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建筑鋼結(jié)構(gòu)厚板高強(qiáng)鋼焊接工藝研究與應(yīng)用

2015-11-16 06:04:52張發(fā)榮何志濤姜殿忠程登
金屬加工(熱加工) 2015年12期
關(guān)鍵詞:厚板坡口高強(qiáng)

張發(fā)榮 何志濤 姜殿忠 程登

1. 工程概況

秦皇島金夢海灣2號、3號地塊住宅項(xiàng)目(一期)位于河北省秦皇島市海港區(qū)。本工程由兩組L型組合體塊組成,建筑層數(shù)為地下2層、地上32層,建筑高度地上99.85m。本工程主體結(jié)構(gòu)類型為:H型、箱型及箱型與U型組合鋼柱等(見圖1),使用鋼材主要為Q390GJ D—Z25,鋼板厚度為70~95mm。

圖1 構(gòu)件截面形式

2. 工程焊接難點(diǎn)

本工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式比較簡單,涉及的焊接接頭形式主要有對接、角接和角接與對接組合接頭。由于鋼板厚度較大,故選材上采用低合金高強(qiáng)鋼,其屈服強(qiáng)度為390MPa。

針對構(gòu)件類型,焊接時(shí)存在如下幾方面的難點(diǎn):①防止正火鋼熱影響區(qū)脆化。②厚板焊接變形控制。③防止母材層狀撕裂。

3. 厚板高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)

(1)高強(qiáng)鋼焊接性分析 該鋼種屬于高強(qiáng)度正火鋼,具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能。其化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1、表2所示。

(2)焊接工藝技術(shù) 第一,焊材的合理選擇。根據(jù)國家規(guī)范GB50661—2011中對焊接材料的推薦使用標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)結(jié)合焊接工藝性能、焊接材料等強(qiáng)匹配原則,以及不同焊接工藝環(huán)境下焊材使用后對母材影響程度來進(jìn)行選用(見表3)。

第二,坡口的制定。由于厚板焊接工程量大、難度高,若采用窄而深的小坡口進(jìn)行焊接,則不僅焊縫成形系數(shù)偏小,影響一次結(jié)晶,容易產(chǎn)生區(qū)域偏析,而且在拘束應(yīng)力大的前提下進(jìn)而導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生;若采用大坡口進(jìn)行焊接,則不僅焊接量大大增加,而且焊縫的焊接殘余應(yīng)力也會隨之增加,這對鋼結(jié)構(gòu)體系初始應(yīng)力的控制極其不利,同時(shí)也影響工程工期。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 力學(xué)性能

表3 焊接材料選用

考慮到厚板焊接接頭填充量、焊接質(zhì)量及焊接殘余應(yīng)力等方面的影響,同時(shí),為便于CO2焊槍在焊接過程中能適當(dāng)?shù)財(cái)[動,采用坡口角度適中,且便于正常情況下焊接的窄間隙焊接(NGW)坡口(見圖2)。

第三,焊接組合新工藝。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的厚板窄間隙焊接,需解決窄而深的坡口內(nèi)側(cè)壁焊接熔合質(zhì)量、焊接飛濺聚集、工藝參數(shù)穩(wěn)定性及焊接操作的可靠性等問題,避免坡口內(nèi)焊縫金屬的一次結(jié)晶產(chǎn)生區(qū)域偏析,進(jìn)而產(chǎn)生熱裂紋。

鑒于上述原因,提出如下焊接工藝方法:

打底焊:采用改造型噴嘴的實(shí)芯CO2氣體保護(hù)焊(見圖3)。該方法首先可以保證窄間隙坡口環(huán)境下的順利焊接,此外,利用GMAW的高效及熔深相對較大的優(yōu)點(diǎn),可提高焊接質(zhì)量和效率。

填充焊:采用雙弧雙絲自動氣體保護(hù)焊接:一方面可以利用其熔嘴的優(yōu)勢取代了埋弧焊機(jī)頭熔嘴無法進(jìn)行窄而深的焊接,另一方面其焊接效率較手工焊有大幅度提高,同時(shí)保證焊縫質(zhì)量。

蓋面焊:采用雙絲埋弧焊接。主要是提高焊接效率,保證焊縫的表面質(zhì)量。

第四,焊接工藝措施。多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù):多層多道焊及合理的焊接參數(shù)可減小焊接熱輸入,從而有效控制焊接變形和焊接應(yīng)力。在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上,加入焊接接頭每一道焊道錯(cuò)位連接,即:接頭不在一個(gè)平面內(nèi),通常錯(cuò)位50mm以上。這種技術(shù)其顯著優(yōu)點(diǎn)就是上一層焊道對下一層進(jìn)行了有效的熱處理,特別適合于高強(qiáng)鋼厚板的焊接。在應(yīng)用時(shí),可以消除焊接冶金過程中柱狀晶并使晶粒細(xì)化。同時(shí),對焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變控制也相當(dāng)有利,能夠提高焊接接頭的綜合性能。

道間溫度控制:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50661—2011要求,在焊接過程中,最低道間溫度控制在不低于預(yù)熱溫度。道間溫度應(yīng)在焊縫金屬或相鄰的母材金屬處測得,測量時(shí)間選擇在電弧經(jīng)過之前的焊接區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)測得。由于焊縫較長,未能焊到的地方應(yīng)采取保溫措施。防止溫度降低過快,如果焊接區(qū)域溫度過低,應(yīng)重新加熱。

后熱與消氫處理:為了加速焊接接頭中氫的擴(kuò)散逸出,防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生,焊后及時(shí)后熱及消氫處理是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。特別是對于氫致裂紋敏感性較強(qiáng)的厚板焊接接頭,采用這一工藝不僅可以降低預(yù)熱溫度,減輕焊工勞動強(qiáng)度,而且還可以采用較低的焊接熱輸入,使焊接接頭獲得良好的綜合力學(xué)性能。

焊縫錘擊消應(yīng)力措施:焊縫錘擊焊接過程中,在熱狀態(tài)下使用帶有小圓弧面的錘子錘擊焊縫金屬,使焊縫得到延展,從而減小焊件的殘余收縮應(yīng)力。錘擊應(yīng)均勻、適度,避免因錘擊過分而產(chǎn)生裂紋。當(dāng)焊縫溫度<300℃時(shí),錘擊力不宜過大;在100℃以下時(shí),禁止錘擊。

4. 結(jié)語

以上各項(xiàng)工藝技術(shù)措施和方法經(jīng)過本工程的實(shí)踐應(yīng)用,在厚板箱形構(gòu)件焊接中明顯提高了焊縫的質(zhì)量,取得了良好的效果。本工程中厚板焊接工藝的成功應(yīng)用,為國內(nèi)同類工程厚板焊接技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖2 厚板窄間隙坡口形式

圖3 新型氣體保護(hù)焊槍噴嘴

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M]. 第2版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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