建筑钢结构高强超厚板的焊接

张军烈

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

本文就建筑工程中所采用的超强超厚钢板的现场对接焊接工艺进行研究，通过借鉴相关文献及工程实例[1-2]，在前期进行针对性的工艺设计及试验，试验获得成功后，选择了15°＋20°的双面坡口形式进行完整的工艺评定。根据试验评定的基本焊接环境温度、预热温度、层间温度及后保温时间等技术参数，制定现场焊接工艺指导书，避免了焊接缺陷在各焊接阶段的产生，在保证焊接质量的同时减少了现场焊接工作量，具有一定的经济性和实用性。

1 工程概况

临港科技创新城A0202地块位于上海市浦东新区，工程建筑体量上分为1个裙房和3个塔楼，其中裙房3层，塔楼层数不一（地面以上15～18层）。塔楼建筑外形呈“水晶体”造型，极具现代气息。高强厚板主要分布在裙房桁架区域。主要构件为箱形截面，规格有□2 100 mm× 600 mm×80 mm×120 mm、□800 mm×600 mm×25 mm× 80 mm、□1400 mm×600 mm×25 mm×100 mm、□800 mm× 600 mm×25 mm×80 mm、□900 mm×600 mm×25 mm× 100 mm、材质主要为Q420JG、Q390GJ（图1、图2）。其中60 mm以上厚度的钢板用量达9 000 t。

图1 桁架厚板分布形式

图2 典型构件箱形截面分布

2 高强厚板焊接特点、难点

整个裙房区域高强、厚板焊接工程量大，跨越冬季、夏季施工季节。焊缝形成过程中温差大，易引起整体结构的较大变形，焊缝冷却过程中易产生冷裂纹、撕裂形态。节点区域焊接量大，焊接时整个节点区域受热过于集中，易产生应力集中，形成热裂纹。施工前，须针对高强厚板制定合理的焊接工艺，对工艺实施评定合格后，获取工艺措施和工艺参数；实施过程中须按工艺参数进行严格控制。

3 高强厚板焊接流程

3.1 焊前准备

1）制定合理完善的焊接工艺和坡口形式。

2）高强厚板母材匹配焊接材料检测。

3）进行焊前培训，熟悉高强厚板焊接工艺，制定焊前预热、焊后保温措施。

4）正式施焊前，对焊工进行焊接考试，以确保高强厚板焊接质量。

5）设定焊接最低环境温度为＋5 ℃，低于此环境温度不得施焊。

3.2 控制原则

1）构件安装时不得强行装配，致使产生初始装配应力。2）采用合理的焊接顺序，采取对称焊以及分段焊。

3）预先合理设置收缩余量，缩小结构的变形量。

4）保证预热，对层间温度进行有效控制，降低接头拘束度，减少焊接热影响区范围。

5）采取焊后保温缓冷措施，使接头在冷却时能有足够的塑性和宽度，均匀消除焊接收缩，降低残余应力峰值和平均值。

3.3 焊接过程控制方法

1）高强超厚板现场焊接坡口设计。坡口设计应适用现场作业条件，利于控制焊接变形量，减少焊缝金属填充量，避免应力集中，并确保焊接完全熔透。基于以上需求，主要采用窄间隙坡口形式（图3）。

图3 典型坡口焊缝示意

2）焊接方法与材料选用。采取高效的CO2焊接方法，减少焊接道数。针对Q345B、Q345JGC、Q390GJC材质钢板，采用型号E501T-1药芯焊丝。针对Q420GJC材质钢板，采用型号E551T-1药芯焊丝。箱形构件包含Q390GJC与Q420GJC两种材质钢板时，采用就低原则，选择型号E501T-1药芯焊丝。

3）焊接顺序。以控制应力、应变为准则，详细制定焊接顺序，严禁将合拢焊口布置在杆件应力集中的地方。对于柱-柱的对接施焊，应由2名焊工同时从两侧不同方向焊接，先焊接A、B（或C、D）焊缝高度的40%，再焊接C、D（或A、B）焊缝高度的40%，之后再进行A、B（或C、D）剩余60%焊缝高度的焊接，最后结束C、D（或A、B）焊缝的焊接。当焊缝过长时，应采用分段跳焊法，但要保证两焊工同步，减少变形。在焊接最后一层时需一次焊完，不得分段焊接（图4）。

图4 焊接顺序示意

4）焊缝收缩（主要为横向收缩）对构件的变形影响较大，而收缩量主要与焊接线能量关系密切。为此，在焊接工艺评定时，进行现场模拟接头试验，通过分析相关焊缝收缩量的数据，对实际接头的焊接收缩进行预控。

5）焊接温度控制。高强超厚板火焰预热范围应控制在焊缝坡口两侧宽度不小于板厚的1.5倍且不小于100 mm（温度控制在80～120 ℃），焊接过程中进行层间温度监测，将温度控制在150～220 ℃。如温度过高，应停歇，待温度达到要求后，方可进行施焊。焊接完成后，将厚100 mm保温棉覆盖在焊缝上下各500 mm范围内进行保温缓冷（规范为不小于3倍板厚且不小于200 mm），保温冷却至常温。每个环节通过红外线测温仪控制温度。

4 结语

本工程实施的高强超厚板焊接整套施工工艺、满足规范要求。通过一系列控制措施，有效地保证高强厚板焊接质量达到预期要求，使本工程高强厚板焊接合格率达100%。通过焊前火焰加热、焊后保温缓冷，对比常规焊前电加热、焊后电保温，施工更方便、操作更简单，且保温材料可重复使用，减少用电量，节约能耗。15°＋20°双边坡口在现场对接节点上的使用上具有先进性，可以有效减少现场的焊接工作量。最低＋5 ℃环境温度的焊接条件设定以及厚板焊接保温缓冷方式的实施，在南方地区的钢结构施工工艺措施选择中，具有明显的经济性和实用价值，本文提出的工艺评定参数对于现场焊接工艺研究具有一定的指导意义。