低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工技術應用分析

楊秉睿

（甘肅省科工建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

鋼結構工程中構件在低溫下的加工與焊接（即在冬季施工）一直是工程界長期關注的課題。尤其是地處北方的各類廠房、住宅等建筑工程，都可能存在一段很長時間的冬季施工期。隨著冬季氣溫的逐漸降低，以及晝夜溫差大的特點，給鋼結構構件加工在進度、質量等方面帶來諸多不利因素，甚至出現裂紋和工作狀態下發生脆斷等嚴重質量問題[1-2]。因此，合理的加工工藝和控制過程是低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工的關鍵。本文以新疆寶能城二期鋼結構項目為例，分析低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工技術的應用。

1 低溫下大尺寸變截面厚板箱體加工的難點分析

新疆寶能城二期鋼結構項目中，其箱體板厚、尺寸大、截面存在變化，冬季施工，困難重重。

1.1 鋼板厚度大

以地下一節柱為例，全樓共計42支箱型鋼柱（見圖1所示），箱體翼腹板最厚可達到100mm，而常規高層建筑鋼結構構件厚度在30～50mm。原材取樣、氣割下料、腹板坡口角度及焊接預熱、緩冷溫度控制都與常規建筑鋼結構構件加工有著很大區別，尤其是厚鋼板在加工過程中存在非常大的約束應力，同時，焊接過程中，焊縫冷卻速度極快，焊縫一次結晶區域偏析的概率大大增加,若同時施加一定作用的拉應力，則在焊縫中心極易發生結晶裂紋，即產生熱裂紋。

圖1 鋼柱結構圖

1.2 構件截面大，重量大，截面存在變化

該項目箱體均分為上中下三節，截面大，且存在變化，截面尺寸從?500×1000至?1400×1700不等（見圖1所示），而超過1200mm截面箱體無法進入常規門式箱型埋弧自動焊機機架內，需使用更為靈活的自動焊焊接設備。同時，構件重量大，最大單件起吊重量可達6.9t，整只構件對接后重量可達15t，構件翻身危險性更大。

1.3 低溫環境的影響

該項目構件加工周期1個月，加工量約4000t，工期非常緊張。此加工工期正好處于冬季，溫度特點為晝夜溫差大，白天最高溫度可達到10℃，夜間溫度最低下探至-15℃。由于該項目工期緊張，生產用工采用兩班倒的形式，因此，較大的晝夜溫差以及環境溫度的驟變成為厚板箱體加工的關鍵影響因素。特別是低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是焊縫金屬表面裂紋和延遲裂紋[3]。

2 低溫下加工工藝及過程控制

2.1 氣割下料

下料前：注意提前根據板厚選擇匹配型號的割嘴；加工大料前，要求使用槍嘴火焰（注意不要打開切割氧）。為防止鋼板淬硬，產生表面冷裂紋，通過在鋼板上來回行走的方式（以來回2趟為宜），對鋼板進行預熱，再進行切割下料。

下料過程：對于40mm厚度以上的鋼板，為防止鋼板邊緣化學成分偏析引起層狀撕裂，通常要求下料時對鋼板兩側邊緣（沿鋼板軋制方向）進行修割，修割寬度要求≥50mm。

實驗板取樣：需按排版圖所排方式進行實驗板取樣，嚴禁在鋼板邊緣處下料取樣。取好的樣品在表面用記號筆標注樣品材質、規格及軋制方向，并統一堆放。

2.2 坡口加工工藝及質量要求

開坡口前，根據下料工藝單先復核主板零件外形尺寸；尺寸復核無誤后，根據坡口加工圖進行劃線；經檢查核對劃線尺寸后，對坡口邊進行預熱，當預熱溫度達到規定要求后，采用火焰半自動切割機進行坡口作業[4]。

作業過程中，要求同一主板上的2條坡口加工方向一致；過程中及時復測主板尺寸及坡口尺寸。

坡口完成后，首先檢查坡口表面是否平滑，并將鋸齒狀割紋及豁口打磨至平滑過渡，嚴禁使用二保焊將割紋豁口補焊填平。

打磨合格后，由專職質檢員對坡口進行滲透探傷（PT），檢驗坡口表面及近表面是否有缺陷。

2.3 變截面箱體拼裝工藝及控制

（1）低溫下的厚板使用半自動切割機開坡口會因加熱產生拱彎等更大的熱變形，為抵消這種變形，對已開好坡口的主板進行尺寸、外觀復核；對有旁彎、拱彎的板先進行火焰矯正，如圖2所示。

圖2 主板火焰矯正

（2）對于變截面箱體拼裝，關鍵在于異形尺寸及角度控制要準確。因此，拼裝時要利用縱向隔板形狀與箱體外形角度尺寸一致的特點對其放樣，先將箱型翼緣板放置到位，同時使用厚板邊條料作為縱隔板定位支撐料，再將橫隔板定位點焊。

2.4 箱型柱主焊縫焊接工藝及質量要求

2.4.1 質量要求

為保證主焊縫打底時不出現夾渣等缺陷，裝配箱型柱前，將扁鐵打磨至金屬光澤后裝兩側板，并點焊。

2.4.2 焊前預熱

首先根據焊縫熱影響區規定即板厚的30%范圍，計算本工程熱影響區范圍為12～30mm；其次計算主焊縫受熱寬度為板厚的3倍，即120～300mm不等（該項目箱體厚度為40～100mm）。采用熱傳導加熱方式使用氧氣-天然氣對主焊縫位置進行烘烤預熱。整體對鋼柱翼腹板坡口處、熱影響區及主焊縫兩側進行加熱，預熱范圍為鋼板厚度的3倍，預熱溫度在100～120℃之間。

2.4.3 層溫控制及打底焊過程控制

當焊縫溫度達到相應預熱溫度后，開始施焊。值得注意的是，預熱后鋼板熱量的散失主要發生在第一層焊道敷蓋前，因此，為了保證焊縫的層間溫度不低于預熱溫度（100～120℃）且不高于250℃，采用數顯測溫儀對焊縫側溫度進行監測[5]。測溫時，要求一道焊縫間隔600mm記一個監測點，且通條焊縫不少于4個測溫點。焊道預熱溫度在每一段焊道即將引弧施焊前加以核對，若溫度不達標，要先加熱至100℃后才能繼續施焊。當完成第一層焊道敷蓋后，層間溫度已滿足要求且此時熱量散失緩慢，后續施焊過程則無需對焊縫再進行加熱。

打底焊：為防止焊接變形，采用線能量輸出更小的CO2氣體保護焊設備進行主焊縫打底。為保證焊縫熱輸入均勻，要求數個焊工對一個面上的兩道焊縫同時對稱施焊，直至焊縫高度填充至10mm左右，進行構件翻身，按此方法繼續焊接其余兩條焊縫，直至焊縫高度填充至30mm左右。焊接完畢，應由數對焊工在焊縫溫度冷卻前及時清理表面熔渣及飛濺，同時檢查外觀質量。檢查焊道的平面度，并及時對低處進行填充。多道焊時每一道焊縫接頭應錯開，且每道接頭應由下至上呈階梯狀，起始焊接應從坡口側開始施焊。每一道焊縫焊接完成后，需及時記錄施焊位置、焊接電流、焊接電壓、焊接前后焊縫溫度及構件幾何尺寸，同時，及時觀察構件變形情況，見如圖3所示。

圖3 焊接過程檢測

焊縫填充：由于超過1200mm截面箱體無法進入常規門式箱型埋弧自動焊機機架內（門式焊機僅能容納1000mm以內截面箱體），同時考慮到厚板焊接需使用小的線能量多層多道焊接，因此選擇單絲小車埋弧焊進行焊縫填充及蓋面。焊接前應先檢查構件幾何尺寸并對箱體內支撐進行加固。為保證焊縫熱輸入均勻，要求焊工對一個面上的兩道焊縫同時進行一層焊縫（需焊接2～3道）作業，直至焊縫高度填充至20mm左右。對構件進行翻身，先將焊縫預熱至相應溫度，并按此方法繼續交替循環焊接其余兩條焊縫，直至焊縫高度填充直35mm左右。對構件再次進行翻身，按上述方式焊接填充及蓋面。之后再次對構件翻身完成其余兩條焊縫的填充蓋面。

2.4.4 焊后保溫及焊縫檢測

主焊縫完成蓋面后，對箱體4道主焊縫兩側整體進行火焰加熱，直至焊縫溫度達到350℃。達到加熱溫度后，立即用硅酸鋁材質保溫材料采用包裹的方式進行保溫，并定時對焊縫溫度進行監測，時間間隔為0.5h，若時間間隔內溫度降≥100℃，應立即進行補熱，務必保證焊縫熱損耗＜100℃/0.5h，同時做好保溫處理［6］。以本工程加工構件最厚鋼板（100mm厚）為例，焊后保溫時間應≥2h，若在2h內焊縫熱損耗超過規定范圍，則說明后熱不成功，需及時進行補熱工作。保溫時間持續2h。之后，取下保溫棉，對箱體自然降溫至室溫，48h后采用超聲波進行內部缺陷探傷。經過檢測后，構件合格率達到100%，滿足要求。

2.5 上下柱對接工藝及質量控制

（1）下柱上表面端銑：上下柱對接時，必須保證對接面水平光滑，因此，將已探傷合格的下柱轉運至端銑機處，進行端銑。

（2）上下柱對接工藝：將已端銑完成的上柱與對應下柱進行對接，采用螺栓調節方式對對接處進行微調，對接好后用馬板做臨時固定，加裝柱底板與柱腳加筋板。

（3）對接環縫焊接及吊裝：完成上下柱對接后，為防止柱底板變形，先焊接柱腳加筋板，之后，同時對柱底板和對接環縫施焊。

對接后的構件重量最大可達15t，因此，為保證構件翻身時的人身安全，采用平衡梁對構件進行起吊。

3 結束語

本文以新疆寶能城二期鋼結構項目為例，分析了大尺寸變截面厚板箱體在冬季加工的難點。該工程的實踐證明，低溫下大尺寸變截面厚板箱體的加工必須在氣割下料、坡口加工、變截面箱體拼裝、箱型柱主焊縫焊接、上下柱對接等方面加強質量控制，才能確保工程質量。