超厚板焊接質量控制技術分析

董立 李忠陽

【摘要】本文通過對春之眼商業中心項目所使用的材質為Q390GJC-Z25、Q390GJC-Z35鋼結構厚板焊接質量控制進行分析、優化和總結，從而達到對類似工程焊接控制管理起到借鑒作用。

【關鍵詞】鋼結構;超高層;超厚板;焊接質量控制

近年來，高層及超高層建筑越建越多，在高層及超高層建筑中，鋼結構由于其結構的優越性，已經在超高層整體結構中占據主導地位，且國內市場對厚板的需求一直保持增長趨勢，因此，如何控制厚板焊接質量顯得愈發重要。

1. 工程概況

昆明春之眼商業中心項目鋼結構工程位于昆明市東風廣場工人文化宮以南，拓東路以北，盤龍江以東，北京路以西，周邊交通和市政設施較為成熟。本項目建筑面積達60.06萬m2，總重量約11萬t。地下室5層，埋深約23.1m，主要功能為酒店后勤、機電用房、停車場;主塔塔樓地上80層，建筑高度407m，主要使用功能為國際頂級寫字樓、國際一線頂級酒店、高端商業和公寓等，是一個集商務、購物、居住、觀光為一體的大型城市綜合體項目。主塔樓高度407m，建成后將是云貴高原多頻地震帶第一高樓。

主塔塔樓主體結構采用巨柱鋼框架-核心筒體系。鋼結構由筒外巨柱、外框鋼柱、樓層鋼梁、外框斜撐等組成外筒，由勁性鋼柱、連梁及鋼板剪力墻等組成內筒，樓層采用鋼筋桁架組合樓板，其巨柱之間增設阻尼器增加地震作用下的能耗。構件特性中巨柱由5邊形組成，內設豎向分隔板，最大外截面707×4489×2880×2722×4811×100mm，

最厚鋼板100mm;外框圓管柱共計9根，隨樓層變化而斜度變化，其最大截面為 Φ2050×40mm;外框斜撐為箱型構件，截面1400×1300×100mm;核心筒鋼柱主要為異型和H型鋼柱，典型截面為700×500×80×80mm 、H600×500×80×80mm;核心筒鋼板剪力墻通長布置，鋼板最厚為40mm。

2.焊接工藝

2.1材料特點

Q390鋼材綜合力學性能、焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性能均較好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性。本工程厚板采用Q390GJC，Q390C是一種低合金高強度結構鋼，抗拉強度σb為370～580MPa。

表1 ?化學成分

C Si Mn P S

≤0.2 ≤0.5 ≤1.7 ≤0.025 ≤0.02

Mo Cr Nb Ni Cu

≤0.1 ≤0.3 ≤0.1 ≤0.5 ≤0.3

碳當量計算：國際焊接學會推薦的碳當量公式CE（IIW）

公式（1） ? CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）= 0.617%

2.2工藝準備

施工前，對厚板焊接進行前期工藝準備，坡口形式采用單邊V型坡口。通過合理控制焊接間隙，鈍邊和坡口角度三個參數，達到控制焊接質量的效果。

2.2.1鈍邊和間隙

鈍邊是焊件開坡口時，沿焊件厚度方向未開坡口的端面部分。鈍邊的作用是防止根部燒穿，但鈍邊的尺寸又需保證第一層焊縫能焊透。鈍邊越大，越不易焊透，鈍邊越小或無鈍邊，打底焊越容易焊穿。

間隙是焊前在接頭根部之間預留的空隙。間隙的作用是在焊接打底焊道時，保證根部焊透。

鈍邊和間隙的尺寸能很好地配合，既可保證焊縫的焊透，又可避免燒穿、焊瘤和未焊透等缺陷。本工程根部間隙取6～8mm，鈍邊2mm。

圖1

2.2.2坡口角度

當電流電壓一定的情況下，電弧的形狀不變，但會隨著坡口夾角的大小上下移動，不會發生左右的變化。很明顯，在電弧電壓不變的情況下，電弧熔化點到母材的距離相同。

坡口角度越小，電弧為保持原來形狀，電弧上移，電弧下坡口根部的距離就越大;反之，坡口角度越大，電弧為保持原來形狀，電弧下移，這個距離就越小。

由于電弧是由電壓控制，電弧長度與電壓成正比，隨著電壓的變化而變化。改變坡口角度，電弧所能到達坡口根部的距離明顯不同。

坡口角度達到45°時，雖能充分焊透，但焊絲填充量增加，未免浪費材料。且施工周期增加明顯，恰到好處的坡口角度與達到理想焊縫質量要求的坡口角度為35°～45°為宜。

3.厚板焊接質量控制措施

3.1焊接方法

3.1.1CO2氣體保護焊

本工程焊接均采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方法，二氧化碳氣體保護焊具有生產效率高、焊接成本低、焊接變形小、適用范圍廣、操作便捷等優點，常為施工現場焊接方法的首選。

3.1.2打底焊、填充焊、蓋面焊

打底焊：在厚板單面坡口對接焊時，為防止角變形或為為防止角變形或為防止自動焊時發生燒穿現象而先在接頭背面坡口根部所進行的一條打底焊道的焊接 。

填充焊：主要的作用是焊口的金屬填充，在不影響焊口力學性能的條件下，要求盡快的填充效率和速度。

蓋面焊：指焊口最表面的一層焊層，要求成型美觀，均勻一致，無表面外觀缺陷，余高高度控制在0.5到3mm之間，與母材圓滑過渡。余高與母材過渡不好不但會造成應力集中，且會影響防腐補口的密封。

針對本工程的厚板焊接，為了有效地保證焊接質量，控制焊接變形，采用多層多道的焊接方法，針對65mm厚度以上的鋼板，采用打底焊一次，填充焊兩次，蓋面焊一次，完成焊接。

3.1.3分段退焊法

由于焊接時焊縫受熱，焊后焊縫又恢復常溫，在這個過程中由于熱脹冷縮的原理，焊接后一般會產生變形，變形的量和焊接的位置、焊接速度、焊縫熱量變化的速度均有關系。而采取分段焊接的方法是在焊接時可以減少較長焊縫的持續加熱時間，從而避免溫度過高引起變形;本工程施工前對三種分段焊接方法進行分析。

圖2 ?分段退焊示意圖

圖3 ?分中段退焊法

圖4 ?分段跳焊法

①分中段退焊法：它的優點是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區的溫度不斷急劇增高，減少或避免了熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。本工程存在大量對接立焊縫，因此，不予采用。

②分段退焊法：這種方法適用于各種空間位置的焊接。鋼材較厚，焊縫較長時都可以設擋弧板，多人同時焊接。其優點是可以減小熱影響區，避免變形。

③分段跳焊法：分段跳焊與分段退焊相似，但相較于分段退焊法可以分散焊縫熱量，更加利于應力釋放，避免或減小變形。

通過分析以上三種焊接方法的優缺點及綜合分析施工現場實際情況，本工程對厚板焊接采用分段跳焊的方法，每段距離約600mm。

3.2焊接電流和電弧電壓的選擇

焊接時流經焊接回路的電流稱為焊接電流。焊接電流大小對焊條的熔化速度、母材熔深、焊縫內在質量、焊接接頭性能和生產效率均有重要影響。焊接電流太大，容易在母材金屬的兩側產生咬邊，甚至燒穿。焊接電流過小，則母材金屬未充分加熱，容易造成夾渣和未焊透等缺陷。焊接電流大，則熔深大，焊接電流小，則熔深小。且厚板焊接過程中，電流過大，焊后構件變形明顯，因此，合理的選用電流參數對質量控制效果明顯。

電弧電壓即焊接電壓，焊接電壓是決定熔寬的主要因素， 電弧電壓增大后，電弧功率加大，工件熱輸入有所增大，同時弧長拉長，分布半徑增大，因而熔深略有減小而熔寬增大。余高減小，這時因為熔寬增大，焊絲熔化量卻稍有減小所致。焊接電壓過大時，焊劑熔化量增加，電弧不穩，嚴重時會產生咬邊和氣孔等缺陷。焊接電壓過低時，電弧引燃困難，焊接過程不穩定。只有電弧電壓與焊接電流較好的匹配，才能獲得較好的焊接過程，并且飛濺小，焊縫成型好。

本工程焊接電流、電壓參數選用見表2。

3.3焊接速度的選擇

焊接速度：單位時間內完成的焊縫長度稱為焊接速度。

如果焊接速度過快，熔池溫度不夠，易造成未焊透、未熔合、焊縫成型不良等缺陷。如果焊接速度過慢，使高溫停留時間增長，熱影響區寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，機械性能降低，同時使變形量增大。通過大量試驗，焊接速度控制在30～35cm/min為宜。

3.4焊絲伸長度的選擇

干伸長度對焊機輸出的實際電流有很大影響，在焊接過程當中，當干伸長度大時，焊絲的電阻增大，實際電流減少所以很容易在送絲速度不變的情況下，出現熔深變淺，甚至根部未焊透。由于電阻增大，焊絲會因過熱而成段熔化，金屬飛濺嚴重，焊縫被空氣侵入形成氣孔缺陷幾率增大。當干伸長度小時，焊絲的電阻減小，實際電流就增大，噴嘴與工件的距離縮短，會造成焊縫過高，成形不良，并且使得導電嘴過熱，燒壞導電嘴，造成焊絲堵死，還有造成的飛濺物粘住或堵住噴嘴，影響氣體流通，從而造成焊接有氣孔。

通常情況下，焊絲伸長距離宜為焊絲直徑的10倍，即伸長度取12mm。

3.5氣體流量

在焊接電流較大，焊接速度較大，焊絲伸出較長及室外作業等情況下，氣體流量要適當增加，以使保護氣體達到足夠的挺度，提高其抗干擾的能力。當氣體流量過大時，對焊縫熔池的吹力增加，冷卻作用加強，會形成紊亂氣流，破壞氣體保護，使焊縫產生氣孔等缺陷。因此合理控制氣體流量的速度可保證焊接后的質量，本工程焊接過程氣體流量控制在15～20L/min。

3.6預熱溫度與層間溫度控制

碳當量>0.5%時，鋼材的淬硬傾向增大，硬度增加，鋼材焊接熱影響區就容易產生冷裂紋。因此正式焊接工作開始前，對厚鋼板的焊縫區要進行預熱，焊接時，由于局部的激熱速冷，預熱可緩解焊接區激熱，速冷的過程，減少焊接過程的收縮應力，同時，可以排除焊接區的水分和濕氣。

本工程預熱采用電加熱或火焰加熱，通過火焰加熱預熱時，需保證焊道兩側各100mm范圍內均勻加熱，預熱溫度控制在80℃～120℃為宜。

層間溫度是多道焊縫及母材在施焊下一焊道之前的瞬時最高溫度，層間溫度過高會引起熱影響區晶粒粗大，使焊縫強度及低溫沖擊韌性下降。如低于預熱溫度則可能在焊接過程中產生裂紋。本工程的層間溫度控制在120℃～250℃。

溫度的監測采用紅外線激光測溫儀，測溫時，激光點應在焊縫兩側100mm處。

3.7焊接過程約束措施

厚板焊接過程中，除需控制合理的焊接參數，考慮理論數據與實際操作的差異，仍需增加外部物理約束措施。

本工程厚板均采用單邊V型坡口，在坡口正面兩端處增加兩塊約束鋼板，在坡口背面每600m設置一道約束鋼板，減少坡口側焊接接頭數量，約束板的規格300×150×20mm。大量試驗明，焊接冷卻過程中外部約束板對焊縫附近的塑性變形區的收縮等效于反向拉伸，可減小殘余應力應變， 采用合理的約束板布置可以有效的控制撓度變形與鼓曲度變形。

4.分析及總結分

本工程100mm厚板對接焊縫均為一級焊縫，經超聲波無損檢測探傷，一次探傷合格率均為99.5%，經一次返修后，合格率達到100%。

通過焊前充分準備及大量實驗結果表明，調節C02氣體保護焊相關焊接參數，及合理的設置焊接前的約束措施，可有效的控制厚板焊接引起的整體變形，且大大提高了勞動生產率，降低了成本，取得了較好的經濟效益。同時也為類似工程提供了寶貴的經驗，可大力推廣。

參考文獻

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[2] 張耀林，李可軍等.高建鋼及厚板在天津高銀117大廈項目中的應用.建筑技術開發，2015.

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[4] 許宏.高層鋼結構厚板焊接質量控制管理.江西建材，2016.

（作者單位：中建二局安裝工程有限公司）

【中圖分類號】TU391

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）12-0049-03