钢结构高空组装焊接技术研究

摘要：本文对某钢结构的高空组装焊接技术进行了研究，结果证明该工艺有利于焊接质量、安装精度控制：能有效降低多点高空立体交叉作业的安全风险。

关键词：焊接：安装：高空

中图分类号：TU758.11

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2010)06-0184-03

1　前言

随着2010年上海世博会的召开和2010年广州亚运会的临近，我国大型体育场馆、复杂公共建筑、高层超高层以及大跨径桥梁的建设方兴未艾，给我国的钢结构施工企业带来了前所未有的挑战和机遇。建筑钢结构制作、安装等施工技术是施工中的难点。又由于钢结构结构形式变化特别大，结构复杂，工程量大，质量要求高：施工难度大，技术要求高。本文主要就其焊接技术进行分析。

2　钢结构焊接技术概述

焊接是将需要连接的钢板，在结合处用高温融合在一起。焊接连接灵活方便，构造简单，不削弱杆件截面，节约钢材，刚度大，密封性好，在工厂易于采用自动化操作，焊接质量有保障，可以得到较为美观和简洁的结构外形，造价也较低。但焊接易产生残余应力和残余变形，对受压构件的局部稳定和整体稳定有影响，此外，现场焊接一般需人工施焊，工作强度大，对疲劳和脆断较为敏感，施工质量较难控制。为此，工程师应根据节点是在工地焊接还是在现场焊接，选择焊接的接头形式并采用合理的构造措施。焊接是钢结构施工的一道关键工序，与其他行业相比，钢结构焊接具有自身的特点与难点，主要表现在：

2.1　钢结构型材的多样性，使焊接接头的截面形式也随之多样化，因而带来了许多焊接难题。工字钢、槽钢、角钢是工程结构中使用最早的型钢，之后截面性能优良的H型钢、钢管、网架节点球等型材相继问世并大量应用于钢结构建筑中，从而使钢结构间的焊接节点形式变得多样而复杂。

2.2　应用于钢结构工程的钢构件材质日益多样，使焊接工艺参数的确定变得困难。不同钢材的化学成分、机械性能是不同的，焊接材料应与钢构件的材质相适应，以保证焊接节点的强度、刚度等要求。

2.3　钢结构焊接的施工条件较复杂。建筑工程具有流动性大的突出特点，单从钢结构焊接工程来讲，不同工程的不同地理条件造成了不同的焊接环境条件。

2.4　焊接量大，焊接变形控制困难，焊接质量要求高

某建筑钢结构屋盖跨度大，主次结构均为焊接结构，受结构形式及运输条件所限，现场拼接、焊接量大，易产生较大焊接变形。主结构、次结构拼接焊缝及其他对接受拉连接的焊缝质量等级均为一级。

2.5　铸钢节点数量多，构造复杂，形式多样，焊接难度大

铸钢节点厚、强度高、构造复杂，不仅存在铸钢节点与焊管对接焊缝，还存在大量焊管与铸钢节点的相贯焊缝。刚性大，精度控制困难，焊接时易产生较大的应力，控制不当易产生裂纹。焊接需要预热、后热等工艺措施，焊接技术要求高，技术措施复杂。

2.6　铸钢节点相贯焊缝预热困难

因铸钢节点复杂、厚度不均匀，钢管与铸钢节点相贯焊缝处铸钢形状不规则且特厚，预热要求高、预热难度大，需经试验定制特殊加热片，来保证整体预热效果。

2.7　由于结构造型独特，高空全位置焊接量大，焊接质量要求高，对焊工技术水平要求高。

3　建筑钢结构焊接的几种常见方法

常见的焊接方法有：药皮焊条手工电弧焊、埋弧焊、CO₂气体保护焊。

3.1　药皮焊条手工电弧焊

药皮焊条手工电弧焊原理：在涂有药皮的金属电极与焊件之间施加一定电压时，由于电极的强烈放电而使气体电离产生焊接电弧。电弧高温足以使焊条和工件局部融化，形成气体、熔渣和熔池，气体和熔渣对熔池起保护作用，同时，熔渣在与熔池金属起冶金反应后凝固成为焊渣，熔池凝固后成为焊缝，固态焊渣则覆盖于焊缝金属表面。

3.2　埋弧焊

埋弧焊(SAW)原理：埋弧焊与药皮焊条电弧焊一样是利用电弧热作为熔化金属的热源，但与药皮焊条电弧焊不同的是焊丝外表没有药皮，熔渣是由覆盖在焊接坡口区的焊剂形成的。当焊丝与母材之间施加电压并相互接触引燃电弧后，电弧热将焊丝端部及电弧区周围的焊剂及一母材熔化，形成金属熔滴、熔池及熔渣。金属熔池受到浮于表面的熔渣和焊剂蒸气的保护而不与空气接触，避免氮、氢、氧有害气体的侵入。

3.3　CO₂气体保护焊

CO₂气体保护电弧焊原理：是用喷枪喷出CO₂气体作为电弧焊的保护介质，使熔化金属与空气隔绝，以保护焊接过程的稳定。

4　某钢结构的高空焊接施工

4.1　焊接方法

某建筑造型独特，主结构由大直径焊管和铸钢节点构成。主结构材质均为强度钢，且种类多，有GS-20Mn5V，GS-20Mn5N，Q390B及Q345B等。根据母材性能、技术要求，本工程现场焊接主要采用半自动二氧化碳气体保护焊(GMAW)，手工电弧焊补充。

4.2　焊前准备

4.2.1　技术和安全交底

在焊接之前，技术员必须对相关作业人员、质检人员等进行技术和安全交底，以使相关人员掌握焊接工艺、焊条选用以及焊接过程的注意事项等，一旦交底完毕，相关人员必须按照交底内容操作作业。

4.2.2　焊前清理工件

在焊接前，将待焊工件坡口表面、坡口边缘内外侧20mm范围内的油污、铁锈等杂物清除干净，并露出金属光泽。

焊接之前，将所有焊接设备包括供电、焊接等设备，辅助机具包括气刨枪、砂轮机、风动打渣机、锤子、扁铲、焊钳，焊工劳保用品包括焊工服、面罩、墨镜、脚盖、焊工鞋等。确定各种设备机具及有关配件的型号、规格、数量，施工前落实到位，并确认设备安装后是否正常运行，保证不影响施工。

4.2.3　焊材使用要求

本工程钢屋盖设计安全等级为一级，焊接材料复检合格后方可使用。焊条、焊剂在使用前必须按规定烘焙。

4.2.4　定位焊要求

定位焊焊接要求同正式焊接。定位焊应牢固可靠，定位焊不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

4.2.5　焊前复查组装质量

施焊前，应复查组装质量，定位焊质量和焊接部位的清理情况，如不符合要求，应修正合格后方可施焊。

4.3　焊接工艺

某建筑屋盖采用的“高空定点拼装、累计旋转滑移；先主后次吊装、液压同步卸载”的施工方法，整个屋盖分为8个对称的滑移单元。根据运输条件，每个单元屋盖结构件少量长度大于20m的主结构杆件厂内分两段制作。现场地面拼接：其余杆件均整体制作。主结构杆件在地面与铸钢节点组装好构成一个吊装单元后安装；中心圆顶屋盖结构在地面组拼成单棍析架单元，再吊装到位。次结构各杆件工厂整体

制作，现场地面拼装后吊装。

现场地面组装焊缝主要为：1)主结构杆件与主结构杆件的管对接焊：2)主结构杆件与铸钢节点铸钢的对接焊：31主结构中心圆顶腹板与弦杆间相贯焊接；4)次结构与次结构之间的对接焊。

现场高空焊接焊缝主要为：1)主结构杆件与铸钢节点上的焊管对接焊；2)主结构杆件与铸钢节点铸钢的对接焊：3)次结构与次结构之间的对接焊。

4.4　焊接应力与变形控制

焊接应力与变形控制是一个综合控制过程，与整个结构安装顺序、测量控制、焊接工艺措施都紧密相关。该工程结构特殊，设计文件中对构件的安装位置偏差要求很高，单节立柱垂直度允许偏差仅为1／2000，超过国家标准值1倍，这样在构件安装校正到位后，由于焊接而造成的偏差要被控制在很小的范围，同时作业面大，立柱、斜撑、环的连接全为熔透焊缝，焊接变形控制难度较大。在该工程中，焊接变形控制的关键是环梁焊接后的收缩引起整个环向内收缩，致使平面尺寸超过设计值，以及立柱接头焊接收缩引起的竖直方向的结构变形。

4.4.1优选焊接方法与顺序

尽量采用CO₂气体保护焊，由于其能量密度相对较高，焊接变形也相应小一些。总体焊接顺序对结构变形的影响是一个关键因素，如图1所示，每道环包括24个立柱接头、48个环梁接头、48个斜撑接头。而这些接头又全为熔透焊缝，必须制定一个科学、合理的焊接顺序来控制变形。

(1)平面总体焊接顺序。每道环分成24个单元，其中12个主单元由2根立柱、1根环梁和1根斜撑组成，另12个副单元由环梁和斜撑组成，如图1所示。在结构安装校正到位后，对称布置焊接点，首先交错焊接其中12个主单元，然后再交错焊接6个副单元，再焊接3个副单元，留下3个单元作为最终封闭接头。这样对称分布焊接点，可使焊接变形逐步消化在每一个单元内，不会造成累积偏差。总体焊接顺序如图2所示。

(2)每个单元焊接顺序。每个单元采取环梁一立柱一斜撑的焊接顺序。先焊环梁，使单元具有一定刚度，而立柱竖直方向为相对自由状态，对于立柱的接头焊缝不致产生很大的应力。最后焊接斜撑，由于此时环梁与立柱已焊完，拘束度较大，斜撑会产生一定的焊接残余应力，但要比立柱后焊产生的应力小得多。

(3)单个接头焊接顺序，如图3所示。由于该工程钢管直径较大，所以每个钢立柱接头安排3～4名焊工围绕接头同时施焊：斜撑、环梁安排2名焊工同时对称施焊。采用分段、对称施焊，每人焊接参数基本保持一致，每个接头连续施焊，直至焊完。每道焊缝收头需熔至上一道焊缝端部约50mm处，即错开50mm，不使焊道的接头集中在一处。

4.4.2　焊接应力控制

该工程采取的焊接应力控制措施有：采用合适的焊接坡口，减少焊接填充量：构件安装时不得强行装配，以免产生初始装配应力；采用合理的焊接顺序，对称焊、分段焊；先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头，应在尽可能小的拘束下焊接；预先合理设置收缩余量：同一构件两端不同时焊接：保证预热，对层间温度的有效控制，降低焊接接头的拘束度，减小焊接热影响区范围，可降低焊接接头的残余应力，采用高效的CO₂焊接方法，可减少焊接道数，减小焊接变形和残余应力：通过有效的工艺和焊接控制，防止或减小焊接接头的返修：采取焊后缓冷或后热，使接头在冷却时能有足够的塑性和宽度均匀消除焊接收缩，降低残余应力峰值和平均值，达到降低焊接残余应力目的。同时必要时采用烘烤和超声波振动的方法进一步达到消减残余应力的目的。

4.4.3　其它控制措施

(1)余量控制

收缩量主要与焊接热输入关系密切，焊缝收缩对构件的变形影响较大。为此，在焊接工艺评定时，通过分析相关焊缝收缩量的数据，进行现场模拟接头试验，为实际接头进行焊接收缩预控。结合以往的焊接施工经验，并根据模拟数据，事先对环梁进行预留长度，即构件加工制作时正公差。这样，在实际焊接时，正好抵消焊接收缩量。对立柱也采用同样的放预留量的办法加以解决。

(2)安装与焊接顺序

采取时间和空间错开的方法，合理安排吊装和焊接，既不增大构件变形，又保证施工进度和安全操作，做到了搭接施工。在接头处布置一定数量的定位板，防止在焊接过程中由于构件自重而引起的附加变形：构件安装时，采用临时支撑或结构主梁加以固定。

(3)通过信息化施工手段控制结构变形

在整个焊接过程中。随时用测量仪器进行变形监控，当某个点处偏差可能超控时，调控焊接顺序，及时加以纠偏。结构变形控制贯穿于整个焊接全过程，特别是起初几个区段更为重要。通过焊接过程中的跟踪监测，摸索相应规律，指导后续施工。

4.5　焊接检验

焊接检验按《钢结构工程施工质量验收规范》(GBS020&2001)。焊缝焊完后立即除去渣皮、飞溅，并应将焊缝表面清理干净。低合金钢应在焊缝冷却24小时后进行，低碳钢在焊缝冷却后进行。

(1)焊缝质量要求

(2)外观检查

焊缝外观质量应符合下列规定：

1)一级焊缝不得存在未焊满、根部收缩、咬边、裂纹、电弧擦伤、接头不良、表面气孔、夹渣等缺陷。

2)二级焊缝不得存在裂纹、电弧擦伤、表面气孔、夹渣等缺陷；还应满足表7的有关规定。

3)三级焊缝的外观质量应符合表2的有关规定。

(3)无损检测

检测标准：《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB1134～89)：探伤比例与质量等级：一级焊缝100％UT.B类Ⅱ级合格：二级焊缝20％UT，B类Ⅱ级合格。

5结束语

本文通过对平面圆形大跨超高超重复杂钢结构工程施工工艺的优化阐述，详细的介绍了施工过程，通过对单层折面型空间网格钢屋盖结构焊接工艺进行研究，针对主体结构的特点，总结出一套成熟的焊接施工工艺与施工工法。可以解决施工中的难题，抓住施工工艺的关键环节，保障施工过程质量安全，减少施工措施投入，对其它类似钢结构工程施工具有参考价值。

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