低温下大尺寸变截面厚板箱体加工技术应用分析

杨秉睿

（甘肃省科工建设集团有限公司，甘肃 兰州 730300）

0 引言

钢结构工程中构件在低温下的加工与焊接（即在冬季施工）一直是工程界长期关注的课题。尤其是地处北方的各类厂房、住宅等建筑工程，都可能存在一段很长时间的冬季施工期。随着冬季气温的逐渐降低，以及昼夜温差大的特点，给钢结构构件加工在进度、质量等方面带来诸多不利因素，甚至出现裂纹和工作状态下发生脆断等严重质量问题[1-2]。因此，合理的加工工艺和控制过程是低温下大尺寸变截面厚板箱体加工的关键。本文以新疆宝能城二期钢结构项目为例，分析低温下大尺寸变截面厚板箱体加工技术的应用。

1 低温下大尺寸变截面厚板箱体加工的难点分析

新疆宝能城二期钢结构项目中，其箱体板厚、尺寸大、截面存在变化，冬季施工，困难重重。

1.1 钢板厚度大

以地下一节柱为例，全楼共计42支箱型钢柱（见图1所示），箱体翼腹板最厚可达到100mm，而常规高层建筑钢结构构件厚度在30～50mm。原材取样、气割下料、腹板坡口角度及焊接预热、缓冷温度控制都与常规建筑钢结构构件加工有着很大区别，尤其是厚钢板在加工过程中存在非常大的约束应力，同时，焊接过程中，焊缝冷却速度极快，焊缝一次结晶区域偏析的概率大大增加,若同时施加一定作用的拉应力，则在焊缝中心极易发生结晶裂纹，即产生热裂纹。

图1 钢柱结构图

1.2 构件截面大，重量大，截面存在变化

该项目箱体均分为上中下三节，截面大，且存在变化，截面尺寸从⬇500×1000至⬇1400×1700不等（见图1所示），而超过1200mm截面箱体无法进入常规门式箱型埋弧自动焊机机架内，需使用更为灵活的自动焊焊接设备。同时，构件重量大，最大单件起吊重量可达6.9t，整只构件对接后重量可达15t，构件翻身危险性更大。

1.3 低温环境的影响

该项目构件加工周期1个月，加工量约4000t，工期非常紧张。此加工工期正好处于冬季，温度特点为昼夜温差大，白天最高温度可达到10℃，夜间温度最低下探至-15℃。由于该项目工期紧张，生产用工采用两班倒的形式，因此，较大的昼夜温差以及环境温度的骤变成为厚板箱体加工的关键影响因素。特别是低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是焊缝金属表面裂纹和延迟裂纹[3]。

2 低温下加工工艺及过程控制

2.1 气割下料

下料前：注意提前根据板厚选择匹配型号的割嘴；加工大料前，要求使用枪嘴火焰（注意不要打开切割氧）。为防止钢板淬硬，产生表面冷裂纹，通过在钢板上来回行走的方式（以来回2趟为宜），对钢板进行预热，再进行切割下料。

下料过程：对于40mm厚度以上的钢板，为防止钢板边缘化学成分偏析引起层状撕裂，通常要求下料时对钢板两侧边缘（沿钢板轧制方向）进行修割，修割宽度要求≥50mm。

实验板取样：需按排版图所排方式进行实验板取样，严禁在钢板边缘处下料取样。取好的样品在表面用记号笔标注样品材质、规格及轧制方向，并统一堆放。

2.2 坡口加工工艺及质量要求

开坡口前，根据下料工艺单先复核主板零件外形尺寸；尺寸复核无误后，根据坡口加工图进行划线；经检查核对划线尺寸后，对坡口边进行预热，当预热温度达到规定要求后，采用火焰半自动切割机进行坡口作业[4]。

作业过程中，要求同一主板上的2条坡口加工方向一致；过程中及时复测主板尺寸及坡口尺寸。

坡口完成后，首先检查坡口表面是否平滑，并将锯齿状割纹及豁口打磨至平滑过渡，严禁使用二保焊将割纹豁口补焊填平。

打磨合格后，由专职质检员对坡口进行渗透探伤（PT），检验坡口表面及近表面是否有缺陷。

2.3 变截面箱体拼装工艺及控制

（1）低温下的厚板使用半自动切割机开坡口会因加热产生拱弯等更大的热变形，为抵消这种变形，对已开好坡口的主板进行尺寸、外观复核；对有旁弯、拱弯的板先进行火焰矫正，如图2所示。

图2 主板火焰矫正

（2）对于变截面箱体拼装，关键在于异形尺寸及角度控制要准确。因此，拼装时要利用纵向隔板形状与箱体外形角度尺寸一致的特点对其放样，先将箱型翼缘板放置到位，同时使用厚板边条料作为纵隔板定位支撑料，再将横隔板定位点焊。

2.4 箱型柱主焊缝焊接工艺及质量要求

2.4.1 质量要求

为保证主焊缝打底时不出现夹渣等缺陷，装配箱型柱前，将扁铁打磨至金属光泽后装两侧板，并点焊。

2.4.2 焊前预热

首先根据焊缝热影响区规定即板厚的30%范围，计算本工程热影响区范围为12～30mm；其次计算主焊缝受热宽度为板厚的3倍，即120～300mm不等（该项目箱体厚度为40～100mm）。采用热传导加热方式使用氧气-天然气对主焊缝位置进行烘烤预热。整体对钢柱翼腹板坡口处、热影响区及主焊缝两侧进行加热，预热范围为钢板厚度的3倍，预热温度在100～120℃之间。

2.4.3 层温控制及打底焊过程控制

当焊缝温度达到相应预热温度后，开始施焊。值得注意的是，预热后钢板热量的散失主要发生在第一层焊道敷盖前，因此，为了保证焊缝的层间温度不低于预热温度（100～120℃）且不高于250℃，采用数显测温仪对焊缝侧温度进行监测[5]。测温时，要求一道焊缝间隔600mm记一个监测点，且通条焊缝不少于4个测温点。焊道预热温度在每一段焊道即将引弧施焊前加以核对，若温度不达标，要先加热至100℃后才能继续施焊。当完成第一层焊道敷盖后，层间温度已满足要求且此时热量散失缓慢，后续施焊过程则无需对焊缝再进行加热。

打底焊：为防止焊接变形，采用线能量输出更小的CO2气体保护焊设备进行主焊缝打底。为保证焊缝热输入均匀，要求数个焊工对一个面上的两道焊缝同时对称施焊，直至焊缝高度填充至10mm左右，进行构件翻身，按此方法继续焊接其余两条焊缝，直至焊缝高度填充至30mm左右。焊接完毕，应由数对焊工在焊缝温度冷却前及时清理表面熔渣及飞溅，同时检查外观质量。检查焊道的平面度，并及时对低处进行填充。多道焊时每一道焊缝接头应错开，且每道接头应由下至上呈阶梯状，起始焊接应从坡口侧开始施焊。每一道焊缝焊接完成后，需及时记录施焊位置、焊接电流、焊接电压、焊接前后焊缝温度及构件几何尺寸，同时，及时观察构件变形情况，见如图3所示。

图3 焊接过程检测

焊缝填充：由于超过1200mm截面箱体无法进入常规门式箱型埋弧自动焊机机架内（门式焊机仅能容纳1000mm以内截面箱体），同时考虑到厚板焊接需使用小的线能量多层多道焊接，因此选择单丝小车埋弧焊进行焊缝填充及盖面。焊接前应先检查构件几何尺寸并对箱体内支撑进行加固。为保证焊缝热输入均匀，要求焊工对一个面上的两道焊缝同时进行一层焊缝（需焊接2～3道）作业，直至焊缝高度填充至20mm左右。对构件进行翻身，先将焊缝预热至相应温度，并按此方法继续交替循环焊接其余两条焊缝，直至焊缝高度填充直35mm左右。对构件再次进行翻身，按上述方式焊接填充及盖面。之后再次对构件翻身完成其余两条焊缝的填充盖面。

2.4.4 焊后保温及焊缝检测

主焊缝完成盖面后，对箱体4道主焊缝两侧整体进行火焰加热，直至焊缝温度达到350℃。达到加热温度后，立即用硅酸铝材质保温材料采用包裹的方式进行保温，并定时对焊缝温度进行监测，时间间隔为0.5h，若时间间隔内温度降≥100℃，应立即进行补热，务必保证焊缝热损耗＜100℃/0.5h，同时做好保温处理［6］。以本工程加工构件最厚钢板（100mm厚）为例，焊后保温时间应≥2h，若在2h内焊缝热损耗超过规定范围，则说明后热不成功，需及时进行补热工作。保温时间持续2h。之后，取下保温棉，对箱体自然降温至室温，48h后采用超声波进行内部缺陷探伤。经过检测后，构件合格率达到100%，满足要求。

2.5 上下柱对接工艺及质量控制

（1）下柱上表面端铣：上下柱对接时，必须保证对接面水平光滑，因此，将已探伤合格的下柱转运至端铣机处，进行端铣。

（2）上下柱对接工艺：将已端铣完成的上柱与对应下柱进行对接，采用螺栓调节方式对对接处进行微调，对接好后用马板做临时固定，加装柱底板与柱脚加筋板。

（3）对接环缝焊接及吊装：完成上下柱对接后，为防止柱底板变形，先焊接柱脚加筋板，之后，同时对柱底板和对接环缝施焊。

对接后的构件重量最大可达15t，因此，为保证构件翻身时的人身安全，采用平衡梁对构件进行起吊。

3 结束语

本文以新疆宝能城二期钢结构项目为例，分析了大尺寸变截面厚板箱体在冬季加工的难点。该工程的实践证明，低温下大尺寸变截面厚板箱体的加工必须在气割下料、坡口加工、变截面箱体拼装、箱型柱主焊缝焊接、上下柱对接等方面加强质量控制，才能确保工程质量。