鑄鋼件與無縫鋼管焊接技術(shù)

2012-06-0310:39:4626.53%鑄鋼件與無縫鋼管焊接技術(shù)華東分公司臧鹽龍摘要：本文結(jié)合京滬高速鐵路鎮(zhèn)江南站站房工程鑄鋼件同無縫鋼管焊接施工中一些技術(shù)工作及相關(guān)經(jīng)驗，通過設(shè)計院的相關(guān)設(shè)計文件及現(xiàn)場焊接工藝的指導(dǎo)，經(jīng)過權(quán)威專家的評審，最終根據(jù)焊接的成果總結(jié)出了在管桁架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場安裝中鑄鋼件同無縫鋼管的焊接工藝及注意要點。關(guān)鍵詞：京滬高鐵；鎮(zhèn)江南站；鑄鋼件；無縫鋼管；焊接技術(shù)CaststeelandseamlesssteelpipeweldingtechnologyYan-longZANGAbstact：ThiscombinationofBeijing-ShanghaihighspeedrailwayZhenjiangsouthrailwaystationbuildingengineeringsteelcastingswithseamlesssteelpipeweldingconstructiontechnologyandrelatedworkexperience,throughthedesignoftherelateddesigndocumentsandfieldweldingprocessguidance,throughtheauthorityofexperts,accordingtothefinalweldingresultssummarizedinpipetrussstructureinstallationofsteelcastingswithseamlesssteelpipeweldingprocessandpointsforattention.Keywords:TheBeijing-Shanghaihigh-speedrail；ZhenjiangSouthRailwaystation；CastSteel；SeamlessSteelPipe；WeldingTechnology1前言京滬高速鐵路總長度1318公里，是新中國成立以來一次建設(shè)里程最長、投資最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路。京滬高鐵的每一座站房都成為了百年不休的精品鐵路站房。鎮(zhèn)江南站是鎮(zhèn)江市第一座現(xiàn)代化的線下式高架站房，巨大的、銀白色的圓弧包裹著高速鐵軌和線下站房，在陽光下熠熠閃光，氣勢非凡，雄偉壯觀。鎮(zhèn)江南站新穎的建筑形式?jīng)Q定了站房結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。按照京滬高速鐵路站房無柱雨棚的設(shè)計理念，鎮(zhèn)江南站大雨棚結(jié)構(gòu)大量采用了新型材料節(jié)點——鑄鋼節(jié)點（主要應(yīng)用于柱貫通式節(jié)點及其他復(fù)雜節(jié)點）。鑄鋼節(jié)點由于在廠內(nèi)整體澆鑄可免去節(jié)點相貫線切割以及消除重疊焊縫焊接所引起的應(yīng)力集中，同時鑄鋼節(jié)點有良好的適用性，可鑄造成各種形狀以滿足建筑及結(jié)構(gòu)的需要。本文詳細(xì)介紹以京滬高速鐵路鎮(zhèn)江南站工程鑄鋼節(jié)點與無縫鋼管復(fù)雜空間節(jié)點焊接的關(guān)鍵施工技術(shù)2工程概況新建京滬高鐵徐州至上海段鎮(zhèn)江南站位于江蘇省鎮(zhèn)江市，在既有滬寧線以北，在常州北站和南京南站之間。京滬高鐵鎮(zhèn)江南站為全高架車站，站臺規(guī)模為兩臺六線，雙島式站臺。鎮(zhèn)江南站站房形式為線正下式站房，由中心站房（大雨棚）和兩邊的站臺小雨棚組成，中心站房（大雨棚）建筑外墻東西面寬105m，南北進深83.58m。站房屋蓋為拱形鋼結(jié)構(gòu)，主構(gòu)件為落地拱形桁架，呈橢圓形沿站房中心點對稱布置。東西側(cè)站臺區(qū)（小雨棚）站臺層標(biāo)高為13.75。屋蓋的無柱雨棚采用拱形鋼結(jié)構(gòu)，主構(gòu)件為落地拱形桁架,跨度58米，結(jié)構(gòu)最高點距地面28.79m。由于本工程的大雨棚結(jié)構(gòu)外形特殊、跨度大使某些節(jié)點處的桿件截面增大、桿件數(shù)量增多、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜,采用常規(guī)節(jié)點均無法滿足設(shè)計要求,所以在這些節(jié)點處采用了鑄鋼連接。整個工程中的鑄鋼節(jié)點數(shù)合計32個，同鑄鋼件相連的無縫鋼管的規(guī)格為?1200mm×30mm、?1000mm×24mm、?450mm×24mm、?299mm×16mm、?219mm×12mm、?180mm×10mm。鑄鋼節(jié)點與鑄鋼支座在網(wǎng)殼中的分布如圖1、圖2所示。圖1大雨棚屋面結(jié)構(gòu)平面布置圖圖2大雨棚屋面結(jié)構(gòu)立面剖面圖說明：節(jié)點①②③④⑤⑥為空心鑄鋼件，共計24個。⑦⑧節(jié)點為實心鑄鋼件，共計8個。3本工程鑄鋼節(jié)點的幾種形式本工程鑄鋼件節(jié)點為樹型鑄鋼件節(jié)點，具體見圖3、圖4。1200mm的支支撐鋼柱，頂端用鑄鋼節(jié)點和和四根斜的鋼鋼管做支撐構(gòu)構(gòu)件圖3支撐鋼柱（節(jié)點①①②）鑄鋼件節(jié)節(jié)點效果圖圖4鑄鋼節(jié)點（節(jié)點⑥⑥）同桁架連連接效果圖、原原設(shè)計圖（其其它節(jié)點類似似）4現(xiàn)場焊接工藝焊接用途的鑄鋼件材料可按《GB/T

7659-2010焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件》選擇，該標(biāo)準(zhǔn)有3個牌號，最高牌號是ZG275-485H。近年高牌號鋼材應(yīng)用越來越普遍，我國鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)沒有與之相當(dāng)?shù)呐铺枺F(xiàn)多參照DINEN10293選擇材料，采用G20Mn5，該材料焊接性能良好，合理控制化學(xué)成分，配合熱處理，其屈服強度≥300MPa，抗拉強度≥500MPa，完全能達(dá)到與Q345相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。本文中鑄鋼節(jié)點焊接為異種材質(zhì)焊接，即材質(zhì)為G20Mn5的鑄鋼件與材質(zhì)為Q345B的無縫鋼管焊接。其焊接的難點和重點在于異種材料焊接工藝的確定和高空全位置焊接中節(jié)點變形的控制。4.1可焊性分析4.1.1根據(jù)原設(shè)計圖紙對桁架材料的要求，所有無縫鋼管的材質(zhì)均為Q345B（表1）。表1Q345B鋼材化學(xué)元素含量表牌號CSiMnPSVNbAlTiQ345B≤0.20≤0.55≤1.70≤0.040.0400.02-0.1150.015-0..060-0.02-0.2204.1.2根據(jù)上表格Q345B無縫鋼管的材料性能，鑄鋼節(jié)點采用可焊接鑄鋼GS-20Mn5QT。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2。表2G20Mn5鋼材化學(xué)元素含量表牌號CSi≤MnP≤S≤Ni≤G20Mn5QTT0.17～0.2230.601.0~1.6000.020.020.8注：實際碳含量比表中碳上限每減少0.01%允許實際錳含量超出表中錳上限0.04%，但總超出量不得大于0.2%（表3）。表3G20Mn5鑄鋼材力學(xué)性能表牌號鑄件壁厚σs(MPa)σb(MPa)δ(%)Akv(j)G20Mn5QTTt≤65≥240≥450~600≥24≥70注：其中Akv為室溫下的數(shù)值鋼材焊接性能的好壞主要取決于它的化學(xué)組成。而其中影響最大的是碳元素，也就是說金屬含碳量的多少決定了它的可焊性。鋼中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影響程度一般都比碳小得多。鋼中含碳量增加，淬硬傾向就增大，塑性則下降，容易產(chǎn)生焊接裂紋。通常，把金屬材料在焊接時產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊接接頭區(qū)力學(xué)性能的變化作為評價材料可焊性的主要指標(biāo)。通過上述兩個表格的對比，Q345B碳含量≤0.20，G20Mn5鑄鋼件碳含量在0.17～0.23之間，沒有超過0.25，故兩種材料是可焊接的。4.2焊接工藝的確定該工程設(shè)計要求所有鑄鋼件同無縫鋼管的焊接均為V形坡口（形式如圖5），此坡口形式可減少焊接斷面，減少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。節(jié)點①立面圖節(jié)點③立面圖節(jié)點⑥立面圖節(jié)點⑧立面圖節(jié)點①剖面圖節(jié)點③剖面圖節(jié)點⑥剖面圖節(jié)點⑧剖面圖圖5鑄鋼節(jié)點（節(jié)點①①③⑤⑥）坡口形式式4.2.1焊接參數(shù)選擇(表4)表4焊接工藝評定項目表序號評定項目預(yù)熱溫度焊材的選用備注1Q345B+GS-20Mn55QT鋼(40+70mm)實芯焊絲絲CO2氣體保護焊焊平焊焊接工工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000CJM58<1.2打底、中中間、蓋面本工程中鑄鋼件的的焊接壁厚有有以下幾種：：（25、45、50、65）mm；而Q345B材質(zhì)同鑄鋼鋼件連接的無無縫鋼管壁厚厚為：（10、12、16、24、30）mm。故鑄鋼件件采用壁厚為為70mm及Q345B材質(zhì)的無縫縫鋼管采用板板厚為40mmm。滿足了了現(xiàn)場所有焊焊接節(jié)點2Q345B+GS-20Mn55QT鋼(40+70mm)實芯焊絲絲CO2氣體保護焊焊橫焊焊接工工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000C3Q345B+GS-20Mn55QT鋼(40+70mm)實芯焊絲絲CO2氣體保護焊焊橫立焊接工工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000CJM56<1.2打底、中中間、蓋面4Q345B+GS-20Mn55QT鋼(40+70mm)實芯焊絲絲CO2氣體保護焊焊坡立焊接工工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000C5Q345B+GS-20Mn55QT鋼(50+32mm)手工電弧焊焊仰焊焊接工工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000CCHE507<33.2打打底,<4..0中間間、蓋面6Q345B+GS-20Mn55QT鋼(50+32mm)手工電弧焊焊坡仰焊焊接接工藝評定鑄鋼件220～22500C無縫鋼管180～20000C綜合考慮現(xiàn)場拼裝焊縫的焊接位置,焊接效率和減小熱輸入、控制焊接變形量,擬采用以下焊接方法：⑴所有仰焊、坡仰焊位采用手工電弧焊；⑵平焊、橫焊、立焊、坡立焊位采用CO2氣體保護焊；⑶所有焊縫的打底焊選用焊條打底(由于構(gòu)件制作的誤差,坡口間隙或大或小,根據(jù)坡口間隙選用直徑?3.2～4.0的焊條)；⑷焊接電流及電壓的選擇見表5、6。表5手工電弧焊焊接工藝參數(shù)表焊接方法焊接位置焊條電流電弧電壓層次手工焊仰焊?3.2mm110～140AA20～22V打底手工焊仰焊?4.0mm140～180AA20～25V中間手工焊仰焊?4.0mm160～180AA20～25V蓋面表6CO2氣體保護焊焊接工藝參數(shù)表焊接方法焊位焊絲焊接電流電弧電壓氣體流量層次CO2氣保焊橫焊JM58180～220AA30～35V22～27l/miin打底CO2氣保焊橫焊JM58200～280AA30～40V22～27l/miin中間CO2氣保焊橫焊JM58200～280AA30～40V22～27l/miin蓋面CO2氣保焊立焊JM56100～120AA15～23V20～24l/miin打底CO2氣保焊立焊JM56180～200A20～25V20～24l/miin中間CO2氣保焊立焊JM56170～190A19～24V20～24l/miin蓋面4.3焊接工藝及步驟4.3.1組對組隊前將鑄鋼件接頭坡口內(nèi)壁15～20mm的銹蝕和污物清理干凈并將凹凸處磨平。4.3.2校正、預(yù)留焊接收縮量組隊后用同心度儀等專用器具對同心度、曲率過渡線認(rèn)真核對，確認(rèn)無誤后，用手拉葫蘆、千斤頂?shù)裙ぞ甙呀宇^處坡口間隙頂至收弧部大于起焊部1.5～2mm的焊接收縮量，以保證整個焊接節(jié)點最終的收縮相等，避免焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，然后進行定位焊。4.3.3焊前防護及清理本工程鑄鋼件焊接屬于高空作業(yè)，所以焊接前需搭設(shè)操作平臺，并檢查該平臺是否穩(wěn)妥、安全。焊接部位用彩條布或防護帆布搭設(shè)防風(fēng)防雨措施。定位焊的起焊段與收弧處必須用角向磨光機修磨成緩坡狀，分段檢查并確認(rèn)無未熔合、裂紋、氣孔等焊接缺陷，清除飛濺及粉塵。4.3.4焊前預(yù)熱G20Mn5的鑄鋼件與Q345B的無縫鋼管在焊接時對預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度要求較高，焊前預(yù)熱是加熱阻礙焊接區(qū)自由膨脹、收縮的部位，使其達(dá)到預(yù)定的溫度值。其目的是消除焊接區(qū)段驟冷驟熱差、蘊含水分，減緩始焊層溫度散失，推遲收縮發(fā)生的時間。預(yù)熱時應(yīng)沿焊縫中心兩側(cè)100mm以內(nèi)進行全位置均勻加熱。加熱溫度按照本工程焊接工藝評定選擇。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)定值后，恒溫20～30分鐘。溫度的測試需在離坡口80～100mm處采用遠(yuǎn)紅外溫度計進行。加熱要繞管運作，避免因加熱不均勻、單點溫度過高而造成對鑄鋼件的損傷。4.3.5正式焊接⑴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)將前半部分始焊與收尾處修磨成緩坡狀，在前半部分焊縫上起弧至前半部分結(jié)束焊縫上收弧，完成整個管口的封底焊接，確保焊肉介于3.0～3.5mm。⑵填充層焊接在焊接填充層時，要注意保證較高層間溫度，使正在焊接的層次與已焊層特別是近根部層的溫度差較小，從而使得焊接接頭從壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力狀態(tài)（焊縫厚度的1/2～1/3）的時間盡可能延長，從根本上避免冷熱裂紋的產(chǎn)生。填充層焊接前應(yīng)也別注意剔除前層焊道上的凸起部分與黏附在破壁上的粉塵，注意消除坡口邊沿條狀、豆?fàn)钗慈酆衔锛鞍枷輮A角。每道焊道應(yīng)保持寬810mm、厚3～4mm。運焊時采用“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焊接，在坡邊注意停頓，以便于焊縫金屬與母材的充分熔合。在接近蓋面時應(yīng)注意均勻留出1.5～2mm的坡口深度，不得及坡口邊，為面層焊縫做好準(zhǔn)備。⑶面層焊接：面層焊接直接關(guān)系到焊接接頭的外觀質(zhì)量能否滿足要求，因此應(yīng)嚴(yán)格按照工藝評定參數(shù)執(zhí)行，水平固定口的寬幅小于焊條直徑的1/5～1/4時，可不采用多道面縫，垂直與斜固定口須采用多層多道焊。嚴(yán)格執(zhí)行多層多道焊原則，以控制線能量的增加，焊縫嚴(yán)禁超高超寬。在焊道清理時盡量減少碳弧氣刨，一面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，從而出現(xiàn)延遲裂紋。⑷后熱與保溫（消氫處理）焊后熱處理采用電加熱法，采用10kW的繩形加熱器加熱，2根K型熱電偶測溫，硅酸鋁玻璃纖維棉保溫，DWK-A360型熱處理控制器控制溫度，打點式自動溫度記錄儀記錄溫度曲線。加熱繩根據(jù)管徑不同選擇，加熱繩沿接管周向以焊縫為中心逐圈纏繞，不允許重疊，寬200mm，加熱區(qū)以外不小于100mm范圍內(nèi)采用硅酸鋁玻璃纖維棉保溫，測溫?zé)犭娕紤?yīng)