廣州鋼結(jié)構(gòu)中厚板的焊接技術(shù)
廣州鋼結(jié)構(gòu)訊：從20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)得到了空前的發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有非常重要的地位。鋼結(jié)構(gòu)由于自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，包括自重輕、建設(shè)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、造型美觀、維護(hù)方便等，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與鋼產(chǎn)量緊密相關(guān)。我國(guó)已經(jīng)成為世界產(chǎn)鋼大國(guó)，2006年中國(guó)生產(chǎn)鋼已達(dá)4.1億t，其中鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量高達(dá)1.4億t，能源、交通、冶金、機(jī)械、化工、電力、建筑及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的支柱。我國(guó)鋼鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)和住宅鋼結(jié)構(gòu)等產(chǎn)業(yè)與民用建筑，如雨后春筍般涌現(xiàn)，遍布全國(guó)。
與此同時(shí)，建筑鋼結(jié)構(gòu)中厚鋼板得到越來(lái)越大量的使用，如北京新保利大廈項(xiàng)目使用的軋制H型鋼翼板厚度達(dá)到125mm（ASTMA913Gr60），國(guó)家運(yùn)動(dòng)場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）項(xiàng)目用鋼最大板厚達(dá)110mm（Q460E-Z35），大量鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目采用厚鋼板，促進(jìn)了厚鋼板焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也豐富了建筑用鋼的范圍。
厚板焊接
厚板、超厚板焊接時(shí)填充焊材熔敷金屬量大，焊接時(shí)間長(zhǎng)，熱輸進(jìn)總量高，構(gòu)件施焊時(shí)焊縫拘束度高、焊接殘余應(yīng)力大，焊后應(yīng)力和變形大。焊接施焊過(guò)程中，易產(chǎn)生熱裂紋與冷裂紋。
厚板在焊接前，鋼板的板溫較低，在開(kāi)始焊時(shí)，電弧的溫度高達(dá)1250～1300℃，厚板在板溫冷熱驟變的情況下，溫度分布不均勻，使得焊縫熱影響區(qū)輕易產(chǎn)生淬硬——馬氏體組織，焊縫金屬變脆，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大，為避免此類(lèi)情況發(fā)生，厚板焊前必須進(jìn)行加熱。
在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，應(yīng)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制，以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。
1. 定位焊：定位焊是厚板施工過(guò)程中最輕易出現(xiàn)題目的部位。由于厚板在定位焊時(shí)，定位焊處的溫度被四周的“冷卻介質(zhì)”很快冷卻，造成局部過(guò)大的應(yīng)力集中，引起裂紋的產(chǎn)生，對(duì)材質(zhì)造成損壞。解決的措施是厚板在定位焊時(shí)，進(jìn)步預(yù)加熱溫度，加大定位焊縫長(zhǎng)度和焊腳尺寸。
2. 多層多道焊：在厚板焊接過(guò)程中，堅(jiān)持的一個(gè)重要的工藝原則是多層多道焊，嚴(yán)禁擺寬道。這是由于厚板焊縫的坡口較大，單道焊縫無(wú)法填滿(mǎn)截面內(nèi)的坡口，擺寬道焊接造成的結(jié)果是，母材對(duì)焊縫拘束應(yīng)力大，焊縫強(qiáng)度相對(duì)較弱，輕易引起焊縫開(kāi)裂或延遲裂紋的發(fā)生。而多層多道焊有利的一面是：前一道焊縫對(duì)后一道焊縫來(lái)說(shuō)是一個(gè)“預(yù)熱”的過(guò)程；后一道焊縫對(duì)前一道焊縫相當(dāng)于一個(gè)“后熱處理”的過(guò)程，有效地改善了焊接過(guò)程中應(yīng)力分布狀態(tài)，利于保證焊接質(zhì)量。
3. 焊接過(guò)程中的檢查：厚板焊接不同于中薄板，需要幾個(gè)小時(shí)乃至幾十小時(shí)才能施焊完成一個(gè)構(gòu)件，因此加強(qiáng)對(duì)焊接過(guò)程的中間檢查，顯得尤為重要，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)題目，中間檢查不能使施工停止，而是邊施工、邊檢查。如在清渣過(guò)程中，認(rèn)真檢查是否有裂紋發(fā)生。及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理。
4. 厚板對(duì)接焊后，應(yīng)立即將焊縫及其兩側(cè)各100～150mm范圍內(nèi)的局部母材進(jìn)行加熱，加熱時(shí)采用紅外線(xiàn)電加熱板進(jìn)行。加熱溫度到250～350℃后用石棉展蓋進(jìn)行保溫，保溫2～6h后空冷。這樣的后熱處理可使因焊前清潔工作不當(dāng)或焊劑烘焙不當(dāng)而滲透熔池的擴(kuò)散氫迅速逸出，防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。
厚鋼的超聲波檢測(cè)應(yīng)在焊后48h或更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行。如進(jìn)度答應(yīng)，也可在構(gòu)件出廠(chǎng)前再次進(jìn)行檢測(cè)，確保構(gòu)件合格，以免延遲裂紋對(duì)工件的破壞。
厚板焊接變形與焊接應(yīng)力的控制
在焊接過(guò)程中，厚板對(duì)接焊后的變形主要是角變形。實(shí)際生產(chǎn)中，為控制變形，往往先焊正面的一部分焊道，翻轉(zhuǎn)工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉(zhuǎn)工件，這樣如此往復(fù)。一般來(lái)說(shuō)，每次翻身焊接三至五道后即可翻身，直至焊滿(mǎn)正面的各道焊縫。同時(shí)在施焊時(shí)要隨時(shí)觀察其角變形情況，留意隨時(shí)預(yù)備翻身焊接，以盡可能地減少焊接變形及焊縫內(nèi)應(yīng)力。另外，設(shè)置胎模夾具，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行約束來(lái)控制變形，此類(lèi)方法一般適用于異形厚板結(jié)構(gòu)，由于厚板異形結(jié)構(gòu)造型奇異、斷面、截面尺寸各異，在自由狀態(tài)下，尺寸精度難以保證，這就需要根據(jù)構(gòu)件的外形，制作胎模夾具，將構(gòu)件處于固定的狀態(tài)下進(jìn)行裝配、定位、焊接，進(jìn)而來(lái)控制焊接變形。
選擇與控制公道的焊接順序，即是防止焊接應(yīng)力的有效措施，亦是防止焊接變形的最有效的方法之一。根據(jù)不同的焊接方法，制定不同的焊接順序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2氣體保護(hù)焊及手工焊采用對(duì)稱(chēng)法、分散均勻法；編制公道的焊接順序的方針是“分散、對(duì)稱(chēng)、均勻、減小拘束度”。
構(gòu)件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)力，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形，這是客觀規(guī)律。一般在制作過(guò)程中重視的是控制變形，往往采取措施來(lái)增大被焊構(gòu)件的剛性，以求減小變形，而忽略與此同時(shí)所增加的瞬時(shí)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于剛性大、板材厚的構(gòu)件，固然殘余變形相對(duì)較小，但會(huì)產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，甚至導(dǎo)致裂紋。在未產(chǎn)生裂紋的情況下，殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)受載時(shí)內(nèi)力均勻化的過(guò)程中往往導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)、變形甚至破壞。因此焊接應(yīng)力的控制與消除構(gòu)件在制作過(guò)程中顯得十分重要。
控制應(yīng)力的目標(biāo)是降低應(yīng)力的峰值并使其均勻分布。
在焊接較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件外形和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。
在焊接過(guò)程中為了減少焊接熱輸進(jìn)流失過(guò)快，避免焊縫在結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，當(dāng)板厚達(dá)到一定厚度時(shí)，焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)焊縫周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度視板厚及母材碳當(dāng)量（CE）而定。
當(dāng)構(gòu)件上某一條焊縫經(jīng)預(yù)熱施焊時(shí)，構(gòu)件焊縫區(qū)域溫度非常高，伴隨著焊縫施焊的進(jìn)展，該區(qū)域內(nèi)必定產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，而該區(qū)域僅占構(gòu)件截面中很小一部分，此外的部分母材均處于冷卻（常溫）狀態(tài)，由此對(duì)焊接區(qū)域產(chǎn)生巨大的剛性拘束，造成很大應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。若此時(shí)在焊縫區(qū)域的對(duì)稱(chēng)部位進(jìn)行加熱，溫度略高于預(yù)熱溫度，且加熱溫度始終伴隨著焊接全程，則上述應(yīng)力狀況會(huì)大為減小，構(gòu)件變形亦會(huì)大大改觀。
廣州鋼結(jié)構(gòu)固然采取一定措施可控制焊接應(yīng)力，但是大多數(shù)厚板構(gòu)件焊完后仍然存在相當(dāng)大的應(yīng)力，需在構(gòu)件完工后在其焊縫背部或焊縫二側(cè)進(jìn)行烘烤以消除殘余應(yīng)力。
我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)已有了長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展，在物理、化學(xué)、冶金、材料、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等學(xué)科迅猛發(fā)展的今天，隨著新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工藝的不斷涌現(xiàn)，我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)制造與安裝焊接技術(shù)，必將得到更快更好的發(fā)展。新型技術(shù)如：新型數(shù)字化智能化弧焊逆變電源，激光焊接與切割，超高壓電子束焊接，焊接機(jī)器人系統(tǒng)，鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的4C控制技術(shù)，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助加工（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)（CAT）、計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)（CAE）等將逐步涉足建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)水平提升到一個(gè)新的層次。
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