冬季焊接施工技术

钢结构焊接国际论坛IFWT2006银泰中心北塔楼钢结构工程冬季焊接施工技术卢钢吴洪涛唐永忠（深圳建升和钢结构建筑安装工程有限公司深圳518057）摘要：总结北京银泰中心北塔楼钢结构工程冬季焊接施工技术，提出了钢结构冬季焊接施工的新技术、施工管理以及施工经验。关键词：钢结构冬季焊接Abstract：ThispaperintrucesindetailwintertimeweldingtechniquesforYintaicenternorthtowerstructuresteelproject.Itputupnewtechnologe,constructionmanagementandexperience.Keywords：Structuresteel，Wintertime，Welding1工程概况北京银泰中心作为2008年北京奥运会的配套项目和在CBD商务区具有重要影响的标志性建筑，由北京银泰置业有限公司投资兴建。工程地点位于北京市朝阳区建国门外大街4号，由约翰·波特漫设计事务所和中国电子工程设计院设计。北塔楼为全钢框架结构，北塔楼平面结构呈回字形布置，分为内框筒和外框筒两部分。北塔楼建筑高度为249.9m，地下标高为-19.30m，地上62层，地下4层。楼层标准层层高为3.3m，17层、33层、46层为避难层，顶部为灯笼结构，楼面为钢承板-混凝土组合楼板。北塔楼钢结构总重量约为2万t，构件总数量为19380件，其中钢柱昀大截面为800mm，昀重达17.14t；灯笼架昀长达40m，截面为800mm×800mm×50mm，重量为31t。根据银泰中心北塔楼工程工期进度网络计划，我公司承建的银泰中心北塔楼钢结构安装工程需经历2004和2005年冬季施工阶段。2焊接工程特点和难点北京地区冬季的日常气温大多低于零摄氏度，并经常伴有强劲凛冽的西北风，霜冻积厚达1.5mm左右，这种寒冷的气候条件对钢柱、梁的焊接质量有较大影响。顶部四边形转换大梁边长39.5m，共分为节，采用耐候钢全焊接箱形梁，箱梁截面1600mm×800mm×25mm，局部节点昀小间距1.5m，焊接应力难消除，易产生层状撕裂。钢梁立面如图1所示，钢梁截面如图2所示。2006钢结构焊接国际论坛论文集232IFWT2006钢结构焊接国际论坛图1钢梁立面图图2钢梁截面图3焊接新工艺应用为保证焊缝不产生冷脆，负温度下焊接用焊丝，在满足设计强度的要求下，优先选用屈服强度较低、冲击韧度好的低氢型焊丝。气保焊热输入大，升温快，可适当降低预热温度，对超低氢焊丝可适当降低后热温度，达到工效大，节约成本的目的。3.14组焊接工艺评定针对低温耐候钢（Z25），采用耐候钢焊丝，经实验和检测制定相应的焊接参数，银泰中心北塔楼顶部结构焊接工艺评定做4组：1）耐候钢25mm钢板与Q345GJ—C25mm钢板组合横焊工艺评定。焊评试件：耐候钢25mm试件板1块600mm×250mm、开35°坡口，Q345GJ—C25mm试件板1块，600mm×250mm。组对焊接方式：典型横焊组对，Q345GJ—C钢板在下方。2）耐候钢25mm钢板/345GJ—C25mm钢板与耐候钢25mm钢板十字接头平焊工艺评定。焊评试件：耐候钢25mm试件板1块600mm×300mm，耐候钢25mm试件板1块600mm×250mm，开35°坡口，Q345GJ—C25mm试件板1块600mm×250mm，开35°坡口。组对焊接方式：典型十字接头平焊组对。3）耐候钢25mm钢板/345GJ—C25mm钢板与耐候钢25mm钢板十字接头立焊工艺评定。焊评试件：耐候钢25mm试件板1块600mm×300mm，耐候钢25mm试件板1块2332006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006600mm×250mm，开35°坡口，Q345GJ—C25mm试件板1块600mm×250mm，开35°坡口。组对焊接方式：典型十字接头立焊组对。4）Q345GJ—D25mm钢板与Q345GJ—D25mm钢板十字接头平焊立焊组合工艺评定。焊评试件：Q345GJ—D25mm试件板1块600mm×300mm，Q345GJ—D25mm试件板2块600mm×250mm，开35°坡口。组对焊接方式：典型十字接头平焊立焊组对。以上4组工艺评定试验地点及环境：租用冷库，在−12℃温度条件下进行。3.2焊接材料的选择焊材规格：试件板中有耐候钢材质的前3组工艺评定，经多次试焊，选用满足耐候钢焊接要求的锦泰JM—48II型（相当于H08MnSiCuCrNi-II）实芯焊丝。Q345GJ—D十字接头平焊立焊组合工艺评定选用锦泰JM—58型实芯焊丝。选用北京普来克斯富氩（20%）CO2（80%）瓶装气体，纯度达99.7%以上，含水率控制在50×10-6。选用焊接电弧稳定，负载持续率高的日产OTC—600CO2气保焊机，平焊采用反月牙形，横焊采用斜圆圈形，立焊采用正月牙形，严格按照薄层多道焊接原则施焊，设定电流和电压大小以确保层间温度控制在100℃左右。预热温度100℃左右，后热150℃左右。检测结果全部达到设计和规范要求。4焊接质量管理1）成立冬季施工领导小组为保证冬季施工的顺利进行，成立以项目经理为组长的冬季施工领导小组，落实具体责任人，明确责任。从技术、质量、安全、材料、机械设备及文明施工等方面为冬季施工的顺利进行提供保障。2）严格按“焊接工艺评定试验”确定焊接参数和作业顺序施焊。3）焊接质量检验按照质量管理体系运作，每道工序均进行自检、互检、专检三检制。本工程焊接质量检验标准执行《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB/T11345—1989规定。检验结果必须符合《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001中的有关规定，检验等级为一级。5主要施工经验5.1冬季施工前的准备工作1）入冬针对所涉及到的分部分项工程编制好冬季施工方案，制定行之有效的冬季施工管理和技术措施，确保冬季施工期间的工程质量。2）冬季施工前，组织技术业务培训，学习有关规定，明确职责。向施工工长进行冬季施工方案及技术措施交底，并向施工班组进行交底。3）做好现场测温记录，与气象台保持联系，及时接收天气预报，提前做好大风、大雪及寒流等恶劣天气的预防工作。4）根据工程施工进度，提前组织冬季施工所用材料及机械备件的进场，为冬季施工的顺利展开提供物质上的保障。2006钢结构焊接国际论坛论文集234IFWT2006钢结构焊接国际论坛5）冬季施工用材料及设备清单如下表所示。序号材料或设备名称数量1防风棚搭设脚手架管200m2防风棚搭设木板80块3围护帆布200m24绑扎铁丝10kg5保温石棉100kg6加热焊枪4把7红外测温仪器1台5.2钢结构构件的冬季焊接实施钢结构冬季焊接，需做好如下几个方面准备：（1）焊接材料的选择采用本工程焊接工艺评定确定的焊丝。（2）焊接材料的储存、使用焊丝实行专人保管，储存在通风干燥的地方，禁止油污污染，采取垫高等防潮措施。焊丝实行专人发放的管理制度，严禁私自开箱取用，保管员需建立发放记录台账。（3）焊接机具检查焊接使用的瓶装CO2气体，负温时的瓶嘴，如在水气作用下有可能产生冰冻堵塞现象，焊接作业前应首先检查疏通。（4）焊前防护钢柱、梁的焊接是钢结构安装过程中的一道特殊工序，必须在施工前严格制定焊接作业计划，组织专门的人力、物力，比预定正式施焊时间提前4～8h专题防护并达到以下要求：1）利用专用脚手架管先搭设焊接防风围护棚，上部允许稍透风，但不渗漏水，兼具防一般小物体的打击功能（见图3）。图3防风棚搭设示意图2）中部宽松，能抵抗强风的侵扰，不致使大股冷空气透入。3）下部操作平台，足够承载4名以上作业人员，需牢固稳定、无晃动，可屯放必须的作业器具和预备材料且不给作业造成障碍，无可造成器具材料脱控坠落的缝隙，平台面防2352006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006护采用阻燃材料遮蔽严实，防止劲风从底部侵入。4）由于整个预热、焊接、焊后加热过程均为高温强热操作，所以整个焊接围护棚内可形成封闭高温环境，故无需额外环境加热措施即可满足焊接要求。5.3焊接的保证措施北京的冬季大风较多，当CO2气体保护焊环境风力＞2m/s及焊条电弧焊环境风力＞8m/s时，在未设防风棚或没有防风措施的施焊部位严禁进行CO2气体保护焊和焊条电弧焊。并且，焊接作业区的相对湿度＞90%时不得进行施焊作业。施焊过程中，若遇到短时大风雨时，施焊人员应立即采用3～4层石棉布将焊缝紧裹，绑扎牢固后方能离开工作岗位，并在重新开焊之前将焊缝100mm周围处进行预热措施，然后方可进行焊接。寒冷的冬季焊接施工，光有严密的焊接防护还不够，钢材有骤冷至焊接产生骤热，容易产生钢结构焊缝接头区冷裂现象。因此焊前需加热消除焊缝两侧母材与焊缝区的强烈温差，昀大限度地减缓钢材在板厚方向有热胀时压应力到冷缩时拉应力的转换过程，昀大可能地促使焊缝接头均匀胀缩，这是保证超厚钢板焊接质量尤其是在寒冷地区焊接时的一个非常重要的环节。这一环节包括了焊前严格加热，施焊过程中保证持续、稳定在100oC左右层间温度，全过程地执行窄道焊、有规律地采用左、右向交替焊道。由于我公司在本工程冬季施工中的焊接全部采用CO2气体保护焊这种热输入量较大的焊接方法，因而在预热后的整个焊接过程中，即使是钢柱接头接近1m的长焊缝，在每道焊接熔敷至焊缝末端的时刻，另一端起焊位置的层间温度仍在100oC左右。值得注意的是：施焊过程中，不可避免地会由于剔除焊瘤、清除焊接渣膜飞溅、更换焊材与焊接辅材、施工器具调整、焊接防护物品更迭、作业者生理要求，以及使用高风速碳弧气刨等因素使得层间温度不能保持稳定，由此产生的裂纹质量事故有例可循。产生质量事故的主要原因是多次发生从高温到低温这一变化过程。在寒冷地区这一现象必须予以高度重视，要求细致地预备施工机具、材料，考虑作业环境及焊接人员的身体状况，减少一切不必要的焊接时间内的非焊接作业时间，随时利用红外测温仪观察层间温度，如发现低于规定的温度，立即采用加热烤枪对构件进行再加热，始终保持100℃的层间温度。5.4焊接过程控制对于80mm以上厚板或环境温度低于零度时，填充层焊接和面层焊接完毕，在自检外观质量符合要求后，立即实施焊后后热过程。这一过程的实施，不仅能使逐渐降下来的接头温度再上升，而且能够起到将焊接区域热不均匀现象降低到昀低程度的重要作用。对于超厚钢板、大长焊缝，尽管作业者严格遵循工艺流程，实施中间再加热，但也不可避免由于板厚过大，始端终端焊缝过长及面缝过宽等原因造成的根部与面层的温差、始端与终端的温差、近缝区与远缝区的温差(水平横向焊缝)、下部与上部的温差（H形钢柱）及边翼缘和翼中的温差。对称作业的两名作业者因焊接习惯、视力、运速、参数选择等不能绝对相同，也可能导致温度差。所以要昀大程度地消除这些差别，只有通过认真的焊后后热来完成。焊后后热是焊接工艺中相当重要的环节，使用两把烤枪对焊缝区域进行烘烤，使后热温度达到150℃，并持续保持该温度15min，这一过程可通过红外测温仪来测量控制。5.5焊后保温在寒冷劲风多发地区，一切焊前加热、中间再加热、后热等都围绕着消除骤冷骤热、2006钢结构焊接国际论坛论文集236IFWT2006钢结构焊接国际论坛消除胀缩不均、延缓冷却收缩这个质保目的。但是仅有上述措施还不能阻止温度热量的快速散失，特别是防止边沿区域冷却较焊缝中部冷却过快的现象。昀有效、昀直接的方法是加盖保温性能好、耐高温的保温棉，在寒冷地区，需加盖至少80mm厚的保温棉，在钢柱接头焊接部位密封护棚阻止空气流通，使其缓慢冷却，冬季昀少8h后达到环境温度。由于厚保温棉可基本阻止外界空气对构件焊接区的直接冷却，构件的绝大部分焊接热通过构件两端的延伸部分传递，这个过程温度的渐变较缓和，只要保温棉围护严密，焊接质量即可保证，围护后不可随意对围护区遮蔽措施进行拆卸。钢柱保温如图4所示，钢梁保温如图5所示。图4钢柱保温图图5钢梁保温图6结语应用以上新工艺，我公司顺利完成了北京银泰中心北塔楼钢结构工程冬季焊接施工