CN111168271A - 一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于中厚板大截面箱型柱的焊接工艺方法，对同一大截面中厚板箱型柱进行分段分工作班次焊接，合理划分施工段组织流水施工，在整个截面焊缝闭合之前，焊接产生的内应力已逐步释放，结合焊后热处理措施，使焊接残余应力大量消除，该焊接工艺方法能适时有效的释放焊接应力，防止焊接产生裂纹等缺陷，对焊接质量提升有利，提高了焊接质量一次合格率，对节约工期、成本控制有利。

Description

一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及一种箱型柱的焊接方法，具体涉及一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法。

背景技术

钢结构不仅使建筑工程具有了更大的跨度空间，同时还存在安装便利、建造成本低、抗震性好、节能环保等优势，因此使得其在建筑工程中的应用越来越广泛。随着我国城市化进程的进一步发展，大跨度超高层建筑数量急剧增长，使得大截面中厚板箱型柱对接焊的应用也越来越普遍。然而，在钢结构箱型柱对接焊接过程中，由于母材焊材的选用、坡口设计、焊接顺序、焊接工艺参数、焊工个体水平差异等原因，导致焊接产生的应力难以及时释放或过大而产生有害裂纹等质量缺陷，造成返工而影响工期，增加成本。如何在大截面中厚板箱型柱焊接过程中适时释放焊接应力，防止焊接产生裂纹等缺陷，从而提升焊接质量至关重要。

例如授权公告号为CN104842081B的中国专利公开了厚板焊接方法及焊接卡具，其中在左侧母材右端面和右侧母材左端面之间呈V型坡口，直至还需一道至三道连续焊接就能完成焊接。从而达到焊后呈现微变形及实现焊缝与母材成分等值的目的。但是其左侧母材和右侧母材并非相互垂直，其通过预制V型坡口，能够在非填丝的情况下逐层熔化焊接母材作为填充物来完成厚板焊接操作，从而达到减小焊接变形及减少填丝数量的方法难以适用箱型柱厚板焊接作。公布号为CN108161297A的中国专利公开了一种箱型柱后半焊接工艺及焊接变形控制方法，其中采用多把焊枪同时进行焊接，实现中厚板的多层单道焊接，改善了中厚板结构件。但是钢结构箱型柱厚板焊接步骤讲究，多把焊枪同时进行焊接的方法在大截面箱型柱的焊接中并不合适。公布号CN110270737A的中国专利公开了一种钢结构箱型柱的焊接工艺，将箱体拆分成若干个箱体壁板单元，分别进行组装焊接，保证板单元的加工质量，然后再进行箱体的整体组装，此方法适用于箱型柱在工厂内加工制造，且为纵向角接焊缝的焊接技术，箱型柱箱体截面净尺寸最大为600*600*26mm，不适用施工现场的箱型柱的焊接。

因此，提供一种在施工现场需经多个工作班次才能完成同一截面的全部焊接工作、且箱型柱箱体截面尺寸较大的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，已是一个值得研究的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，包括以下步骤：

（1）焊接应遵循的总体原则：箱型柱的上下柱四条外箱对接横缝及腔内十字型对接横缝的焊接总体遵循先内部后外部、前后左右对称，同时同向同规范施焊的原则；

（2）焊接顺序及区段划分：

A.首先将焊接区域分为八个区段，分别为①区段、②区段、③区段、④区段、⑤区段、⑥区段、⑦区段和⑧区段，焊接顺序为①区段→②区段→③区段→④区段→⑤区段→⑥区段→⑦区段→⑧区段，其中①-⑥区段由2名焊工同时施焊，⑦区段由6名焊工同时施焊，⑧区段由4名焊工同时施焊，在⑦区段完成后拆除临时固定措施卸载，间隔时间不少于24h，相对于已完焊缝达到了自然加载的目的；

B.具体的依据焊工的平均焊接效率，就同一箱型柱合理划分施工段，进行分段对称同时同向采用多层多道焊接；

C.外箱由4-6名焊工同时作业，每名焊工日平均焊接长度最大为1.0-1.2m；腔内安排2名焊工同时作业，每名焊工日平均焊接长度最大为0.8-1.0m，完成同一柱子一个截面焊接工作需至少8天；

D.由于特殊原因禁止夜间作业，因此，每名焊工须保证每工作班下班前各自负责的焊接区段施焊至保留最后一层盖面未施焊，待同一箱型柱同一截面划分的焊接区段全部施焊完成至最后一层盖面未施焊时，再进行盖面施焊，盖面施焊须在一个工作班内连续进行完成，不得间断；

（3）材料选择及焊接方法：

箱型柱箱体的母材为Q390GJC钢，焊材为ER50-6焊丝，焊接方法为GMAW，焊接设备为YD-500FR2焊机，经试验计算母材碳当量（%）CEV(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.43%＞0.4%，碳当量CEV大于0.4%时，钢材焊接时基本上有淬硬倾向，当冷却速度过快时，有可能产生马氏体淬硬组织，当板件较厚、焊接填充量大、拘束应力和扩散氢含量较高时，就须采取适当措施来防止冷裂纹产生，焊接时须采取有效措施来改善焊接性能和保证焊接质量；

（4）接头坡口设计：中厚板坡口设计时，需要注意焊接时焊枪焊丝的可达性，尽量减少焊缝金属量，减小变形量，确保焊缝熔透和内部质量；

（5）焊接前注意事项：对焊接设备进行检查，确保焊机工作性能正常，电流表、电压表指示正常，CO2流量计正常，加热正常；确保焊材的规格、牌号符合工艺评定要求；焊接工程师需对焊接工艺进行交底；焊接环境温度、湿度、风速等应符合焊接要求，必要时采取防护措施；焊接接头清理工作完成，焊前砂轮打磨，确保焊道周围及焊道层间清洁，无熔渣、无锈迹飞溅毛刺等；

（6）焊前预热温度：计算出预热温度T1=80℃，考虑北方气候及露天作业条件，最终将预热温度定位110℃-130℃之间；

（7）施焊：GMAW焊接作业区的最大风速不超过2m/s，分段区间内采用多层多道焊，严格执行焊接工艺评定规定的参数，打底焊时，焊接速度控制在15-20cm/min，填充和盖面焊接速度控制在25-35cm/min；分段焊接接头需留置成层状斜坡形式，斜坡坡度宜为1:1.5，以增加接头结合面积，以实现接口焊时的平缓过渡，提升焊接质量；同时要进行层间温度控制；

（8）焊后热处理：采取焊后立即进行热处理的方式，大大降低氢在焊缝中的含量，可有效减小焊接应力，预防延迟裂纹的产生；依据经验公式(150+t)h/100计算得最短保温时间不应小于2.78h，后热最低温度T2=455.5CEV-114=82℃，宜为90℃-110℃之间；采用电热板加热保温法，当达到计算保温时间后，再自然冷却。

所述步骤（6）中的加热方式采用火焰加热和电热板加热两种方式配合使用，考虑板件较厚，加热时间较长，加热面积较大，把加热分两个阶段，开始阶段采用火焰均匀加热，预热范围不小于坡口两侧各两倍板厚范围，且不小于150㎜，当板件表面温度达到70℃以上时，改用电加热至板件表面温度达110℃-130℃之间。

所述步骤（6）中的测温方式采用红外线测温仪，测温时间选择在停止加热2min后，测温点宜在板件的正反面的焊道两侧各60mm处，测距宜在200-250mm之间。

所述步骤（7）中的层间温度控制，多层多道焊的后一层会对上一层进行热处理，但层间温度也不能过高，宜控制在130℃-200℃之间。

所述步骤（7）中，同一焊接区段内焊缝尽量一次完成，否则应采取焊后保温缓冷，在重新施焊前应按要求进行重新预热处理；焊接时，严格控制摆弧宽度，摆弧宽度控制在10mm-18mm之间，每层焊厚不超过4mm；每焊完一层用手动打磨机或风铲清除焊道内氧化物和药皮，并仔细检查焊道内是否存在缺陷，如果有应进行清除后方可焊接；严禁在工件表面进行打火、起弧，工件表面严禁电弧擦伤；在去除引、熄弧板时，应离开板件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用电动打磨机磨除根部，严禁伤及母材；焊接完成后48h后进行无损检测。

所述步骤（4）中接头坡口的角度为42.6-45°，坡口根部半径为5-8mm。

积极有益效果：本发明对同一大截面中厚板箱型柱进行分段分工作班次焊接，合理划分施工段组织流水施工，由于焊接工序的循环交替进行，特别是焊接顺序之间存在昼夜间隔时间，在整个截面焊缝闭合之前，焊接产生的内应力已逐步释放，结合焊后热处理措施，使焊接残余应力大量消除，该焊接工艺方法能适时有效的释放焊接应力，防止焊接产生裂纹等缺陷，对焊接质量提升有利，提高了焊接质量一次合格率，对节约工期、成本控制有利。

附图说明

图1为本发明大截面箱型柱分段焊接区段划分及焊接顺序示意图；

图2为本发明大截面箱型柱接头形式示意图；

图3为本发明大截面箱型柱接头坡口形式设计示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，包括以下步骤：

步骤（1）焊接应遵循的总体原则：箱型柱的上下柱四条外箱对接横缝及腔内十字型对接横缝的焊接总体遵循先内部后外部、前后左右对称，同时同向同规范施焊的原则。

步骤（2）焊接顺序及区段划分：

A.如图1所示，首先将焊接区域分为八个区段，分别为①区段、②区段、③区段、④区段、⑤区段、⑥区段、⑦区段和⑧区段，焊接顺序为①区段→②区段→③区段→④区段→⑤区段→⑥区段→⑦区段→⑧区段，其中①-⑥区段由2名焊工同时施焊，⑦区段由6名焊工同时施焊，⑧区段由4名焊工同时施焊，在⑦区段完成后拆除临时固定措施卸载，间隔时间不少于24h，相对于已完焊缝达到了自然加载的目的；

B.具体的依据焊工的平均焊接效率，就同一箱型柱合理划分施工段，进行分段对称同时同向采用多层多道焊接；

C.外箱由4-6名焊工同时作业，每名焊工日平均焊接长度最大为1.0-1.2m；腔内安排2名焊工同时作业，由于腔内空间限制，焊接难度大，每名焊工日平均焊接长度最大为0.8-1.0m，因此，完成同一柱子一个截面焊接工作需至少8天；

D.由于特殊原因禁止夜间作业，因此，每名焊工须保证每工作班下班前各自负责的焊接区段施焊至保留最后一层盖面未施焊，待同一箱型柱同一截面划分的焊接区段全部施焊完成至最后一层盖面未施焊时，再进行盖面施焊，盖面施焊须在一个工作班内连续进行完成，不得间断。

步骤（3）材料选择及焊接方法：

箱型柱箱体截面净尺寸达到3400*2300*60mm，单柱总重达103吨，母材为Q390GJC钢，焊材为ER50-6焊丝，焊接方法为GMAW，焊接设备为YD-500FR2焊机，经试验计算母材碳当量（%）CEV(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.43%＞0.4%，碳当量CEV大于0.4%时，钢材焊接时基本上有淬硬倾向，当冷却速度过快时，有可能产生马氏体淬硬组织，尤其当板件较厚、焊接填充量大、拘束应力和扩散氢含量较高时，就须采取适当措施来防止冷裂纹产生，所以焊接时须采取有效措施来改善焊接性能和保证焊接质量。

步骤（4）如图3所示，接头坡口设计：中厚板坡口设计时，需要注意焊接时焊枪焊丝的可达性，尽量减少焊缝金属量，减小变形量，确保焊缝熔透和内部质量；所述步骤（4）中接头坡口的角度为42.6°，坡口根部半径为5mm。

步骤（5）焊接前注意事项：对焊接设备进行检查，确保焊机工作性能正常，电流表、电压表指示正常，CO2流量计正常，加热正常；确保焊材的规格、牌号符合工艺评定要求；焊接工程师需对焊接工艺进行交底，让每名焊工对焊接工艺了解清楚；焊接环境温度、湿度、风速等应符合焊接要求，必要时采取防护措施；焊接接头清理工作完成，焊前砂轮打磨，确保焊道周围及焊道层间清洁，无熔渣、无锈迹飞溅毛刺等。

步骤（6）焊前预热温度：计算出预热温度T1=80℃，考虑北方气候及露天作业条件，最终将预热温度定位110℃-130℃之间；加热方式采用火焰加热和电热板加热两种方式配合使用，考虑板件较厚，加热时间较长，加热面积较大，把加热分两个阶段，开始阶段采用火焰均匀加热，预热范围不小于坡口两侧各两倍板厚范围，且不小于150㎜，当板件表面温度达到70℃以上时，改用电加热至板件表面温度达110℃-130℃之间；所测温方式采用红外线测温仪，测温时间选择在停止加热2min后，测温点宜在板件的正反面的焊道两侧各60mm处，测距宜在200-250mm之间。

步骤（7）施焊：如图2所示，GMAW焊接作业区的最大风速不超过2m/s，否则必须采取有效的防风措施；分段区间内采用多层多道焊，严格执行焊接工艺评定规定的参数，特别注意的是打底焊时，焊接速度应适当降低，控制在15-20cm/min，填充和盖面焊接速度可适当提高，控制在25-35cm/min；分段焊接接头需留置成层状斜坡形式，斜坡坡度宜为1:1.5，可适当减小，以增加接头结合面积，以实现接口焊时的平缓过渡，提升焊接质量；同时要进行层间温度控制；层间温度控制，多层多道焊的后一层会对上一层进行热处理，但层间温度也不能过高，宜控制在130℃-200℃之间；焊接过程中，同一焊接区段内焊缝尽量一次完成，否则应采取焊后保温缓冷，在重新施焊前应按要求进行重新预热处理；焊接时，严格控制摆弧宽度，摆弧宽度控制在10mm-18mm之间，每层焊厚不超过4mm；每焊完一层用手动打磨机或风铲清除焊道内氧化物和药皮，并仔细检查焊道内是否存在缺陷，如果有应进行清除后方可焊接；严禁在工件表面进行打火、起弧，工件表面严禁电弧擦伤；在去除引、熄弧板时，应离开板件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用电动打磨机磨除根部，严禁伤及母材；焊接完成后48h后进行无损检测。

步骤（8）焊后热处理：采取焊后立即进行热处理的方式，大大降低氢在焊缝中的含量，可有效减小焊接应力，预防延迟裂纹的产生；依据经验公式(150+t)h/100计算得最短保温时间不应小于2.78h，后热最低温度T2=455.5CEV-114=82℃，宜为90℃-110℃之间；采用电热板加热保温法，当达到计算保温时间后，再自然冷却。

本发明对同一大截面中厚板箱型柱进行分段分工作班次焊接，合理划分施工段组织流水施工，由于焊接工序的循环交替进行，特别是焊接顺序之间存在昼夜间隔时间，在整个截面焊缝闭合之前，焊接产生的内应力已逐步释放，结合焊后热处理措施，使焊接残余应力大量消除，该焊接工艺方法能适时有效的释放焊接应力，防止焊接产生裂纹等缺陷，对焊接质量提升有利，提高了焊接质量一次合格率，对节约工期、成本控制有利。

Claims (6)

1.一种适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）焊接应遵循的总体原则：箱型柱的上下柱四条外箱对接横缝及腔内十字型对接横缝的焊接总体遵循先内部后外部、前后左右对称，同时同向同规范施焊的原则；

（2）焊接顺序及区段划分：

A.首先将焊接区域分为八个区段，分别为①区段、②区段、③区段、④区段、⑤区段、⑥区段、⑦区段和⑧区段，焊接顺序为①区段→②区段→③区段→④区段→⑤区段→⑥区段→⑦区段→⑧区段，其中①-⑥区段由2名焊工同时施焊，⑦区段由6名焊工同时施焊，⑧区段由4名焊工同时施焊，在⑦区段完成后拆除临时固定措施卸载，间隔时间不少于24h，相对于已完焊缝达到了自然加载的目的；

B.具体的依据焊工的平均焊接效率，就同一箱型柱合理划分施工段，进行分段对称同时同向采用多层多道焊接；

C.外箱由4-6名焊工同时作业，每名焊工日平均焊接长度最大为1.0-1.2m；腔内安排2名焊工同时作业，每名焊工日平均焊接长度最大为0.8-1.0m，完成同一柱子一个截面焊接工作需至少8天；

D.由于特殊原因禁止夜间作业，因此，每名焊工须保证每工作班下班前各自负责的焊接区段施焊至保留最后一层盖面未施焊，待同一箱型柱同一截面划分的焊接区段全部施焊完成至最后一层盖面未施焊时，再进行盖面施焊，盖面施焊须在一个工作班内连续进行完成，不得间断；

（3）材料选择及焊接方法：

箱型柱箱体的母材为Q390GJC钢，焊材为ER50-6焊丝，焊接方法为GMAW，焊接设备为YD-500FR2焊机，经试验计算母材碳当量（%）CEV(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.43%＞0.4%，碳当量CEV大于0.4%时，钢材焊接时基本上有淬硬倾向，当冷却速度过快时，有可能产生马氏体淬硬组织，当板件较厚、焊接填充量大、拘束应力和扩散氢含量较高时，就须采取适当措施来防止冷裂纹产生，焊接时须采取有效措施来改善焊接性能和保证焊接质量；

（4）接头坡口设计：中厚板坡口设计时，需要注意焊接时焊枪焊丝的可达性，尽量减少焊缝金属量，减小变形量，确保焊缝熔透和内部质量；

（5）焊接前注意事项：对焊接设备进行检查，确保焊机工作性能正常，电流表、电压表指示正常，CO2流量计正常，加热正常；确保焊材的规格、牌号符合工艺评定要求；焊接工程师需对焊接工艺进行交底；焊接环境温度、湿度、风速等应符合焊接要求，必要时采取防护措施；焊接接头清理工作完成，焊前砂轮打磨，确保焊道周围及焊道层间清洁，无熔渣、无锈迹飞溅毛刺等；

（6）焊前预热温度：计算出预热温度T1=80℃，考虑北方气候及露天作业条件，最终将预热温度定位110℃-130℃之间；

（7）施焊：GMAW焊接作业区的最大风速不超过2m/s，分段区间内采用多层多道焊，严格执行焊接工艺评定规定的参数，打底焊时，焊接速度控制在15-20cm/min，填充和盖面焊接速度控制在25-35cm/min；分段焊接接头需留置成层状斜坡形式，斜坡坡度宜为1:1.5，以增加接头结合面积，以实现接口焊时的平缓过渡，提升焊接质量；同时要进行层间温度控制；

（8）焊后热处理：采取焊后立即进行热处理的方式，大大降低氢在焊缝中的含量，可有效减小焊接应力，预防延迟裂纹的产生；依据经验公式(150+t)h/100计算得最短保温时间不应小于2.78h，后热最低温度T2=455.5CEV-114=82℃，宜为90℃-110℃之间；采用电热板加热保温法，当达到计算保温时间后，再自然冷却。

2.根据权利要求1所述的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤（6）中的加热方式采用火焰加热和电热板加热两种方式配合使用，考虑板件较厚，加热时间较长，加热面积较大，把加热分两个阶段，开始阶段采用火焰均匀加热，预热范围不小于坡口两侧各两倍板厚范围，且不小于150㎜，当板件表面温度达到70℃以上时，改用电加热至板件表面温度达110℃-130℃之间。

3.根据权利要求2所述的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤（6）中的测温方式采用红外线测温仪，测温时间选择在停止加热2min后，测温点宜在板件的正反面的焊道两侧各60mm处，测距宜在200-250mm之间。

4.根据权利要求1所述的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤（7）中的层间温度控制，多层多道焊的后一层会对上一层进行热处理，但层间温度也不能过高，宜控制在130℃-200℃之间。

5.根据权利要求1所述的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤（7）中，同一焊接区段内焊缝尽量一次完成，否则应采取焊后保温缓冷，在重新施焊前应按要求进行重新预热处理；焊接时，严格控制摆弧宽度，摆弧宽度控制在10mm-18mm之间，每层焊厚不超过4mm；每焊完一层用手动打磨机或风铲清除焊道内氧化物和药皮，并仔细检查焊道内是否存在缺陷，如果有应进行清除后方可焊接；严禁在工件表面进行打火、起弧，工件表面严禁电弧擦伤；在去除引、熄弧板时，应离开板件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用电动打磨机磨除根部，严禁伤及母材；焊接完成后48h后进行无损检测。

6.根据权利要求1所述的适用于大截面中厚板箱型柱的焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤（4）中接头坡口的角度为42.6-45°，坡口根部半径为5-8mm。

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