鑄鋼件與無(wú)縫鋼管焊接技術(shù)

1、2012-06-03 10:39:46 26.53%鑄鋼件與無(wú)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(wú)縫鋼管焊接施工中一些技術(shù)工作及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)院的相關(guān)設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝的指導(dǎo)，經(jīng)過(guò)權(quán)威專(zhuān)家的評(píng)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(chǎng)安裝中鑄鋼件同無(wú)縫鋼管的焊接工藝及注意要點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：京滬高鐵；鎮(zhèn)江南站；鑄鋼件；無(wú)縫鋼管；焊接技術(shù)Cast steel and seamless steel pipe welding technology Yan-long ZANGAbstact：This combination of Beijin

2、g-Shanghai high speed railway Zhenjiang south railway station building engineering steel castings with seamless steel pipe welding construction technology and related work experience, through the design of the related design documents and field welding process guidance, through the authority of expe

3、rts, according to the final welding results summarized in pipe truss structure installation of steel castings with seamless steel pipe welding process and points for attention.Key words: The Beijing-Shanghai high-speed rail； Zhenjiang South Railway station； Cast Steel； Seamless Steel Pipe；Welding Te

4、chnology1 前言京滬高速鐵路總長(zhǎng)度1318公里，是新中國(guó)成立以來(lái)一次建設(shè)里程最長(zhǎng)、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(xiàn)下式高架站房，巨大的、銀白色的圓弧包裹著高速鐵軌和線(xiàn)下站房，在陽(yáng)光下熠熠閃光，氣勢(shì)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(wú)柱雨棚的設(shè)計(jì)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(diǎn)鑄鋼節(jié)點(diǎn)（主要應(yīng)用于柱貫通式節(jié)點(diǎn)及其他復(fù)雜節(jié)點(diǎn)）。鑄鋼節(jié)點(diǎn)由于在廠內(nèi)整體澆鑄可免去節(jié)點(diǎn)相貫線(xiàn)切割以及消除重疊焊縫焊接所引起的應(yīng)力集中，同時(shí)鑄鋼節(jié)點(diǎn)有良好的適用性，可鑄造成各

5、種形狀以滿(mǎn)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(diǎn)與無(wú)縫鋼管復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)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(xiàn)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(chē)站，站臺(tái)規(guī)模為兩臺(tái)六線(xiàn)，雙島式站臺(tái)。鎮(zhèn)江南站站房形式為線(xiàn)正下式站房，由中心站房（大雨棚）和兩邊的站臺(tái)小雨棚組成，中心站房（大雨棚）建筑外墻東西面寬105m，南北進(jìn)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(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置。東西側(cè)站臺(tái)區(qū)（小雨棚）站臺(tái)層標(biāo)高為13.75。屋蓋的無(wú)柱雨棚采用拱形鋼結(jié)構(gòu)，主構(gòu)件為落地拱形桁架,跨

6、度58米，結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)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(diǎn)處的桿件截面增大、桿件數(shù)量增多、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜, 采用常規(guī)節(jié)點(diǎn)均無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,所以在這些節(jié)點(diǎn)處采用了鑄鋼連接。整個(gè)工程中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)數(shù)合計(jì)32個(gè)，同鑄鋼件相連的無(wú)縫鋼管的規(guī)格為1200 mm30 mm、1000 mm24 mm、450 mm24 mm、299 mm16 mm、219 mm12 mm、180 mm10 mm。鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(shuō)明：節(jié)點(diǎn)為空心鑄鋼件，共計(jì)24個(gè)。節(jié)點(diǎn)為實(shí)心鑄鋼件，共計(jì)8個(gè)。3 本工程鑄鋼

7、節(jié)點(diǎn)的幾種形式 本工程鑄鋼件節(jié)點(diǎn)為樹(shù)型鑄鋼件節(jié)點(diǎn)，具體見(jiàn)圖3、圖4。1200mm的支撐鋼柱，頂端用鑄鋼節(jié)點(diǎn)和四根斜的鋼管做支撐構(gòu)件圖3 支撐鋼柱（節(jié)點(diǎn)）鑄鋼件節(jié)點(diǎn)效果圖圖4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）同桁架連接效果圖、原設(shè)計(jì)圖（其它節(jié)點(diǎn)類(lèi)似）4 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝焊接用途的鑄鋼件材料可按GB/T7659-2010 焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件選擇，該標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)牌號(hào)，最高牌號(hào)是ZG275-485H。近年高牌號(hào)鋼材應(yīng)用越來(lái)越普遍，我國(guó)鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有與之相當(dāng)?shù)呐铺?hào)，現(xiàn)多參照DIN EN 10293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(qiáng)度300MPa，抗拉強(qiáng)度500MPa，完全能達(dá)

8、到與Q345相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。本文中鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(wú)縫鋼管焊接。其焊接的難點(diǎn)和重點(diǎn)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(diǎn)變形的控制。4.1 可焊性分析4.1.1 根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙對(duì)桁架材料的要求，所有無(wú)縫鋼管的材質(zhì)均為Q345B（表1）。表1 Q345B鋼材化學(xué)元素含量表牌號(hào)CSiMnPSVNbAlTiQ345B0.20 0.551.70 0.04 0.040 0.02-0.15 0.015-0.060 -0.02-0.204.1.2 根據(jù)上表格Q345B無(wú)縫鋼管的材料性能，鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用可焊接鑄鋼GS-20Mn5QT。其化學(xué)成

9、分和力學(xué)性能如表2。表2 G20Mn5鋼材化學(xué)元素含量表牌號(hào)CSiMnPSNiG20Mn5QT0.170.230.601.01.600.020.020.8注：實(shí)際碳含量比表中碳上限每減少0.01%允許實(shí)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3 G20Mn5鑄鋼材力學(xué)性能表牌號(hào)鑄件壁厚s(MPa)b(MPa)(%)Akv(j)G20Mn5QTt652404506002470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(shuō)金屬含碳量的多少?zèng)Q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

10、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(shí)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(píng)價(jià)材料可焊性的主要指標(biāo)。通過(guò)上述兩個(gè)表格的對(duì)比，Q345B碳含量0.20，G20Mn5鑄鋼件碳含量在0.170.23之間，沒(méi)有超過(guò)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(jì)要求所有鑄鋼件同無(wú)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(guò)度集中在近面縫區(qū)產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)立面圖節(jié)點(diǎn)立面圖節(jié)點(diǎn)立面圖節(jié)點(diǎn)立面圖節(jié)點(diǎn)剖面圖節(jié)點(diǎn)剖面圖節(jié)點(diǎn)剖面圖節(jié)點(diǎn)剖面圖圖5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）坡

11、口形式4.2.1 焊接參數(shù)選擇(表4) 表4 焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目表序號(hào)評(píng)定項(xiàng)目預(yù)熱溫度焊材的選用備注1Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(40 + 70mm) 實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊平焊焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000CJM581. 2 打底、中間、蓋面本工程中鑄鋼件的焊接壁厚有以下幾種：（25、45、50、65）mm；而Q345B材質(zhì)同鑄鋼件連接的無(wú)縫鋼管壁厚為：（10、12、16、24、30）mm。故鑄鋼件采用壁厚為70mm及Q345B材質(zhì)的無(wú)縫鋼管采用板厚為40mm。滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)所有焊接節(jié)點(diǎn)2Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(40 + 70mm

12、) 實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊橫焊焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000C3Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(40 + 70mm) 實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊橫立焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000CJM561. 2 打底、中間、蓋面4Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(40 + 70mm) 實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊坡立焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000C5Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(50 + 32mm) 手工電弧焊仰焊焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000CCHE5073. 2

13、打底,4. 0 中間、蓋面6Q345B + GS - 20Mn5QT 鋼(50 + 32mm) 手工電弧焊坡仰焊焊接工藝評(píng)定鑄鋼件2202500C無(wú)縫鋼管1802000C綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)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： 所有仰焊、坡仰焊位采用手工電弧焊； 平焊、橫焊、立焊、坡立焊位采用CO2氣體保護(hù)焊； 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)； 焊接電流及電壓的選擇見(jiàn)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. 2mm11014

14、0A2022V打底手工焊仰焊4.0mm140180A2025V中間手工焊仰焊4.0mm160180A2025V蓋面表6 CO2 氣體保護(hù)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JM58180220A3035V2227 l/ min打底CO2氣保焊橫焊JM58200280A3040V2227 l/ min中間CO2氣保焊橫焊JM58200280A3040V2227 l/ min蓋面CO2氣保焊立焊JM56100120A1523V2024 l/ min打底CO2氣保焊立焊JM56180200A2025V2024 l/ min中間CO2氣保焊立焊JM5617019

15、0A1924V2024 l/ min蓋面4.3焊接工藝及步驟4.3.1組對(duì)組隊(duì)前將鑄鋼件接頭坡口內(nèi)壁1520mm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(duì)后用同心度儀等專(zhuān)用器具對(duì)同心度、曲率過(guò)渡線(xiàn)認(rèn)真核對(duì)，確認(rèn)無(wú)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1.52mm的焊接收縮量，以保證整個(gè)焊接節(jié)點(diǎn)最終的收縮相等，避免焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，然后進(jìn)行定位焊。4.3.3焊前防護(hù)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(tái)，并檢查該平臺(tái)是否穩(wěn)妥、安全。焊接部位用彩條布或防護(hù)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(jī)修磨成緩

16、坡?tīng)?，分段檢查并確認(rèn)無(wú)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(wú)縫鋼管在焊接時(shí)對(duì)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(yùn)含水分，減緩始焊層溫度散失，推遲收縮發(fā)生的時(shí)間。預(yù)熱時(shí)應(yīng)沿焊縫中心兩側(cè)100mm以?xún)?nèi)進(jìn)行全位置均勻加熱。加熱溫度按照本工程焊接工藝評(píng)定選擇。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)定值后，恒溫2030分鐘。溫度的測(cè)試需在離坡口80100mm處采用遠(yuǎn)紅外溫度計(jì)進(jìn)行。加熱要繞管運(yùn)作，避免因加熱不均勻、單點(diǎn)溫度過(guò)高而造成對(duì)鑄鋼件的損傷。4.3.5

17、正式焊接 根部焊接全位置管-管對(duì)接接頭在焊接根部時(shí)，應(yīng)自焊口的最低處中心線(xiàn)10mm處起弧至管口的最高處中心線(xiàn)超過(guò)10mm左右止，完成半個(gè)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?tīng)?，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(gè)管口的封底焊接，確保焊肉介于3.03.5mm。 填充層焊接在焊接填充層時(shí)，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1/21/3）的時(shí)間盡可能延長(zhǎng)，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

18、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34mm。運(yùn)焊時(shí)采用“8”字方式，焊接仰焊部位時(shí)采用小直徑焊條，仰爬坡時(shí)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(shí)應(yīng)注意均勻留出1.52mm的坡口深度，不得及坡口邊，為面層焊縫做好準(zhǔn)備。 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(mǎn)足要求，因此應(yīng)嚴(yán)格按照工藝評(píng)定參數(shù)執(zhí)行，水平固定口的寬幅小于焊條直徑的1/51/4時(shí)，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(xiàn)能量的增加，焊縫嚴(yán)禁超高超寬。在焊道清理時(shí)盡量減少碳弧氣刨，一面焊道表面附著的高碳晶粒無(wú)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。 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(cè)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(diǎn)式自動(dòng)溫度記錄儀記錄溫度曲線(xiàn)。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