高强钢在热带潮湿环境下焊接工法的应用与难点分析_郑佳明.pdf

96建筑科技2023 年 第 3 期高强钢在热带潮湿环境下焊接工法的应用与难点分析 Application and Difficulties Analysis of Welding Method for High Strength Steel in Tropical Humid Environment郑佳明（中铁建设集团华东工程有限公司,江苏 苏州 215300）摘要：目前钢结构焊接质量要求越来越高,尤其在热带、亚热带地区高强度超厚板焊接质量得不到保障。以中铁建设集团承建的盐城先锋国际广场项目为例,研究以 CO2气体保护焊为主要焊接方法,辅以挡雨和驱潮工艺对高强钢进行现场焊接,成功解决了热带潮湿气候对高强度超厚板焊接的不利影响,为以后类似工程提供借鉴经验。关键词：高强钢;热带潮湿环境;CO2气体保护焊;焊接中图分类号：TU744 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0096-030引言江苏盐城地处亚热带区域,临海,气候潮湿多雨,大气湿度很容易超出规范焊接环境限值,对焊接质量产生不利影响。以中铁建设集团承建的盐城先锋国际广场项目为例,研究热带地区高强度超厚板焊接方法,对推广和发展高强钢的应用具有重要意义。1工程概况盐城先锋国际广场是1栋核心筒-外框筒混合结构体系的200 m超高层标志性建筑。该建筑为纯钢结构,总用钢量20 000 t,是盐城高强钢用量之最。建筑采用Q420GJC、Q390、Q345钢材,钢材板厚度最大100 mm,其中Q420级别钢材应用3000 t,其钢材板厚度大部分在80 mm及以上,最厚达110 mm。项目通过防护工装、工艺流程和参数等方面进行改进,主体钢结构施工进展顺利,焊缝超声波检测合格率高,证明了该施工方法的可行性和适用性,能够满足对沿海地区热带、亚热带多雨和潮湿气候环境下超厚高强钢板焊接技术的指导。2工艺介绍根据Q420、Q390高强钢的焊接性特点,即碳当量高,有淬硬倾向,对预热温度、层间温度和后热温度要求高,再结合盐城特殊的气候因素,选择合理的焊接材料,制定合理的焊接工艺。采取有效措施降低焊接区域湿度和雨水影响,控制焊缝的冷却速度,同时严格要求焊工的操作手法和焊枪角度,最终实现对高强度超厚板同种钢、异种钢（Q420GJC+Q390GJC）在高湿环境中现场焊接质量的控制。3施工方法3.1施工工艺流程焊接施工工艺流程图如图1所示。97建筑科技2023 年 第 3 期图1工艺流程3.2主要操作要点3.2.1焊接方式和焊接材料的选择根据现场施工条件,采用CO2气体保护焊。为了满足焊接接头强韧性的要求,确保工程实体质量,在焊材的选配上,首先坚持等强性、等韧性的原则,再结合焊接接头的工艺性能和使用性能等要求,最终选择大西洋CHW-60C实芯焊丝和天津大桥THQ50-6实芯焊丝。3.2.2人员培训与考核厚板焊接是集体协作,对焊接操作人员的技术水平要求较高。为了满足现场焊接质量要求,必须制定严格的焊接操作人员选择制度。在正式施工前对焊接操作人员的理论知识和实际操作能力进行强化培训和考核,最终选择焊接技术过硬、责任心强、具有团队合作精神的焊接人员。3.2.3焊接工艺评定根据GB 50755-2012钢结构工程施工规范的规定,为验证所拟定的焊接工艺是否正确,在正式施焊前,在施工现场进行焊接工艺评定,制定符合现场厚板焊接的工艺参数。本工程对于板厚大于30 mm的高强板,采用远红外电加热法,通过调节焊接速度,电流强度等因素,确定厚板的焊接工艺;对于小于30 mm钢板焊接采用火焰加热的方式进行加热。为了验证其可行性,在以上焊评的基础上,再增设1组试验,对于板厚小于30 mm的高强钢板,采用火焰加热的方式进行加热,其它条件均相同。测量、记录焊缝坡口达到预热温度时,焊缝两侧及焊缝背面的温度,为后期施工提供理论依据。3.2.4焊接工艺参数焊接工艺参数如表13所示。表1Q420焊接工艺参数钢材牌号Q420Q420Q420焊道打底填充盖面焊接方法GMAWGMAWGMAW焊材牌号及规格牌号CHW-60CCHW-60CCHW-60C规格1.21.21.2电流强度/A180220220280220280电弧电压/V202525302530电流种类/极性直流反接直流反接直流反接焊接速度/mmmin-1150300150300150300保护气体电弧保护99.9%CO2气体流量电弧保护2025根部保护-根部保护-表2Q390焊接工艺参数钢材牌号Q390Q390Q390焊道打底填充盖面焊接方法GMAWGMAWGMAW焊材牌号及规格牌号ER50-6ER50-6ER50-6规格1.21.21.2电流强度/A180220220280220280电弧电压/V202525302530电流种类/极性直流反接直流反接直流反接焊接速度/mmmin-1150300150300150300保护气体电弧保护99.9%CO2气体流量电弧保护2025根部保护-根部保护-表3Q420与Q390焊接工艺参数钢材牌号Q420+Q390Q420+Q390Q420+Q390焊道打底填充盖面焊接方法GMAWGMAWGMAW焊材牌号及规格牌号ER50-6ER50-6ER50-6规格1.21.21.2电流强度/A180220220280220280电弧电压/V202525302530电流种类/极性直流反接直流反接直流反接焊接速度/mmmin-1150300150300150300保护气体电弧保护99.9%CO2气体流量电弧保护2025根部保护-根部保护-3.2.5焊前准备（1）搭设焊接防护工装。焊接前搭设稳固的焊接操作平台和防护工装。为避免焊缝受到雨水威胁,在焊缝上部500 mm位置设置防雨棚。防雨棚包括挡雨板和支撑架,挡雨板采用彩涂板制成,投影宽度1 000 mm,长度根据柱宽设置,单面坡度5%,坡向柱外,挡雨板靠近柱子一侧设置50 mm高泛水板,与钢柱通过防水胶粘牢,形成对雨水的阻断;支撑架由角钢制成,与挡雨板通过拉铆钉固定,支撑架设置插销与钢柱上的套管进行连接。（2）坡口清理。检查坡口尺寸,对高强钢的热切割剖口用角磨机进行打磨,打磨厚度不小于0.5 mm,直至露出金属光泽。母材的焊接坡口及两侧50 mm范围内,在焊接前98建筑科技2023 年 第 3 期须彻底清除氧化皮、锈、油、灰尘、水等杂质。（3）焊前检查。检查挡风、挡雨是否到位;检查环境湿度是否满足焊件条件要求,对湿度进行记录;检查坡口钝边、组队间隙和除锈清理情况,进行打磨、修补处理;检查CO2气体纯度、气路畅通、气压等是否符合工艺要求;检查焊机是否正常运行以及电压、送丝速率是否符合要求。（4）定位焊。主体钢结构焊接前采用定位焊,定位焊焊缝应与最终的焊缝有相同的质量要求。钢衬垫的定位焊宜在接头坡口内焊接,定位焊焊缝厚度不宜超过设计焊缝厚度的2/3,焊缝长度宜大于40 mm,间距宜为500600 mm,并应填满弧坑。当定位焊缝有气孔或裂纹时,必须清除后重焊。（5）焊前预热。预热可以有效地防止焊接冷裂纹。合理选择预热温度较为关键,预热温度太高,恶化焊接条件;局部预热,产生拘束应力。为了更好地控制预热温度,使钢板受热均匀,本工程高强钢厚板焊接采用远红外电加热的方法。根据GB 50661-2011钢结构焊接规范的规定,加热板设置在焊缝的两侧,加热宽度为焊接板厚的1.5倍以上,且不小于200 mm。预热到特定温度后,停止加热。测温采用红外测温仪,测温点距焊缝边缘75 mm处。测温时需垂直焊缝表面,距离不得大于200 mm。焊接过程中伴随加热,保证焊道层间温度在150200区间。氢对焊接质量是有害的,在焊接过程中应制定相应的措施,严格控制焊接环境中的氢含量。经过现场多次焊接工艺试验得知,远红外电加热方法由于其温升时间长,热功率大,可有效祛除焊缝附近水分,降低氢含量。在焊缝达到预热温度的同时,焊接区湿度基本都稳定在40%附近,并已经在焊接施工过程中得到证实,电加热及伴随加热可有效降低焊接环境湿度。根据现场焊接工艺试验,确定高强钢各类板厚加热温度及方式如表4、表5所示。表4Q420焊前预热温度及方式钢板厚度/mm预热温度/加热方式测温方式80t100130180远红外电加热红外测温仪50t80110150远红外电加热红外测温仪30t506080远红外电加热红外测温仪30以下4060氧乙炔火焰加热红外测温仪表5Q390焊前预热温度及方式钢板厚度/mm预热温度/加热方式测温方式80t100110150远红外电加热红外测温仪50t8090130远红外电加热红外测温仪30t504060远红外电加热红外测温仪30以下3050氧乙炔火焰加热红外测温仪3.2.6焊接过程控制（1）焊接环境检测。空气湿度过大,在焊接过程中,液态金属吸收大量的氢,一部分在熔池凝固过程中容易逸出,一部分由于熔池冷却速度过快来不及逸出,而被留在固态焊缝中,导致焊缝开裂。因此焊接前必须用湿度仪对焊接区域湿度进行检查,湿度高于90%不允许焊接,需延长电加热时间,降低湿度后方可施焊。（2）焊接层道数的选择。焊接层道数的选择不仅会影响焊接生产率,同时对焊缝的质量也会产生影响。焊接开始时必须连续施焊直至完成,中途不得停止。焊接过程中严格执行多层多道焊、窄焊道薄焊层的焊接方法。层数增多有利于提高焊缝的塑形和韧性,因为后一道焊缝相当于对前一道焊缝进行了回火处理,而且随着层道数的增加,每道焊缝所用的线能量也必然降低,因此焊后组织比较细,塑韧性比较好。层道数并不是越多越好,随着焊接层道数的增加,焊接生产率下降,焊接变形也比较大。本工法规定每一层焊道厚度4mm。（3）焊接操作手法和焊枪角度。焊接时在焊缝起点前方50 mm处的引弧板上引燃电弧,采用往复式运弧手法进行焊接施工。熄弧时,电弧不允许在接头处熄灭,而是应将电弧引至超越接头处50 mm的熄弧板熄弧,并填满弧坑。在进行填充焊接前清除首层焊道上的凸起部分及引弧造成的多余部分,清除粘连在坡壁上的飞溅物及粉尘,检查坡口边缘有无未熔合及凹陷夹角,如有必须用角向磨光机除去。根据GB 50661-2011钢结构焊接规范的规定,CO2气体保护焊气体流量宜控制在2025 L/min,焊丝干伸长1215 mm,焊枪角度控制在30。填充层焊接面层时,应注意均匀留出1.52 mm的深度,盖面时能够看清坡口边。盖面时宜采取小电流、小电压,焊接速度均匀,使焊缝外观成型良好,避免咬边、焊瘤、未焊满、表面气孔等表面缺陷。3.2.7后热保温焊 接 完 毕 后,立 即 进 行 后 热 保 温,后 热 温 度 为250300。焊后保温不仅能使扩散氢充分逸出,还能韧化热影响区和焊缝的组织性能,降低淬硬性,降低冷裂倾向。后热时间根据板厚不同选用,焊后保温温度及方式如表6所示。表6焊后保温温度及方式钢板厚度/mm后热温度/加热方式后热时间/h保温措施80t100250300远红外电加热220 mm保温棉50t80250300远红外电加热1.520 mm保温棉30t50250300远红外电加热120 mm保温棉30以下250300远红外电加热0.520 mm保温棉4焊接质量控制要点根据GB 50205-2020钢结构工程施工质量验收规范（下转第 102 页）102建筑科技2023 年 第 3 期集成,对升降平台进行一键升降的控制,对智能机器人控制其旋转及机械手的各种伸缩冲击动作,对炉内辅助装置如除尘装置、照明装置等进行控制等功能,同时能直观地反映干熄焦炉内的实时图像。除此之外,应当能够对耐材及炉壳进行识别,具备预警及保护功能,以防止拆除过程中炉壳受到破坏。2.2应用前景干熄焦炉耐火内衬的拆除作业智能化能降低劳动强度、改善作业环境、保证作业安全、节约工期、降低成本。施工作业的机械化可以有效缓解当前炉窑检修施工工人紧缺的难题,成本的降低能进一步提升施工企业的市场竞争力,并且在干熄焦炉检修中干熄焦耐火内衬的拆除施工是主线工作之一,工期减少将更容易获得业主方的青睐。到目前为止,我国已投产和在建的干熄焦约350座6,以每10年为一个大修周期计算,国内每年约