹产生的关键，特别是厚板高强钢的焊接尤为重要，这是因为准确控制预热温度、层间温度和后热温度将直接影响和控制高强钢裂纹产生三要素，即扩散氢含量、硬淬倾向和拘束应力。同火焰预热方式相比较，远红外电加热有温度控制准确可靠、可以控制升、降温速度的优点。最重要的是所有采用电加热的焊缝全部受热均匀，从而避免了火焰加热的不均匀同焊接过程中的不均匀叠加而产生附加应力，有效地防止焊接裂纹的产生。

3.组合焊接新工艺

在厚板焊接中，采用组合焊接新工艺：即打底焊采用SMAW（焊条电弧焊）；填充焊采用GMAW（实芯CO₂气体保护焊），主要的目的是利用GMAW的高效及熔深相对较大的优点，提高焊接质量和效率；盖面焊采用FCAW-G（药芯CO₂气体保护焊），主要是提高焊缝的表面质量，获得良好的观感效果。

从焊缝成形的角度上看：打底焊和盖面焊是最重要的步骤，假如在厚板焊接中，缺陷出在打底焊缝，如在箱形结构体系中，那么返工时间是整条焊缝正常焊接时间的三倍以上。因此，国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中，提出了厚板焊缝一次合格率为100%的指标，引起了各级管理人员和焊工的高度重视，保证了组合工艺的有效实施，收到了良好的效果。

4.多层多道接头错位焊接新工艺

在钢板的焊接中，多层焊的焊缝质量比单层焊好，多层多道焊的焊缝质量比多层焊好，特别是板厚超过25mm时效果最明显。因此，在厚板焊接时，首选多层多道焊技术。

所谓多层焊技术，不是一次成形，而是多层成形，焊接运条手法允许摆动，焊接厚度一般不控制，适合低碳钢厚板焊接；多层多道焊就是在多层焊的基础上，焊接手法上不允许摆动，焊接厚度要明确规定，以限制焊缝的热输入量，一般规定：GMAW、FCAW-G每一道不超过5mm，（通常是3～5mm之间）；SMAW用AV值来确定每一道的厚度（AV=一根焊条所焊焊缝的长度/一根焊条除焊条头外的长度），通常AV≥0.6；在立焊位置允许摆动，但限制摆幅：SMAW允许宽度为焊条直径的三倍；GMAW、FCAW-G允许摆动15～20mm。

多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上，加入焊接接头每一道次错位连接，即：接头不在一个平面内，通常错位50mm以上。这种技术特别适合于高强钢厚板的焊接，多层多道错位焊接技术的显著优点就是上一层次对下一层次进行了有效的热处理。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程高强厚钢板全部采用了多层多道错位焊接技术。

高效钢结构厚板焊接技术探析

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