厚板焊接质量控制要点

厚板焊接质量控制要点

廉相辰

身份证号：3713271990****0913，山东 青岛 266400

摘要：随着建筑工业化的蓬勃发展，各类建筑中钢结构的使用越来越多，在一些超高、大跨等建筑中厚板、特厚板的使用也越来越多，然而因为冶金技术等先天原因以及制作焊接等方面的后天原因，在厚板施工中板厚方向容易发生层状撕裂的现象，严重影响钢结构工程质量与施工进度，造成严重质量隐患。本文结合融发大厦项目实例，重点分析厚板焊接施工工艺，以及相应质量控制措施。

关键词：厚板焊接；层状撕裂；型钢混凝土结构

1 工程概况及施工重难点分析

融发大厦项目位于山东青岛市古镇口军民融合创新示范区内。包括A塔、B塔两栋超高层、裙房及地下车库，其中A塔地上43层，最高点202米，B塔地上37层，最高点172.4米，项目落成后为目前青岛西海岸新区最高的地标性城市综合体。本项目钢结构形式主要为A塔-3层至地上20层的十字形劲型钢柱及核心筒四角暗柱、B塔-2层至地上4层的核心筒四角暗柱。

本项目主要钢结构形式为十字形钢柱，截面宽度和长度均为1米，翼缘厚度最大56mm、腹板最大厚度50mm，所用钢材材质均为Q355B。本工程所有构件均为钢板拼焊而成，与混凝土梁相交处有大量钢筋搭板及加劲板，因此还具有钢柱节点区焊缝密集、受力复杂等特点。防止层状撕裂，保证焊接接头延性、韧性以及消除焊接变形及残余应力为本项目钢结构施工重点控制环节。

2 层状撕裂及焊接对钢构件的影响

层状撕裂的形成机理：一般钢结构常用钢材为热轧成型，钢材中的非金属夹杂物在轧制过程中不可避免地被压成薄片，形成平行于钢材表面的“夹层”，这种非金属夹层会使得钢材受拉性能在厚度方向严重恶化。而焊接过程会产生收缩变形，使钢板在厚度方向产生极大的拉伸应力，如果钢板比较薄或者没有约束，钢板会发生变形以释放应力，但在有加劲肋或相邻板件的约束情况下，则钢板不能自由变形，只能在厚度方向产生很大的应力来适应这种变形，导致非金属夹层和金属分离，从而发生层状撕裂现象。

焊接对钢构件的影响：本项目钢柱焊接具有工程量大、难度高、坡口窄而深、全熔透焊缝多的特点。而随着焊接工程量的增加，焊缝中的残余应力也逐渐增加，并且钢板越厚，非金属夹层也越多，焊缝越厚，应力和变形也越大。因此，控制和预防钢材层状撕裂要从原材及焊接工艺等方面进行严格控制。

3 解决措施

3.1 母材质量控制

钢板厚度方向的延性性能称之为Z向性能，一般以断面收缩率体现，为防止层状撕裂现场发生，本项目板厚大于40mm的钢板，设计采用了Z向性能为Z15的钢材。通过取样复试结果得出钢材断面收缩率平均值为67%（技术要求≥15%），最小值为66%（技术要求≥10%），可以满足项目设计要求。

3.2 深化设计控制

本项目如采取常规坡口，最大坡面尺寸将达到78.14mm，为了降低热输入量，减少层状撕裂发生的可能性，深化过程中在坡口形式设计上采取了窄间隙坡口，既能节约大量焊材及电能，又能使焊接收缩明显减小。

3.3 加工工艺控制

严格控制工件加工精度，特别是工件坡口的精度以及加工精度，厚板接头拘束度大，且接头处填充量大，容易导致焊接变形与应力高，且厚板焊接冷却速度快，易发生层状撕裂。并采用合理的预热、后热温度是技术，严格控制焊接温度。

3.4 焊接工艺控制

本项目采用多层多道焊接工艺，焊接过程需严格控制每道焊缝厚度（5mm），以限制热输入量。焊材选择方面，为了防止氢裂纹产生，必须严格限制焊材氢来源。经过多种焊材组合比选，工厂焊接采用了H08MnA+SJ101的组合，经试验熔敷金属强度为555MPa，与母材强度接近（在同条件下厚板多层焊，焊缝强度越高，产生冷裂纹的可能性越大，故与母材强度接近最佳），且在焊接热影响区抗冷裂纹强度及成形效果良好。现场打底及填充焊接采用了高效且熔深较大的GMAW（实心CO2气体保护焊）；盖面采用了FCAW-G（药芯CO2气体保护焊），可提高焊缝外观质量还能使焊缝具有良好的外观效果。另外，为提高焊接接头综合性能、防止焊接应力集中，在多层多道焊接过程中对每一道焊缝进行了错位连接（接头错位大于50mm以上）。

表1 埋弧焊工艺参数

表2 气体保护焊工艺参数

3.5 其他控制措施

焊接顺序确定：选择与控制合理的焊接顺序，既是防止焊接应力的有效措施，也是防止焊接变形的最有效的方法之一。根据不同的焊接方法，制定不同的焊接顺序，埋弧焊采用逆向法、退步法；CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法；因此合理的焊接顺序是“分散、对称、均匀、减小拘束度”。

焊接变形控制：在焊接过程中，钢板对接焊后的变形主要是角变形。实践中为控制变形，往往先焊正面的一部分焊道，翻转工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻转工件，这样如此往复，一般来说，每次翻身焊接三至五道后即可翻身，直至焊满正面的各道焊缝。同时在施焊时要随时进行观察其角变形情况，注意随时准备翻身焊接，以尽可能的减少焊接变形及焊缝内应力。

反变形措施：由于全熔透焊缝范围大，焊接后上下翼缘板外伸部分会产生较大的角变形。钢板的角变形往往不易校正，为减少校正工作量，可在板件拼装前将上下翼缘板先预设反变形；由于焊接角变形效应，构件焊后基本可以使翼板回复至平直状态。反变形角度通过对焊缝焊接过程中热输入量的计算及以往工程中的实践经验综合予以确定。

焊接残余应力消除措施：使用火焰加热的方式对焊缝两个侧面进行烘烤，可以有效释放一部分残余应力；采用超声波振动消除残余应力。通过实验测得，使用该方法残余应力可消除75%以上；采用振动时效法消除应力，该方法具有均匀、周期短、效率高、无污点、不受构件体型大小限制等优点；采用电控设备配合保暖温控柜对构件焊缝做焊后缓冷处理。

4 结束语

融发大厦项自2022年5月3日进场安装钢结构以来，目前已完成地下3层至地上11层钢柱安装，经过全体管理人员精心管理、精确操作，目前项目进展一切顺利。累计安装钢柱332节段，工厂制作及现场安装焊缝一次合格率99%，钢柱现场拼装时除少部分区域稍有变形外，绝大部分柱段均保持设计状态，没有当初最为担心的构件变形发生。整体安装效果非常理想。

参考文献：

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[2]营良.钢结构焊接工程技术要点及质量控制技术分析[J].科技风,2022(02):63-65.

[3]刘正江,孟繁超.钢结构工程焊接质量控制要点分析[J].焊接技术,2021,50(07):79-81.