铸钢节点焊接技术

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铸钢节点焊接技术
深圳文化中心黄金树釆用了铸钢件和无缝钢管高空全位置连接形式，异种材质焊接工艺及焊接中节点变形控制。

深圳文化中心采用了黄金树结构，黄金树由主干（劲性混凝土）、树枝（钢管）和树冠（玻璃幕墙）组成，赋予树的想象，起到建筑象征性雕塑的效果。黄金树主干和各枝的连接处采用了铸钢节点，其形式为多根（最多为10根）大直径钢管直接汇交本工程的难点和重点在于异种材质焊接工艺的确定及高空全位置焊接中节点变形控制。

1 施工准备
1.1母材材质的选定       
黄金树采用了铸钢件和无缝钢管高空全位置连接形式。铸钢件材质为ZG275-485H,在综合考虑设本工程采用单一高温回火的焊接后热工艺，使用履带式红外线加热器进行加热和保温，加热范围以焊口中心为基准，每侧不小于焊缝宽度的3倍。
通过采取焊接预热和后热工艺，减少收缩应力（热应力）和焊接残余应力，有效减少了焊接变形。

1.2焊接施工部署及管理
黄金树铸钢节点在整个结构中起连接、承载、传 力作用，为高空全位置焊接，大部分接头焊缝呈斜向 对接，仰侧倾、爬坡焊极多，需经常变换焊接参数和 焊接位置。因此，必须采取合理的作业形式、工艺参 数及质量保证措施。根据焊接特点，选用功率强大、 性能先进、操作者可随时远距离手控电流、电压变幅 的整流式多功能焊机。焊接作业层与安装校正层至少拉开一个整层来减少黄金树在焊接中的变形:黄金树的焊接施工实行项目经理专控，工程技术部、质量部特控下的工段长负责制。焊接的前期准备、焊工的资质鉴定、工艺试验、焊材保管、烘烤领用、工序拟定及交接等实行专人负责的管理制度。

2焊接工艺与步骤
黄金树铸钢件与钢管的焊接采用带内衬管V形坡口，此坡口形式可减少焊缝断面，减少根部与面缝部收缩差，防止由于焊接应力过度集中在近面缝区产生撕裂现象。现场主要采用手工电弧焊焊接， 选用低氢型焊条E-5015,直径3.2-4mm。整个焊接过程须一次完成，严格控制返修，必须对各个工序严格要求，确保焊接质量达到设计及规范要求。

2.1 组对
组对前将铸钢件接头坡口内壁15-20mm的锈蚀及污物仔细清除，用角向磨光机将凹陷处磨平。坡口清理是工艺重点，其表面不得有不平整、锈蚀现象区在组对时严禁对铸钢件进行硬性敲打。

2.2校正预留焊接收缩量
组对后应用专用器具对同心度、曲率过度线认 真核对，确认无误后，用千斤顶把接头处坡口间隙顶 至收弧部大于起焊部1.5-2mm的焊接收缩量，以保证整个焊接节点最终的收缩相等，避免焊接应力的产生，然后进行定位焊。矫正措施若通过以上预防变形的措施，箱形梁仍有微量变形或不符合工艺要求，可采用火焰加热 矫正法，关键在于正确选择加热位置和加热范围。设计、铸造、施工等基础上，接驳段采用半空心半实心的铸钢节点，材料规格为《350 x 40和M50 x 40,无缝钢管材质为Q345B,规格为4350X 19和M50 x 22。

2.3焊前防护及清理
铸钢件接头处的焊接必须搭设操作平台，做好防风雨措施。定位焊的始焊段与收弧处必须用角向磨光机修磨成缓坡状，分段检査并确认无未熔合、裂纹、气孔等焊前缺陷，清除飞溅及粉尘。

2.4焊前预热
本工程采用的ZG275-485H铸钢件与Q345B无 缝钢管在焊接时对预热、层温、后温等要求较高。焊 前预热即是加热阻碍焊接区自由膨胀、收缩的部位， 使其达到预定的温度值。其目的是消除焊接区段骤 冷骤热差、蕴含水分、减缓始焊层温度散失，制约收 缩发生的时间。预热范围应沿焊缝中心两侧100mm 以内进行全位置均匀加热。由于ZG275-485H（厚 40mm）与Q345B（厚19 ~ 22mm）的管壁厚度存在倍差及铸钢节点为半空心半实心体，在对接接头材料中如果从焊缝中心线算起，离开它的距离不同，温度不同，加热和冷却速度也不同，进而在接头金属区域引起不均匀的热应变，并由此产生热应力（理论上，在约束固定的碳钢结构中，若焊接接头金属两个相邻 面间存在100龙的温度差，所引起的不均匀热应力 能达到钢材的屈服极限应力值），故在本工程中采用 如下预热温度值:ZG275-485H 为 220 ~ 250Y , Q345B为18O-2OOY。当预热温度达到预定值后，恒温20-30min。温度的测试须在离坡口80-100mm处采用远红外温度计进行。加热须绕管运作，以免因加 热不均匀、单点温度过高而造成对铸钢件的损伤。

2.5正式焊接
2.5.1根部焊接全位置管-管对接接头在焊接根 部时，应自焊口的最低处中心线10mm处起弧至管 口的最高处中心线超过10mm左右止，完成半个焊 口的封底焊，另一半焊前应将前半部分始焊与收尾 处修磨成缓坡状，在前半部分焊缝上起弧至前半部 分结束焊缝上收弧，完成整个管口的封底焊接，确保 焊肉介于3.0-3.5mm之间。
2.5.2填充层焊接在焊接填充层中，要注意保证 较高的层间温度，使正在焊接的层次与已焊层特别 是近根部层的温度差较小，从而使焊接接头从压应 力状态转变成拉应力状态（焊缝厚度的1/2 ~ 2/3时 易发生）的时间尽可能延长，从根本上避免冷热裂纹 的产生。填充层焊接前应特别注意剔除前层焊道上 的凸起部分与粘附在坡壁上的粉尘，注意消除坡口 边沿条状、豆状未熔合及凹陷夹角。每道焊道应保 持宽8-10mms厚3-4mm.焊时采用小“8”字方式，焊接仰焊部位时釆用小直径焊条，仰爬坡时电流 逐渐增大，在平焊部位再次增大电流密度焊接在坡口边注意停顿，以便于焊缝金属与母材的充分熔合。 在接近盖面时应注意均匀留出1.5-2mm的坡口深度，不得伤及坡口边，为面缝作好准备。
2.5.3面层焊接面层焊接直接关系到焊接接头 的外观质量能否满足要求，因此应注意选用小直径 焊条，适中的电流、电压值并在坡口边熔合时间稍 长。水平固定口的宽幅小于焊条直径的4~5倍时， 可不采用多道面缝，垂直与斜固定口须釆用多层多 道焊。严格执行多层多道焊的原则，以控制线能量的 增加，焊缝严禁超高超宽。在焊道清理时尽量少用碳 弧气刨，以免焊道表面附着的高碳晶粒无法完全清 除，致使焊缝内含碳量增加，从而出现延迟裂纹。
2.5.4层间温度在焊接过程中，焊缝的层间温度 应始终控制在120- 150^0要求焊接过程连续，若 出现停焊后的续焊，则必须加热到规定值后，方可继 续焊接。
2.6后热与保温（消氢处理）
焊接节点完成且尚未冷却前进行后热与保温处 理，即用氧-乙焕中性焰在焊缝两侧各100mm内均匀烘烤，使温度控制在200 - 250r ,用至少4层石棉 布紧裹并用扎丝捆紧，保温至少4h以上，以保证焊 缝的扩散氢有足够的时间逸出，消除氢脆的倾向，稳定金属组织和尺寸，并消除部分残余应力。

2.7焊缝的清理与检测
要求焊缝不得有凹陷、超高、气孔、咬边、未熔合、裂纹等现象，在焊后至少24h后按《钢焊缝手工 超声波探伤方法和探伤结果分级）GB 11345-89对焊 缝进行超声波无损检测，对重要承力节点要进行跟 踪复检监测。

3焊接变形控制

3.1接头全位置焊接顺序
管对接后按天芯分2个半圆焊接，以仰焊部位起焊、平焊部位收焊。釆用分段退焊形式减少焊接变形。按仰焊一仰立焊—立焊一立平焊一平焊等焊接顺序施工。2个半圆分层对称施焊，以控制焊接接头水平方向变形。釆用多层多道焊减少焊接变形。 3.2节点焊接顺序
多个方向接头的黄金树铸钢节点，其安装焊接 精度直接影响到与之相连的钢管的安装和另一端相 连的铸钢节点,特别是要保证冠盖关联节点的精度-依据工艺要求，采用局部热矫改变主焊管的攵，y, z指向，使之在无外力约束条件下完成与铸钢节 点的首次接驳，来逐层消化黄金树躯干部的变形。 通过从内向夕卜，先焊粗杆、再焊细杆，先焊收缩 量较大节点、后焊收缩量较小节点，力求平面对称 施焊，先单独、后整体地分解约束力的合理顺序，从根本上减少焊接变形。
3.3接头反变形矫正

接头完成施焊后，产生向上微弯变形，采取中性 火焰配合后热过程矫正，按照上部加热面积小于下 部加热面积的方式改变热后收缩比，从而恢复接头 位置的平直。

通过采用先进合理的工艺方法加严格科学的管理，有效地控制了箱形梁制作中的焊接变形，经焊后检査各项数据均满足图纸、技术文件要求，并经组对 后实现了35m跨度的箱形梁高空一次性对接成功， 有效地保证了工程进度和质量。