论文部分内容阅读
摘 要 结合某具体工程，针对大跨度重型桁架的厚钢板焊接变形及残余应力控制，着重阐述了焊前、焊中及焊后的过程控制，该工艺简单易行的优点可为相关工程应用提供借鉴。
关键词 钢结构；焊接工艺；厚钢板；焊接变形；残余应力
中图分类号：TU391文献标识码： A
概述
一 工程概况
能达大厦地处南通经济开发区，总建筑面积为119998平方米，地下2层，地上32层，其中裙房为5层，建筑高度为159.0米。
本工程钢结构桁架主要有三部分，位于D区2-C～2-E轴，横跨2-19～2-22轴，共6榀：HJ-1、HJ-2、HJ-3位于三层，跨度33.9m，上弦顶标高9.800m，上下弦中心线高2m，重18.8T；HJ-4，上穿四、五、六层楼面，跨度32.9m，上弦中心标高22.300m，下弦中心标高13.750m，上下弦中心线高9.150m，重75.5T；HJ-5位于六层，顶标高23.400m，桁架高2.2m重32T。涉及的焊接钢板厚度有40、50、55、60、70。
二 难度分析
1、CO2气体保护焊与其他各种自动焊相比，有着独特的优越性，我们必须熟练掌握其再厚钢板对接中的应用，将是本工程顺利施工的重要环节；
2、在前期施工中，焊口一次合格率只有72%，没能充分发挥CO2气体保护焊的优越高效的特点；
3、施工地段环境不理想，特别是1月份以来，室外风力达5级，报告厅内的过堂风有时达7级，对自动焊焊接质量提出更严格的挑战。
三 现状调查
2012年1月1日～1月6日，采用CO2气体保护焊焊接的焊缝共计20道，发现多处质量缺陷，具体见下表1：
表1
由上表可见：焊接变形大占39.84%，焊道裂纹占所有缺陷的35.94%，它们是焊接质量缺陷的主要原因。
四 主要原因确认
1.培训力度不够：由于是对厚钢板进行焊接，之前碰到很少，电焊工对工艺的熟练操作需要一个过程；常规的焊接工艺不能满足要求。这对焊工的技术要求也更高，不经过系统的培训，不足以使大家熟练掌握新工艺的操作要领并焊接出符合要求的高质量焊缝。
2.坡口加工角度不准确：现场采用专用坡口机进行坡口加工，并由专人负责坡口质量检查。
3.环境风速大（可达7级）：施工现场有防风隔挡做保护，风速很小，对焊接质量影响很小。
4.露天作业，受雨天影响：当下阴雨较多，为赶进度不能停止施工，现场场采取了有效的挡雨措施，使雨天对焊接的影响降到最低。
5.填充焊接电流电压偏低：焊接电流、电压的大小直接影响焊接熔宽以及熔深，但是实际焊接过程中，电流电压值都在工艺允许范围之内。
6.焊接材料不合格：所有焊材都从正规厂家采购，专材专用。焊接使用的焊接材料均有出厂合格证明，且在使用前进行报验。复检合格，化学成分、力学性能等指标满足焊接工艺、施工规范要求。
7.焊后未进行高温回火：在焊接结构的适当部位加热使之伸长，加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝方向相反的变形。在加热区冷却收缩时，焊缝就可能比较自由地收缩，从而减少内应力。
8.焊后未用小锤锤击焊缝：可用头部带小圆弧的工具锤击焊缝，使焊缝得到延展，降低内应力，锤击应保持均匀适度，避免锤击过分，以防止产生裂纹。
9.未对材料预热烘焙：焊接时，焊件的局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力；焊丝易受潮，需烘焙并加热。
10.弧形对接角度难控制：弧形角度，对线困难，偏差大了会导致中心线两侧的焊缝不一样大，一方面会使构件与放样图不符，还会引起不均匀热变形。
通过要因论证我们确定影响自动焊焊接质量合格率的主要原因有以下六条：
（1）、培训力度不够
（2）、焊后未进行高温回火
（3）、焊后未用小锤锤击焊缝
（4）、未对材料预热烘焙
（5）、弧形对接角度难控制
五 减少焊接缺陷的各项措施
1加强焊工培训
由组长主持召开全体组员会议，会上大家就影响厚钢板焊接质量的因素畅所欲言，最后达成共识：由于厚钢板的工艺很多焊工不熟悉，加强焊工培训是当务之急，并决定由卢鹏、马飞跃负责对焊工的培训工作。卢鹏给焊工们讲解厚钢板焊接用过程中应注意的问题，厚钢板残余应力的危害，以及焊接变形和焊道裂缝控制的重要意义。并重点讲解了如何采用合理的焊接顺序减少焊接变形。
卢鹏、马飞跃指导焊工进行厚钢板的焊接操作强化培训,讲解在不同位置施焊时应注意的问题。通过讲解以及试焊，电焊工基本适应了厚钢板焊接的工艺。
2加强焊工质量意识教育培训
卢鹏于1月15日组织全体焊工进行质量学习，指出我们存在的主要质量问题为单边未熔合和层间未熔合，要求各工序电焊工要认真施焊，加强自检力度，对可能出现质量问题的部位及时进行打磨、处理；并提醒质检员在加快施焊进度的同时要严把质量关。并进行了操作强化训练。
1月15日晚，组长在住地召集全体焊工进行质量教育，要求焊工认真操作，不出现人为因素影响焊接质量合格率。并宣布了制定的奖罚办法，对电焊工进行奖优罚劣。
通过质量教育，焊缝外观成型有了很大提高，焊道密集气孔、咬边、夹渣、凹陷焊瘤等不再产生。
3采用精密仪器进行定点，并通过弦高进行辅助控制
⑴1月16日上午，卢鹏利用全站仪精确确定弧形构件的外边线的点位，以点定线，作为弧形桁架的外边控制线。
⑵下午卢鹏和马飞跃在地面画出构件的各均匀间隔点的弦高，用以控制弧度。弧形钢梁弦高放样图见下图2：
通过以上两种方法，对弧形钢梁弧度的控制效果很明显。梁中心线两侧各对接焊缝的宽度偏差均在2mm以内。保证了焊缝的角度，减少焊缝的不均匀性，从而达到控制焊接变形的目标。
4对母材及焊材进行预热处理
焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。
构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。预热法经常用于减小合金钢、厚板、刚度大的构件焊接时产生的应力。若构件整体预热有困难时，可采用局部预热，即在焊缝及其两侧不少于80mm处进行加热。
焊材易受潮，施焊前需进行烘焙等热处理，以防止气孔的产生。
1月20日起，我们将所有施焊区域的钢板和焊材均进行预热处理，具体实施由鞠永祥和吴飞负责。残余应力明显改善，气孔也显著减少。
5对构件进行整体或局部回火
焊件用来消除焊接残余应力的高温回火分整体和局部两种方式。
⑴整体高温回火 将整个焊件放在炉中加热到一定温度然后保温一段时间再冷却。同一种材料，回火温度越高，时间越长，残余应力就消除得越彻底。通过整体高温回火可以将80%～90%的残余应力消除掉。
回火时间随焊件厚度而定，钢按每毫米壁厚1～2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力消除效率随时迅速降低，过长的处理时间是不必要的。
⑵局部高温回火 只对焊缝及其附近的局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，但方法设备简单。常用于比较简单的、拘束度较小的焊接结构，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接头等焊接残余应力的消除。局部高温回火可采用气体、红外线、间接电阻或工频感应加热等。
1月19日晚通过小组讨论，并综合考虑经济效益及工期，决定采用局部高温气体加热
1月20日开始，所有焊缝均进行局部高温气体加热回火，由朱春锋负责操作指导。
据测定，局部高温回火消除残余应力的效果可达50%~70%。
.6焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域
焊接残余应力产生的根本原因是，由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力，据测定，利用锤击法可使应力减少1/2～1/4。
进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100～150℃之间或在400℃以上，避免在200～300℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂。
多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。
1月20日起，所有焊工均配备小锤，锤面磨成圆面，每条焊缝焊接后均进行锤击。期间焊接焊缝182道，焊后经检测只有4道不合格。
六 实施效果
通过本次质量通病分析及预防措施的实施，提高了全体自动焊机组人员的质量意识，同时使焊工的操作技能上升到新的台阶。
在实际的管线施工中，通过集体攻关和单项重点攻关成功地解决了外焊道密集气孔、未焊透、单面未熔合和内焊道密集气孔等问题,使该工程的焊接质量有了质的飞跃。钢桁架施工中共焊接282道，質量验收合格率达到了97.8% 。
焊接合格率的大幅提高，有力的保证了工程施工的顺利进行，也大大降低了返修成本。
本工程厚钢板焊接合格率的提高,为以后类似工程积累了宝贵经验。增强了我施工队伍的素质及公司的竞争力。
七 参考文献
[1] 国家标准.GB50017-2003钢结构设计规范[S]。北京：中国计划出版社，2003.
[2] 行业标准. JGJ 81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S]。北京：中国建筑业工业出版社，2002.
[3]杜逸玲.钢结构制作安装工程手册。太原：山西科学技术出版社，2005.
关键词 钢结构；焊接工艺；厚钢板；焊接变形；残余应力
中图分类号：TU391文献标识码： A
概述
一 工程概况
能达大厦地处南通经济开发区，总建筑面积为119998平方米，地下2层，地上32层，其中裙房为5层，建筑高度为159.0米。
本工程钢结构桁架主要有三部分，位于D区2-C～2-E轴，横跨2-19～2-22轴，共6榀：HJ-1、HJ-2、HJ-3位于三层，跨度33.9m，上弦顶标高9.800m，上下弦中心线高2m，重18.8T；HJ-4，上穿四、五、六层楼面，跨度32.9m，上弦中心标高22.300m，下弦中心标高13.750m，上下弦中心线高9.150m，重75.5T；HJ-5位于六层，顶标高23.400m，桁架高2.2m重32T。涉及的焊接钢板厚度有40、50、55、60、70。
二 难度分析
1、CO2气体保护焊与其他各种自动焊相比，有着独特的优越性，我们必须熟练掌握其再厚钢板对接中的应用，将是本工程顺利施工的重要环节；
2、在前期施工中，焊口一次合格率只有72%，没能充分发挥CO2气体保护焊的优越高效的特点；
3、施工地段环境不理想，特别是1月份以来，室外风力达5级，报告厅内的过堂风有时达7级，对自动焊焊接质量提出更严格的挑战。
三 现状调查
2012年1月1日～1月6日，采用CO2气体保护焊焊接的焊缝共计20道，发现多处质量缺陷，具体见下表1：
表1
由上表可见：焊接变形大占39.84%，焊道裂纹占所有缺陷的35.94%，它们是焊接质量缺陷的主要原因。
四 主要原因确认
1.培训力度不够：由于是对厚钢板进行焊接，之前碰到很少，电焊工对工艺的熟练操作需要一个过程；常规的焊接工艺不能满足要求。这对焊工的技术要求也更高，不经过系统的培训，不足以使大家熟练掌握新工艺的操作要领并焊接出符合要求的高质量焊缝。
2.坡口加工角度不准确：现场采用专用坡口机进行坡口加工，并由专人负责坡口质量检查。
3.环境风速大（可达7级）：施工现场有防风隔挡做保护，风速很小，对焊接质量影响很小。
4.露天作业，受雨天影响：当下阴雨较多，为赶进度不能停止施工，现场场采取了有效的挡雨措施，使雨天对焊接的影响降到最低。
5.填充焊接电流电压偏低：焊接电流、电压的大小直接影响焊接熔宽以及熔深，但是实际焊接过程中，电流电压值都在工艺允许范围之内。
6.焊接材料不合格：所有焊材都从正规厂家采购，专材专用。焊接使用的焊接材料均有出厂合格证明，且在使用前进行报验。复检合格，化学成分、力学性能等指标满足焊接工艺、施工规范要求。
7.焊后未进行高温回火：在焊接结构的适当部位加热使之伸长，加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝方向相反的变形。在加热区冷却收缩时，焊缝就可能比较自由地收缩，从而减少内应力。
8.焊后未用小锤锤击焊缝：可用头部带小圆弧的工具锤击焊缝，使焊缝得到延展，降低内应力，锤击应保持均匀适度，避免锤击过分，以防止产生裂纹。
9.未对材料预热烘焙：焊接时，焊件的局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力；焊丝易受潮，需烘焙并加热。
10.弧形对接角度难控制：弧形角度，对线困难，偏差大了会导致中心线两侧的焊缝不一样大，一方面会使构件与放样图不符，还会引起不均匀热变形。
通过要因论证我们确定影响自动焊焊接质量合格率的主要原因有以下六条：
（1）、培训力度不够
（2）、焊后未进行高温回火
（3）、焊后未用小锤锤击焊缝
（4）、未对材料预热烘焙
（5）、弧形对接角度难控制
五 减少焊接缺陷的各项措施
1加强焊工培训
由组长主持召开全体组员会议，会上大家就影响厚钢板焊接质量的因素畅所欲言，最后达成共识：由于厚钢板的工艺很多焊工不熟悉，加强焊工培训是当务之急，并决定由卢鹏、马飞跃负责对焊工的培训工作。卢鹏给焊工们讲解厚钢板焊接用过程中应注意的问题，厚钢板残余应力的危害，以及焊接变形和焊道裂缝控制的重要意义。并重点讲解了如何采用合理的焊接顺序减少焊接变形。
卢鹏、马飞跃指导焊工进行厚钢板的焊接操作强化培训,讲解在不同位置施焊时应注意的问题。通过讲解以及试焊，电焊工基本适应了厚钢板焊接的工艺。
2加强焊工质量意识教育培训
卢鹏于1月15日组织全体焊工进行质量学习，指出我们存在的主要质量问题为单边未熔合和层间未熔合，要求各工序电焊工要认真施焊，加强自检力度，对可能出现质量问题的部位及时进行打磨、处理；并提醒质检员在加快施焊进度的同时要严把质量关。并进行了操作强化训练。
1月15日晚，组长在住地召集全体焊工进行质量教育，要求焊工认真操作，不出现人为因素影响焊接质量合格率。并宣布了制定的奖罚办法，对电焊工进行奖优罚劣。
通过质量教育，焊缝外观成型有了很大提高，焊道密集气孔、咬边、夹渣、凹陷焊瘤等不再产生。
3采用精密仪器进行定点，并通过弦高进行辅助控制
⑴1月16日上午，卢鹏利用全站仪精确确定弧形构件的外边线的点位，以点定线，作为弧形桁架的外边控制线。
⑵下午卢鹏和马飞跃在地面画出构件的各均匀间隔点的弦高，用以控制弧度。弧形钢梁弦高放样图见下图2：
通过以上两种方法，对弧形钢梁弧度的控制效果很明显。梁中心线两侧各对接焊缝的宽度偏差均在2mm以内。保证了焊缝的角度，减少焊缝的不均匀性，从而达到控制焊接变形的目标。
4对母材及焊材进行预热处理
焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。
构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。预热法经常用于减小合金钢、厚板、刚度大的构件焊接时产生的应力。若构件整体预热有困难时，可采用局部预热，即在焊缝及其两侧不少于80mm处进行加热。
焊材易受潮，施焊前需进行烘焙等热处理，以防止气孔的产生。
1月20日起，我们将所有施焊区域的钢板和焊材均进行预热处理，具体实施由鞠永祥和吴飞负责。残余应力明显改善，气孔也显著减少。
5对构件进行整体或局部回火
焊件用来消除焊接残余应力的高温回火分整体和局部两种方式。
⑴整体高温回火 将整个焊件放在炉中加热到一定温度然后保温一段时间再冷却。同一种材料，回火温度越高，时间越长，残余应力就消除得越彻底。通过整体高温回火可以将80%～90%的残余应力消除掉。
回火时间随焊件厚度而定，钢按每毫米壁厚1～2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力消除效率随时迅速降低，过长的处理时间是不必要的。
⑵局部高温回火 只对焊缝及其附近的局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，但方法设备简单。常用于比较简单的、拘束度较小的焊接结构，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接头等焊接残余应力的消除。局部高温回火可采用气体、红外线、间接电阻或工频感应加热等。
1月19日晚通过小组讨论，并综合考虑经济效益及工期，决定采用局部高温气体加热
1月20日开始，所有焊缝均进行局部高温气体加热回火，由朱春锋负责操作指导。
据测定，局部高温回火消除残余应力的效果可达50%~70%。
.6焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域
焊接残余应力产生的根本原因是，由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力，据测定，利用锤击法可使应力减少1/2～1/4。
进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100～150℃之间或在400℃以上，避免在200～300℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂。
多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。
1月20日起，所有焊工均配备小锤，锤面磨成圆面，每条焊缝焊接后均进行锤击。期间焊接焊缝182道，焊后经检测只有4道不合格。
六 实施效果
通过本次质量通病分析及预防措施的实施，提高了全体自动焊机组人员的质量意识，同时使焊工的操作技能上升到新的台阶。
在实际的管线施工中，通过集体攻关和单项重点攻关成功地解决了外焊道密集气孔、未焊透、单面未熔合和内焊道密集气孔等问题,使该工程的焊接质量有了质的飞跃。钢桁架施工中共焊接282道，質量验收合格率达到了97.8% 。
焊接合格率的大幅提高，有力的保证了工程施工的顺利进行，也大大降低了返修成本。
本工程厚钢板焊接合格率的提高,为以后类似工程积累了宝贵经验。增强了我施工队伍的素质及公司的竞争力。
七 参考文献
[1] 国家标准.GB50017-2003钢结构设计规范[S]。北京：中国计划出版社，2003.
[2] 行业标准. JGJ 81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S]。北京：中国建筑业工业出版社，2002.
[3]杜逸玲.钢结构制作安装工程手册。太原：山西科学技术出版社，2005.