摘要：近年來，隨著各類特大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程的涌現(xiàn)，普通的鋼節(jié)點從制作、安裝和受力角度，已不能滿足工程需要。鑄鋼節(jié)點的應(yīng)用很好的解決了這一難題，由于鑄鋼節(jié)點的復(fù)雜性，與之連接的桿件常為非鑄鋼不同材質(zhì)，節(jié)點焊接難度也越來越大，特別是多桿件匯交形成的復(fù)雜節(jié)點;為滿足節(jié)點構(gòu)造要求和現(xiàn)場吊裝要求，一些超長、超厚不同材質(zhì)間焊接焊縫在施工現(xiàn)場進(jìn)行焊接也就在所難免，而不同材質(zhì)鋼材的可焊性程度、焊接參數(shù)、焊接應(yīng)力和變形控制等受現(xiàn)場條件、焊接位置及環(huán)境的影響，存在較多的不確定性因素，尚無成熟的規(guī)范及焊接工藝參數(shù)作參照。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)雜條件,異種鋼材,焊接

　　一、前言

　　近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、產(chǎn)鋼量的提高，鋼結(jié)構(gòu)工程由于其優(yōu)越的力學(xué)和環(huán)保節(jié)能等性能得到了迅速的發(fā)展，特別是2008年奧運會、2010年上海世博會等大型體育場館、公共建筑、構(gòu)筑物以及大跨度的廠房及市政公用工程等建設(shè)方興未艾，給我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　本文通過在 “黃金樹”的現(xiàn)場焊接中，以56個超大型復(fù)雜多枝管狀鑄鋼節(jié)點與大直徑鋼管的焊縫的成功焊接，總結(jié)了一整套關(guān)于異種材質(zhì)、大直徑鋼管、全位置的現(xiàn)場焊接思路和方法。

　　二、技術(shù)控制重點、難點

　　2.1 異種材質(zhì)焊接：鑄鋼件材質(zhì)為ZG275-485H，無縫鋼管材質(zhì)為Q345B;

　　2.2 不等壁厚的對接焊：鑄鋼件壁厚為40mm，鋼管壁厚為22mm或19mm;

　　2.3 焊接全部為高空管全位置焊接，相當(dāng)部分接頭焊縫呈斜向?qū)?，仰焊部位較多;

　　2.4 空間狹窄材料厚度自12mm-22mm，“黃金樹”的枝叉多達(dá)3至10個枝叉，需經(jīng)常調(diào)整焊接作業(yè)位置和變更工藝參數(shù)，

　　2.5 防止出現(xiàn)焊接裂紋等質(zhì)量問題：鑄鋼件接頭必須連續(xù)完成，一氣呵成，否則將有出現(xiàn)裂紋的危險;

　　2.6 焊接變形應(yīng)嚴(yán)格控制：根本上減少焊接拘束，保證焊接應(yīng)力釋放自由，防止應(yīng)力受約束過大，導(dǎo)致樹結(jié)構(gòu)整體變形過大。

　　三、適用范圍

　　不同材質(zhì)、不同壁厚鋼材現(xiàn)場全位置焊接。

　　四、工藝原理

　　通過對“黃金樹”整個模型的分析，結(jié)合構(gòu)件安裝校正的數(shù)據(jù)，制定和優(yōu)化焊接方案，通過對實驗節(jié)點的現(xiàn)場焊接，掌握實際焊接參數(shù)，制訂焊接工藝指向書，確定焊接參數(shù)?，F(xiàn)場采用優(yōu)化焊接順序，對稱焊接，反焊接變形措施，一次完成單個鑄鋼節(jié)點的焊接。通過觀測焊后節(jié)點變形數(shù)據(jù)，確定下一節(jié)點的焊接順序，從而完成整個“黃金樹”節(jié)點的焊接，確保焊接質(zhì)量的同時保證構(gòu)件的變形在允許范圍內(nèi)。

　　五、工藝流程

　　分析結(jié)構(gòu)，制訂對策->制定焊接方案->焊接實驗->確定焊接參數(shù)->分析節(jié)點、校正數(shù)據(jù)、確定焊接順序->焊接前準(zhǔn)備，焊縫坡口檢查->焊縫預(yù)熱->焊接->焊縫后熱、保溫->焊縫后熱、保溫->焊縫打磨傷->合格->記錄、驗收

　　六、施工要點

　　6.1 明確目標(biāo)，制定對策

　　6.1.1分析復(fù)雜條件下異種鋼材焊接難度所在，優(yōu)化焊接工藝，從合理的施焊順序入手，重點加強防溫度散失、防大風(fēng)、防潮溫、防驟然降溫等措施的有效設(shè)立。根本上減少焊接拘束，對預(yù)熱、層溫、后熱、保溫等各個有效環(huán)節(jié)予以保證焊縫質(zhì)量。

　　6.1.2 提高技工焊接質(zhì)量意識，加強焊接中行為和焊接結(jié)果監(jiān)控。

　　6.2 焊接措施

　　6.2.1焊接要求

　　鑄鋼件與鋼管的對接為全位置焊接。坡口形式為帶內(nèi)襯管V形坡口(此坡口形式可減少焊縫斷面，減小根部與面縫部收縮差，防止由于焊接應(yīng)力過度集中在近面縫區(qū)產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象)。對接接頭采用手工電弧焊焊接，焊條選用E—5015，直徑選用Φ3.2mm～4mm。整個焊接過程須一次完成，嚴(yán)禁中途停焊，必須從組對、校正、復(fù)驗、預(yù)留焊接收縮量、焊接定位、焊前防護(hù)、清理、預(yù)熱、層間溫度控制、焊接、后溫、保溫、質(zhì)檢等各個工序嚴(yán)格控制，確保接頭焊后質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求及規(guī)范規(guī)定。

　　6.2.2 焊接變形控制

　　1、節(jié)點焊接順序：從下向上，由中間向四周，盡可能減少焊接約束，保證焊接應(yīng)力釋放自由，防止應(yīng)力受約束過大，導(dǎo)致樹整體變形過大。

　　2、鑄鋼節(jié)點所有分枝與對接鋼管安裝、精校到位，方可施焊。

　　3、節(jié)點焊接順序。

　　圖6-2節(jié)點焊接順序平面示意

　　4、節(jié)點分枝焊接順序：

　　本工程節(jié)點分枝多：從3—10個分枝不等，其中431#節(jié)點分枝有10根，節(jié)點接頭越多，相互影響越大。

　　節(jié)點分枝先焊后焊所存在的收縮差，對節(jié)點x、y、z值影響較大：影響到節(jié)點本身空間定位精度、影響到相關(guān)節(jié)點空間安裝、影響到桿件的安裝。

　　先粗桿(熱輸量大)，再細(xì)桿，平面力求對稱施焊。

　　根據(jù)節(jié)點焊前的測量的報告，制定每個分枝焊接順序。

　　5、接頭全位置焊接順序

　　管對接后按天芯分兩個半圓形焊接,都以仰焊部位起焊，以平焊部位收焊。

　　兩個半圓分層對稱施焊,控制焊接接頭水平方向焊接變形。采用多層多道的對稱焊接方法,減小焊接中變形。

　　6、接頭反變形矯正

　　節(jié)點施焊后，必然產(chǎn)生向上微彎變形。

　　采取中性火焰后熱進(jìn)行反彎，上部加熱面積小，下部加熱面積大，從而恢復(fù)接頭。

　　6.3 鑄鋼節(jié)點接頭現(xiàn)場焊接工藝及試驗

　　6.3.1 焊接工藝

　　1、 材質(zhì)：鑄鋼材質(zhì)為ZG275-485H，壁厚40mm;鋼管材質(zhì)為Q345B，壁厚22mm、19mm。

　　2、 焊口形式與數(shù)量：焊縫坡口形式為帶內(nèi)襯管V型坡口。共七個焊口：一根管徑450mm管壁22mm、六根管徑350mm，管壁19mm。

　　3、 焊接方法：采用手工電弧接

　　4、 焊材：本次工藝評定使用的焊材為E5015φ3.2-4.0mm焊條。

　　5、 焊接工藝評定試件的組對：組對要求達(dá)到無污物銹蝕、無缺損、錯邊。

　　6、 焊前鑄鋼件坡口檢查。

　　7、 現(xiàn)場施焊：焊接工藝評定的焊接技工為專業(yè)焊工。

　　8、 焊縫檢驗

　　外觀檢驗：焊波均勻，不得有裂紋、未熔合、夾渣、咬邊、燒穿、弧坑和針狀氣孔等缺陷，焊接區(qū)無飛濺殘留物。

　　無損探傷：對接焊縫試件的UT檢驗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB11345—89有關(guān)規(guī)定，檢驗結(jié)果必須符合GB50205—95表4.7.20I級標(biāo)準(zhǔn)。

　　6.3.2現(xiàn)場焊接工藝評定

　　通過進(jìn)行鑄件與樹枝桿件進(jìn)行多參數(shù)模擬焊接試驗，以確定最佳的焊接參數(shù)及工藝措施;保障接頭的焊縫致密度，力學(xué)性能指標(biāo)及外觀達(dá)到設(shè)計與規(guī)范要求，從而形成適合本工程的鑄鋼鑄造與現(xiàn)場焊接工藝。

　　1、無損檢測

　　X射線檢測：檢測焊縫內(nèi)部是否存在超標(biāo)或危害性缺陷，焊縫根部是否焊透、熔合。超聲波檢測：檢測焊縫內(nèi)部是否存在超標(biāo)或危害性缺陷，焊縫根部是否焊透、熔合。磁粉檢測：檢測焊縫在表面、近表面是否存在裂紋等危害性缺陷。

　　2、里氏硬度檢測：對焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)和母材的硬度檢測。

　　3、機械性能試驗

　　對焊縫進(jìn)行機械性能試驗、評定，明確焊縫的性能是否達(dá)到設(shè)計要求。進(jìn)行拉伸試驗、冷彎試驗、沖擊試驗，試驗結(jié)果見表表6-3。試驗結(jié)果表明：各項檢測均到達(dá)設(shè)計與規(guī)范要求。

　　6.4 異種鋼材現(xiàn)場焊接

　　6.4.1焊口清理與組對

　　組對前先采用銼刀、砂布、盤式鋼絲刷，將鑄鋼件接頭處坡口內(nèi)壁15—20mm處仔細(xì)清除銹蝕及污物。坡口外壁自坡口邊坡10-20mm范圍也必須仔細(xì)除去污物，坡口的清理是工藝重點。由于鑄鋼件的表面光潔度較差，在組對前必須把凹陷處用角向磨光機磨平，坡口表面不得有不平整、銹蝕等現(xiàn)象。無縫鋼管的對接處清理與鑄鋼件相同。組對時不得在鑄鋼件部位進(jìn)行硬性敲打，防止產(chǎn)生裂紋。錯口現(xiàn)象必須控制在規(guī)定允許范圍內(nèi)。

　　6.4.2 焊前檢查

　　鑄鋼(ZG275-485(H))與鋼管(Q345B)對接接頭的焊前檢查由專業(yè)技術(shù)人員檢查，確認(rèn)符合規(guī)程要求后，下達(dá)焊施指令，完善交接手續(xù)。

　　6.4.3 鑄鋼節(jié)點焊前預(yù)熱

　　本工程采用的ZG275—485H鑄鋼件與Q345B無縫管材在焊接時對預(yù)熱、層溫、后溫等要求非常高。故在進(jìn)行預(yù)熱處理時應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行下述要求：預(yù)熱范圍應(yīng)沿焊縫中心兩側(cè)各100mm以內(nèi)進(jìn)行全方位均勻加熱，當(dāng)預(yù)熱溫度、范圍均達(dá)到預(yù)定值后，恒溫20～30分鐘。溫度的測試須在離坡口80～100mm處進(jìn)行，采用紅外線測溫儀感應(yīng)測溫。熱源采用氧—乙炔中性火焰，進(jìn)行加熱時至少使火焰焰蕊距管壁具有不小于100mm的距離且不時繞管運作，以免造成加熱不均勻，單點溫度過高而造成對鑄鋼件的損傷。6.4.4根部焊接

　　全位置管—管對接接頭在焊接根部時，應(yīng)自焊口的最低處中心線10mm處起弧至管口的最高處中心線超過10mm左右止，完成半個焊口的封底焊。另一半焊前應(yīng)將前半部始焊與收尾處用角向磨光機修磨成緩坡狀并確認(rèn)無未溶合現(xiàn)象后，在前半部分焊縫上起弧，焊至前半部分結(jié)束處焊縫上，終了整個管口的封底焊接。由于本工程所使用的鑄鋼件接頭處帶有與鑄件連為一體的管內(nèi)墊板，故根部焊接只須注意襯板與無縫鋼管坡口部分的熔合，并確保焊肉介于3.0mm～3.5mm之間。

　　6.4.5 填充層焊接

　　在進(jìn)行填充焊接前應(yīng)剔除首層焊道上的凸起部分與粘連在坡壁上的飛濺及粉塵，仔細(xì)檢查坡口邊沿有無未溶合及凹陷夾角，如有上述現(xiàn)象必須采用角向磨光機除去，不得傷及坡口邊沿。焊接時注意每道焊道應(yīng)保持在寬8-10mm、厚3-4mm的范圍內(nèi)。運焊時采用小8字方式，焊接仰焊部位時采用小直徑焊條，仰爬坡時電流逐漸增大，在平焊部位再次增大電流密度焊接，在坡口邊注意停頓，以便于焊縫金屬與母材的充分熔合。每一填充層完成后都應(yīng)做與根部焊接完成后相同的處理方法進(jìn)行層間清理，在接近蓋面時應(yīng)注意均勻留出1.5-2mm的坡口深度，不得傷及坡口邊，為面縫做好準(zhǔn)備。

　　6.4.6 面層焊接

　　直接關(guān)系到焊接接頭的外觀質(zhì)量能否滿足質(zhì)量要求，因此在面層焊接時應(yīng)注意選用小直徑焊條，適中的電流、電壓值并注意在坡口邊溶合時間稍長。水平固定口時不采用多道面縫。垂直與斜固定口須采用多層多道焊。嚴(yán)格執(zhí)行多道焊接的原則，焊縫嚴(yán)禁超寬(應(yīng)控制在坡口以外2～2.5mm內(nèi))超高(保持左0.5～3mm)。

　　重點：

　　1、在面層焊接時為防止焊道太厚而造成焊縫加強面超高應(yīng)選用偏大的焊接電壓進(jìn)行焊接。

　　2、 為控制焊縫內(nèi)金屬的含碳量增加，在焊道清理時盡量少使用碳弧氣刨以免刨后焊道表面附著的高碳晶粒無法完全清除，致使焊縫內(nèi)含碳量增加，出現(xiàn)延遲裂紋。

　　3、 為控制線能量，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行多層多道的焊接原則，特別是面層焊接，焊道更應(yīng)控制其寬度不得大于8-10mm。焊接參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定熱輸入量。

　　4、 焊縫成型后要求均勻、圓滑過渡，飽滿、無咬肉、無夾渣、無氣孔、無裂紋。

　　6.4.7后熱與保溫

　　焊接節(jié)點完成后，為保證焊縫中擴散氫有足夠的時間得以逸出及焊接收縮產(chǎn)生的應(yīng)力得以釋放，從而避免產(chǎn)生延遲裂紋出現(xiàn)。焊后必須立即進(jìn)行后熱、保溫處理。后熱時采用氧—乙炔中性焰在焊縫兩側(cè)各100mm內(nèi)全方位均勻烘烤，并有意識將最后加熱處放置在始焊處。經(jīng)表面溫度計在離焊縫80—100mm處測試達(dá)到200—2500C后用不少于4層石棉布緊裹并用扎絲捆緊，保溫至少須達(dá)4小時以上，確保接頭區(qū)域達(dá)環(huán)境溫度后方能拆除。

　　6.4.8焊縫的無損檢測

　　焊縫在外觀檢查合格的前提下，經(jīng)焊后≥24小時冷卻使鋼材晶相組織穩(wěn)定后，按圖紙要求對焊縫進(jìn)行超聲波無損檢測，執(zhí)行GB-11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和結(jié)果分級，規(guī)定的檢驗等級并出具探傷報告。為確保鑄鋼件出現(xiàn)焊后撕裂現(xiàn)象的及時發(fā)現(xiàn)，將對具有代表性的重要承力節(jié)點進(jìn)行跟蹤復(fù)檢、監(jiān)控。監(jiān)控點計劃24小時進(jìn)行一次，共約30天，每日均須出具復(fù)檢結(jié)果。

　　七、主要機具、設(shè)備

　　CO2氣體保護(hù)焊焊機5臺，烤槍5把，CO2氣體、氧氣、乙炔若干，紅外線測溫儀2臺。

　　八、勞動力配備

　　焊工10人，普工10人， 探傷2人， 測量4人

　　九、質(zhì)量控制

　　9.1 預(yù)先試驗：限定試件為429#鑄鋼節(jié)點，比例為1：1，通過對鑄件與樹枝桿件進(jìn)行多參數(shù)模擬焊接與試驗檢測，以確定最佳的焊接參數(shù)及工藝措施。

　　9.2 過程控制：首先控制黃金樹整體焊接變形：采取從下向上，由中間向四周焊接順序，盡可能減少焊接約束，并制定每個節(jié)點的焊接順序;控制節(jié)點各分枝焊接相互變形：先粗桿(熱輸量大)，再細(xì)桿，平面力求對稱施焊;根據(jù)節(jié)點焊前的測量的報告，調(diào)整節(jié)點每個分枝焊接順序;控制單個接頭焊接變形：管對接后按天芯分兩個半圓形焊接,都以仰焊部位起焊，以平焊部位收焊。即按仰焊、仰立焊、立焊、立平焊、平焊等順序焊接。同時采取接頭反變形矯正措施。

　　9.3 焊后檢驗：對所有的焊縫進(jìn)行100%的超聲波探傷。

　　9.4 通過應(yīng)力應(yīng)變測試，對結(jié)構(gòu)焊前、焊后、拆除胎架后引起的內(nèi)力變化進(jìn)行跟蹤觀測，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，確保焊接引起的內(nèi)力設(shè)計應(yīng)力值。

　　十、安全注意事項

　　10.1由于現(xiàn)場為高空全位置焊接，必須搭設(shè)牢固的焊接平臺，并設(shè)置安全網(wǎng)，施工人員必須按規(guī)定掛牢安全帶。

　　10.2 注意防火，焊接前清理作業(yè)區(qū)易燃易爆物品，設(shè)置足夠的滅火器和消防用水。

　　10.3 注意天氣情況，密切關(guān)注天氣預(yù)報，必要使設(shè)置防雨棚，以防焊接中途停頓。

　　十一、結(jié)語

　　“黃金樹”結(jié)構(gòu)，設(shè)計按照“樹”的生長機理，由下至上按照主干、粗枝、中枝和端枝組成結(jié)構(gòu)體系，多根鋼管桿件以不同的角度匯交于一點，組成樹形的空間三維體系，主干從一層6m標(biāo)高開始為四根鋼—混凝土柱結(jié)構(gòu)，主干上伸出的枝用鋼管做成。主干及各枝的連接處采用鑄鋼節(jié)點，鑄鋼節(jié)點為多根420mm和390mm大直徑鋼管直接匯交，隨著樹枝的生長，四個主干的支出的樹枝鋼管交錯、匯集，最終在頂部形成一個整體屋蓋，主桿件共計216根，連接黃金樹端枝的構(gòu)件作為主梁，在主梁的各面上設(shè)置次梁。兩棵樹最高點40m，投影面積約3400平方米，匯交節(jié)點共計67個，67個鑄鋼節(jié)點形狀各異，沒有兩個是完全相同的，伸出的枝管數(shù)量由3個到10個不等。鋼結(jié)構(gòu)工程量約1200t。

　　經(jīng)過對焊接環(huán)境的著意保護(hù)、焊接工藝優(yōu)化和監(jiān)控、焊接過程各道工序的有效制約，經(jīng)過極嚴(yán)格的100%無損檢測的檢查，本工程焊縫一次合格率為100%。

　　本項目異種鋼材復(fù)雜條件下焊接取得了成功，為建筑用鑄鋼在大型、復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑推廣與應(yīng)用創(chuàng)造了先河。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、 戴為志，劉景鳳 著《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)：“鳥巢”焊接工程實踐》 化學(xué)工業(yè)出版社 2008-03-01

　　2、 張耀春著 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》 高等教育出版社; 第1版 (2011年1月1日)