超厚型钢板的焊接技术.doc

超厚型钢板的焊接技术总结
**剧院钢结构飘带采用箱型或H型钢组成的桁架体系结构，最长的飘带达205.8m，最宽为20m，最大净跨度106m，最高安装标高39.6m，采用大量的箱型结构，箱梁最大截面尺寸3118×1000，上下翼板最厚达110mm，平均板厚也有35mm。部分箱体构件不但截面大，而且是非矩形的，构件焊缝等级要求高。由于飘带设计大量采用厚板，因此，制定合理的加工制作方案及焊接工艺，减小焊接变形、消除焊接残余应力、防止厚板焊接中层状撕裂现象，确保加工制作质量及现场焊接质量是本工程的重点。
大截面厚板箱形构件制作是本工程的难点，最集中体现难度的是飘带一的落地腿制作以及厚板的焊接：所有主构件采用大箱形截面，由四片分叉的箱形构件组合而成，中间两片在底部支座处再次组合成为一点，箱形构件体系沿水平面内的两个方向都有倾斜，在顶部与飘带水平箱梁以小于90度的斜角厚板对接焊缝；而另一面内四片桁架还要保证在同一平面，制作难度非常之大。几何尺寸：3900*900*25*75 9000-12000 高度变化1700-3900如：
用图\箱型\1-16.DWG
用图\箱型\1-32.DWG
用图\箱型\1-229.DWG
用图\箱型\1-282.DWG

要保证能够结构成型，需要在焊接剖口设计、装配顺序、焊接方法上进行优化。要保证制作精度，需要在钢板切割，工装设计上做大量的工作。对焊接剖口、焊接形式、组装顺序、焊接顺序进行了详细规定。
构件多为不规则图形(指不为矩形)，为保证零件几何尺寸，先将钢板焊接成较大荒料，再使用数控切割机进行切割下料(不为矩形)。使用胎架进行装配，使用500号工字钢铺设平台，并将其测至水平，将腹板置于其上。采用卧装，先将腹板放置在胎架上(无牛腿的腹板放在下面)
针对110mm厚板焊接的技术问题，深入研究工厂实施方案，选择合理的加工工艺，根据CO2气保焊电弧加热集中，焊接速度快，熔深大，焊缝强度高，且塑性和抗腐蚀性好的特点，采用CO2气保焊。确定合适的坡口形式：
序号
厚度δmm
名 称
符号
坡口形式
坡口尺寸 mm
备注
α°
b
p
1
3～8
I形坡口

-
0～3
-
背面清根
2
6～10
I形带垫板坡口

-
δ
-

3
6～40
Y形坡口

30°～60°
0～3
1～4
背面清根
4
＞16
带钝边V形坡口

5°～ 15°
6～15
-

5
6～26
带钝边V形坡口

45°～55°
3～6
0～2

7
12～40
双Y形坡口

α=40°～60°
0～3
1～3
背面清根
8
＞40
双Y形坡口

α=40°～50°
α1=50°～60°
0～3
1～3
背面清根

焊接质量控制措施
对**剧院钢结构大截面厚板箱形构件进行深入的研究，开发了高效气电焊接设备，采用摆动焊接，弧压控制技术，成功地实现δ= 110mm厚板焊缝的一次焊接成形技术，并提出了相关厚板的焊接工艺试验参数。对提高**剧院钢结构厚板焊接制造施工工艺，提高焊接质量和生产率，减轻工人劳动强度具有重要意义。
焊接工艺评定
针对本工程厚板箱形梁的接头型式。特别是本工程钢板厚度达到110㎜，必须根据《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002第五章“焊接工艺评定”的具体规定，组织进行焊接工艺评定，确定出最佳焊接工艺参数，制定完整、合理，详细的工艺措施和工艺流程。
1、焊接工艺流程图（见下图）
焊接主要采用CO2气体保护焊及手工电弧焊的焊接方法，焊接采用手工电弧焊接打底，CO2气体保护焊填充和盖面以小电流和微小的摆动手法，采用双人对称，节点对称结构对称的全方位对称焊接技术以尽量减少焊接残余，防止焊接变形，确保焊接质量。
2、焊接顺序
①钢桁架平面桁架整体拼装焊接顺序，是先焊下弦杆节点，中间腹杆节点，最后上弦杆节点，在整榀多个对接时应由中间节点开始，向两边节点延伸的焊接施工顺序。
②同一节点焊接的顺序是，先焊接下翼缘，后焊上翼缘，最后焊接腹板连接板的焊缝。
③同一节点的焊接，应先焊受力面，后焊受压面焊缝。
④箱形截面节点焊接，应先焊下弦，仰焊焊缝，再焊两侧立面焊缝，最后焊接上弦平面焊缝。
3、焊接方法
① 焊接前应先安装好垫板和引弧板、引出板。
② 清理焊口及焊道周围的油污锈物。
③ 检查定位焊是否焊牢，有无松动，防止错位变形。
④ 预热

操作平台、防护架安装

焊接试验和工艺评定

气候条件检查；
接头组装质量检查；
坡口间隙测定、坡口形状、钝边和坡
口面清理情况检查。衬板角板检查；
焊机、工具、安全检查。易燃易爆物
防护；
焊接材料检查；
气体纯度以及气路检查；安装施焊
条件检查

焊接顺序和焊接条件确认

确 认 合 格

检查引弧板/熄弧板

预热温度测试时间位置
预 热

缺陷修整
定 焊 位

低氢焊条打底焊

焊条或焊丝焊接
工艺流程、电流、电压检查；
焊道清渣、层温检查；
焊道质量检查；
二氧化碳气体流量、纯度、压力检查；
送丝稳定性、焊丝伸出长度检查；
导电嘴保护

焊 中 检 测

焊工自检查
焊 接 完 成

焊 缝 外 观 检 查

填写外观质量检查记录

焊接场地清理
打 磨

检测报告
超声波探伤检测

合 格
不合格

记录、验收
返 修

焊接工艺流程图
焊接前对钢材进行预热，板厚20—50㎜的钢板应进行预热，预热温度应控制在80—150℃，50㎜左右的超厚钢板预热在150—200℃左右，预热范围在焊道两侧各100㎜内进行加热，预热采用氧炔中性火焰加热，加热温度用侧温笔检查达到钢板预热所需的要求。
不同钢种的推荐预热温度（℃）
钢种
焊接
方式
板厚（mm）
备注
t≤30
30≤t≤60
60≤t≤80
80≤t≤120
Q235
手工
电弧焊
＞100
＞100
＞140
180
箱型梁焊预热要求与对接箱型柱相同
CO2
＞100
＞100
＞140
180
Q345
手工
电弧焊
150
150
160－180
200－220
CO2
150
150
160－180
200－220
焊接
焊接引弧打火应在引弧板宜大与10㎜处打火，使焊条和构件保持2—4㎜间隙产生电弧，中途接头引弧则在焊缝接头前方15—20㎜处打火引弧，焊接施工应以焊接工艺要求进行作业焊接，保证焊缝厚度和宽度，为了减少焊接残余应力和变形，采用小电流多焊道的手法，逐层逐道进行施焊，同一节点采用双人对称的焊接施工。
层间温度
超厚板焊接的层间温度应控制在85—120℃ 之间，要求每个接头应一次性焊接完成，除特殊天气情况，一般应焊接完节点的1/3以上，方可停焊。因此，应做好防风、防雨的施工措施。
焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在120℃──150℃之间，每个焊接接头应一次性焊完。施焊前，注意收集气象预报资料。预计恶劣气候即将到来，并无确切把握抵抗的，应放弃施焊。若焊缝已开焊，要抢在恶劣气候来临前，至少焊完板厚的1/3方能停焊；且严格做好后热处理，记下层间温度。各种不同钢种、不同厚度钢材的焊接层间温度见下表：
不同钢种、不同厚度钢材的焊接层间温度（℃）
钢种
板厚（mm）
焊接层间温度（℃）
Q235
30－60
160－180
Q345
60－100以上
120－150
后热及保温
焊接节点焊接完成后，为保证焊缝中扩散氢有足够的时间得以逸出，从而避免产生延迟裂纹，必须进行后热处理，后热采用中性火焰。在焊道两侧100—150㎜处进行烘烤。烘烤温度在200—250℃加热0.5h，最后采用石棉布将焊缝包裹。使焊缝冷却至常温。测温点选在直接加温处的相对部位,严禁在直接施热部位测试。达此温度后用多层石棉布紧裹，保温的时间以接头区域、焊缝表面、背部均达环境温度为止。
序号
焊接作用部位
焊材类型
焊材
规格
焊接电流（A）
焊接电压(V)
气体流量(L/mi)
电弧极性
焊速(cm/s)
1
定位
E501（E4015）
Ø3.2
90—120
28—32
/
阳
0.25
2
深层填充
WH50—6
Ø1.2
190—210
25—30
55
阳
0.55
3
封底
E5015(E4315)
Ø3.2
90—120
28—32
/
阳
0.23
4
深部填充
WH50—6
Ø1.2
210—240
29—33
55—65
阳
0.60
5
表层填充
E5015(E4315)
Ø4.0
160—190
30—32
/
阳
0.33
6
面层
WH50—6
Ø1.2
210—240
29—33
55—65
阳
0.65
焊08锰2硅高金属化学元素含量：C=0.11%Mn=1.8—2.10%;
Si=0.65— 0.95%;P=0.03%;S=0.03%
焊接工艺参数如下表：
E5015，E5016焊条烘烤时间及温度：
焊条
烘 烤
保 温
温度
时间
温度
时间
E5015
350—400
1—2h
100—150
≤30d
E5016
350—400
1—2h
100—150
≤30d
人员准备
本工程从事焊接作业的人员，从工序负责人到作业班长仍至具体操作的施焊技工、配合工以及负责对焊接接头进行无损检测的专业人员，均为资格人员和曾从事过配合作业的人员，既便是辅助工，也须通晓焊接作业平台的具体搭设及作业顺序和作业所须时间，从而准备好焊前工作，包括工完场清的具体要求及焊材的分类，首先从人员组织上杜绝质量事故的发生。

主要设备机具的准备
本工程准备主要采用CO2气体保护焊，所以应配备完好的数量足够的设备以及机具。
焊接材料的准备
本工程焊接方式主要采用CO2气体半自动保护焊，局部采用手工电弧焊。
根据工程材料的类别，焊接主材主要为气体保护焊焊丝，并配辅材CO2气和手工电弧焊用焊条。
本工程主要构件的材质为Q345B，因此焊条选用E50XX型、JM-58(H08Mn2SiA).当两种材质强度不同时，则选用强度较低焊材。经焊接工艺评定合格后，方可允许作为本工程施焊的焊材，并要求按牌号、批次、持证入场，分类存放在干燥通风的库房。材质证明和检验证书妥善保管，分批整理成册交项目存挡。
技术准备
熟悉图纸规定的施工工艺和验收标准。认真做好技术准备工作，根据《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-2002的规定编制符合本工程情况的焊前工艺评定计划书，根据本工程焊接工艺评定的结果编制作业指导书，，完成焊接施工前的准备工作，及本工序的施工技术交底和施工安全交底工作。
焊前检查
选用的焊材强度和母材强度应相符，焊机种类、极性与焊材的焊接要求相匹配。焊接部位的组装和表面清理的质量，如不符合要求，应修磨补焊合格后方能施焊。各种焊接法焊接坡口组装允许偏差工业值应符合《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002第四章4.2.2－4.2.7表中之规定。
焊前清理
认真清除坡口内和垫于坡口背部的衬板表面油污、锈蚀、氧化皮，水泥灰渣等杂物。
垫板、引弧板，引出板的装配
垫板、引弧板，引出板其材质应和被焊母材相同，坡口型式应与被焊焊缝相同，禁止使用其它材质的材料充当引弧板、引出板和垫板。手工电弧焊和CO2气体保护焊焊缝引出长度应大于50㎜。其引弧板和引出板宽度大于50㎜，长度不小于50㎜，厚度应不小于8㎜。焊接完成后，应用火焰切割去除引弧板和引出板，并修磨平整，不得用锤击落。

焊接环境
焊接作业区域设置防雨、防风及防火花坠落措施。以防止焊接火花坠落烫伤他人，并在平台四周和顶部固定防风帆布，杜绝棚外风力对棚内焊接环境的侵扰。现场安装风较大，当CO2气体保护焊环境风力大于2m/s及手工焊环境风力大于8m/s在未设防风棚或没有防风措施的施焊部位严禁进行CO2气体保护焊和手工电弧焊。并且，焊接作业区的相对湿度大于90％时不得进行施焊作业。施焊过程中，若遇到短时大风雨时，施焊人员应立即采用3～4层石棉布将焊缝紧裹，绑扎牢固后方能离开工作岗位，并在重新开焊之前将焊缝100㎜周围处进行预热措施，然后
⑷本工程安装焊接手工电弧焊、CO2气体保护焊焊接参数，根据材料种类和接头位置、坡口形式，模拟现场施工环境条件采取进行专题焊接工艺评定来确定。
厚板箱形梁焊接顺序 ：
由于箱型梁板超厚，施焊时间较长，应采用两名焊工同时对称等速施焊，才能有效的控制施焊的层间温度，消除焊接过程中所产生的焊接内应力，杜绝产生热裂纹， 当焊完第一个两层后，再焊接另外两个相对应边的焊缝，这时可焊完四层，再绕至另两个相对边，如此循环直至焊满整个焊缝。如遇焊缝间隙差过大，应先焊大间隙焊缝，把另外相对边点焊牢固，然后依前顺序施焊。
现场大跨度厚板箱梁现场焊接
大跨度厚板箱梁现场焊接工艺的合理性和焊接质量是保证整个飘带安装质量的重点环节。焊接工艺上采用先焊下弦再焊两侧立面焊缝，最后焊接上弦平面焊缝的焊接顺序。腹板焊接采用双人对称、节点对称结构采用全方位对称焊接技术以尽量减少焊接残余。焊接方法上主要采用CO2气体保护焊及手工电弧焊的焊接方法，焊接采用手工电弧焊打底，CO2气体保护焊填充和盖面以小电流和微小的摆动手法。焊接管理上对合格焊工进行内部考试，根据考试成绩分为三级，等级与焊缝的重要性匹配：一级焊工从事箱型梁厚板焊接，二级焊工从事H型钢上下翼缘板的对接焊接，三级焊工从事角焊缝焊接。焊缝形式主要为：水平横焊、立焊、水平梁对接横焊等。安装焊接工程量较大，厚度大，焊接难度比较高，针对此特点，拟运用CO2气体保护半自动焊成套技术，解决对厚板焊接变形、厚板方向应力破坏的处理等难题。

焊接过程中应注意事项
⑴控制焊接变形。
⑵采取相应的预热温度及层间温度控制措施。
⑶实施多层多道焊，每焊完一焊道后应及时清理焊渣及表面飞溅，发现影响焊接质量的缺陷时，应清除后方可再焊，在连续焊接过程中应控制焊接区母材温度，使层间温度的上、下限符合工艺条件要求，遇有中断施焊的特殊情况，应采取后热保温措施，再次焊接时，重新预热且应高于初始预热温度。
⑷防止层状撕裂的工艺措施。
⑸焊接是严禁在焊缝以外的母材上打火引弧。
⑹消除焊后残余应力。
焊后清理及外观检查
认证清除焊缝表面飞溅，焊渣。焊缝不得有咬边、气孔、裂纹、焊瘤等缺陷和焊缝表面存在几何尺寸不足现象。不得因为切割连接板、垫板、引入板，引出板伤及母材，不得在母材上留有擦头处及弧坑。连接板、引入、引出板切割时应光滑平整。焊缝外观自检合格后，方能签上焊工钢印号，并做到工完场清。
焊缝检验
焊缝的质量检验包括焊缝的外观检验和焊缝无损探伤检验。焊缝探伤根据设计图纸及工艺文件要求而定，并按照国标GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》来进行检测。
焊缝的外观检验
焊缝外观不允许有裂纹、熔穿、缺陷和弧坑,一般焊缝外观缺陷允许偏差符合表1、表2、表3规定。

表1

允许偏差(mm)
图 例
焊缝质量
检查 等级
项目
一级
二级
三级

裂纹
不允许
不允许
不允许

表面气孔
不允许
不允许
每米焊缝长度内允许直径≤0.4t,且≤3.0的气孔2个,孔距≥6倍孔径

表面夹渣
不允许
不允许
深≤0.2t 长≤0.5t,且≤20.0

咬边
不允许
≤0.05t,且≤0.5t;连续长度≤100.0,且焊缝两侧咬边总长≤10%焊缝全长
≤0.1t且≤1.0,长度不限

接头不良
不允许
缺口深度0.05t,且≤0.5
缺口深度0.1t,且≤1.0

每1000.0焊缝不超过1处
根部收缩
不允许
≤0.2+0.02t且≤1.0
≤0.2+0.04t且≤2.0

长度不限
未焊满
不允许
≤0.2+0.02t且≤1.0
≤0.2+0.04t且≤2.0

每1000.0焊缝内缺陷总长≤25.0
焊缝边缘不直度f
在任意300mm焊缝长度内≤2.0
在任意300mm焊缝长度内≤3.0

电弧擦伤
不允许
允许存在个别电弧擦伤

弧坑裂纹

允许存在个别长度≤5.0的弧坑裂纹

坡口角度
±5°

表2 全熔透焊缝焊脚尺寸允许偏差
项 目
允许偏差(mm)
图 例
腹板翼板对接焊缝余高C
B<20.0: 0～3.0
B≥20.0: 0～4.0
B<20.0: 0～4.0
B≥20.0:0～5.0

腹板翼板对接焊缝错边d
d<0.15t且≤2.0
d<0.15t且≤3.0

结合的错位
t1≥t2
≤2t1/15且≤3mm

t1< t2
≤2t1/6且≤4mm
一般全熔透的角接与对接组合焊缝
hf≥(t/4)+4 且≤10.0

需经疲劳验算的全熔透角接与对接组合焊缝
hf≥(t/2)+4且≤10.0
T型接头
焊缝余高
t≤40mm
a=t/4mm
+5
0

t>40mm
a=10mm
+5
0
注:焊脚尺寸hf由设计图纸或工艺文件所规定

表3 角焊缝及部分熔透的角接与对接组合焊缝偏差
项 目
允许偏差(mm)
图 例
焊脚高度hf偏差
hf≤6时 0～1.5

hf>6时 0～3.0
角焊缝余高(C)
hf≤6时 C为0～1. 5
hf>6时 C为0～3.0
注:焊脚尺寸hf由设计图纸或工艺文件所规定
1、hf>8.0mm的角焊缝其局部焊脚尺寸允许低于设计要求值1.0mm,但总长度不得超过焊缝长度10%；
2、焊接H型梁腹板与翼板的焊缝两端在其两倍翼板宽度范围内,焊缝的焊脚尺寸不得低于设计值。
一级焊缝不得存在未焊满、根部收缩，咬边和接头不良等缺陷。一级焊缝和二级焊缝不得存在表面气孔、夹渣，裂纹和电弧擦伤等缺陷。二级焊缝的外观质量除应符合以上要求外，还应满足《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81－2002第七章7、2、3中有关规定。
焊缝尺寸检查
⑴焊缝焊脚尺寸应符合《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002第七章表7、2、4－1中有关规定。
⑵焊缝余高及错边应符合《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002第七章7、2、4－2中有关规定。
焊缝无损检测
按设计要求全溶透焊缝进行超声波无损检测，其内部缺陷　检验应符合下列要求：
⑴一级焊缝应进行100％的检验，其合格等级应为现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》（GB11345）B级检验的Ⅱ级及Ⅱ级以上。
⑵二级焊缝应进行抽检，抽检比例应不小于20％。其合格等级应为现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》（GB11345）B级检验的Ⅲ级及Ⅲ级以上。

⑶对不合格的焊缝，根据超标缺陷的位置，采用刨、切除，砂磨等方法去除后，以与正式焊缝相同的工艺方法进行补焊，其核验标准相同。
焊接质量
厚板焊接是琴台钢结构安装施工中的关键工序，现场自始至终全面进行监控，把好焊前、焊中、焊后质量关。通过以上措施保证，经湖北省建筑工程质量监督检验测试中心和中国**工程质量检测中心探伤检测，现场焊接一次合格率达到99%。