鸟巢合拢焊接技术.doc
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1、6厚板焊接将成为建筑钢结构的主要焊接技术随着钢板厚度的增加,焊接难度大大增加。在我国现行标准GBT1591-1994低合金高强度结构钢和YB4104-2000高层建筑结构用钢板中规定钢板厚度最大为100 mm,不仅可以看出厚板在生产和焊接上的难度,而且还远远落后于建筑钢结构焊接工程的发展速度。无论在理论和实践两方面都证明:建筑钢结构并不一定需要钢板越厚越好,然而由于设计师的理念,建筑钢结构焊接工程中厚钢板得到大量使用。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中Q460-Z35厚110 mm,Q345GJD厚100 mm,北京新保利工程使用轧制H型钢翼板厚125 mm材质ASTMA913Gr60,基本代表了
2、我国建筑钢结构焊接工程的用钢厚度。建筑钢结构厚板焊接技术得到了很大发展,是一项方兴未艾的实用技术。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程采用了与原建筑钢结构焊接工程不完全一致的组合工艺,提高了焊接效率、保证了焊接质量,为厚板焊接技术提供了有益的借鉴经验。61厚板焊接坡口的设计由于厚板焊接量大、难度高,技术界十分重视坡口的设计。坡口小易形成窄而深的形式,焊缝成形系数偏小,影响一次结晶,容易产生区域偏析。在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生。坡口加大,不仅焊接量大大增加,焊缝的焊接残余应力也大大增加,这对钢结构体系初始应力的控制极为不利,同时也影响工程工期。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中,经过大量的
3、试验研究,确定坡口角度和间隙为3035;间隙610 mm。工程实践和工艺评定结果证明了这一坡口角度的科学性、合理性。62预热、后热采用远红外电加热技术厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生,准确的预热温度、层间温度、后热温度是防止裂纹产生的关键,特别是厚板高强钢的焊接尤为重要,这是因为其直接影响和控制高强钢裂纹产生三要素,即扩散氢含量、硬淬倾向和拘束应力。同火焰预热方式相比较,远红外电加热有温度控制准确可靠,可以控制升、降温速度的优点。最重要的是所有采用电加热的焊缝全部受热均匀,从而避免了火焰加热的不均匀和焊接过程中的不均匀叠加而产生附加应力,有效地防止焊接裂纹的产生。由于采用了远红外电加热技术,
4、减少了厚钢板的温度差,同时也减少了不均匀加热和冷却所带来的附加应力,对提高厚板焊接质量十分有效。同其他技术一样,在建筑钢结构焊接工程中,对全国内工程界特别是广大的建筑钢结构施工单位而言,采用远红外电加热技术有一个认识过程,远红外电加热的突出优点将会被人们所认识、接受,并发扬光大。63组合焊接新工艺在厚板焊接中,常规焊接是从打底、填充到盖面全部完成。这种方式由于管理简便而大面积使用,然而该方式也有其局限性。以GMAW为例,在厚板打底焊接中,由于坡口小,干丝伸出过长,气体保护不好而产生缺陷造成返工。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程创建的组合焊接新工艺成功地解决了这一难题。a 打底焊采用SMAW焊条电弧
5、焊。主要有两个目的:一是解决GMAW干丝伸出过长影响焊接质量的矛盾,提高打底焊缝成形质量;二是SMAW和GMAW相比,焊缝稀释率相对较低,这对提高焊缝金属的综合指标较为有利。b 填充焊采用GMAW实芯CO2气体保护焊。主要目的是利用GMAW的高效和熔深相对较大的优点,提高焊接质量和效率。 c 盖面焊采用FCAW-G药芯CO2气体保护焊。主要是提高焊缝的表面质量,获得良好的观感效果。从焊缝成形的角度上看:打底焊和盖面焊是最重要的步骤,如在BOX结构体系的厚板焊接中,缺陷若在打底焊缝,那么返工时间是整条焊缝正常焊接时间的三倍以上。因此,国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中,提出了厚板焊缝一次合格率为10
6、0%的指标,引起了各级管理人员和焊工的高度重视,保证了组合工艺的有效实施,收到了良好的效果。64多层多道接头错位焊接新工艺在钢板的焊接中,多层焊的焊缝质量比单层焊好,多层多道焊的焊缝质量比多层焊好,特别是板厚超过25 mm时效果最明显。因此,在厚板焊接时,首选多层多道焊技术。所谓多层焊技术,不是一次成形,而是多层成形,焊接运条手法允许摆动,焊接厚度一般不控制,适合低碳钢厚板焊接。多层多道焊就是在多层焊的基础上,焊接手法上不允许摆动,焊接厚度要明确规定,以限制焊缝的热输入量。一般规定:GMAW、FCAW-G每一道不超过5 mm通常在35 mm;SMAW用AV值来确定每一道的厚度,通常AV06;在
7、立焊位置允许摆动,但限制摆幅SMAW允许摆动宽度为焊条直径的三倍,GMAW、FCAW-G允许摆动1520 mm。多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上,加入焊接接头每一道次错位连接,即接头不在一个平面内,通常错位50 mm以上,特别适合于高强钢厚板的焊接。多层多道错位焊接技术的显著优点就是上一层次对下一层次进行了有效的热处理,如图20所示图20 多层多道错位焊示意在焊后冷却过程中,焊缝从接近基本金属开始凝固,单道焊的组织为典型的柱状结晶,且共晶粒通常是与等温曲线法向方向即最大温度梯度方向长大。由于凝固是从纯度。7异种钢焊接技术71异种钢焊接概述根据目前焊接技术应用理论的观点,常见的
8、异种钢材焊接分为两大类:(1)类钢能发生相变的钢,包括以铁素体为基础的钢、C钢、低合金钢、Cr-m0耐热钢、高合金铁素体钢、马氏体钢等。(2)类钢不能发生相变的奥氏体钢,包括18-8型、18-12m0型、25-20型钢等。异种钢焊接分三种情况:+;1+2;1+2。在建筑钢结构工程中常见的异种钢焊接为1+2,一般为碳素钢与低合金高强度钢、碳素钢与铸钢、低合金高强度钢与铸钢的焊接,难度最大的为低合金高强度钢与铸钢焊接。“鸟巢”工程中,Q460E与GS20Mn5V的异种钢焊接技术在我国建筑钢结构中尚属首次,根据国家体育场工程Q460E-Z35钢热加工、焊接性方案,在前期Q460E-Z35钢焊接性试验
9、取得的阶段性成果的基础上,进行刚性接头焊接试验。为了使试验结果能够具有针对性,我们结合实际构件中异种钢的焊接方式进行了刚性接头试件的焊接,并进行了相关的力学性能试验,目的是得出该钢种在不同焊接方法、不同线能量及刚性固定条件下的综合力学性能并对其焊接性进行综合评定,从而形成可靠的焊接工艺。在此,以Q460E与GS-20Mn5V的异种钢焊接为典型进行异种钢焊接技术的分析。72异种钢焊接的技术特点与问题异种材料的焊接问题与同种材料焊接相比,有着较大的不同,一般要比焊接同种材料困难。异种钢的焊接性主要取决于两种材料的冶金相溶性、物理性能、表面状态等,两种材料的这种差异越大,焊接性越差。金相组织相同的异
10、种钢焊接时,对焊接性影响不大。金相组织不同的异种钢焊接比同种钢焊接困难很多。因为两种不同金相组织的钢材存在结晶化学性晶格参数、晶格类型、原子半径等差异、物理性能熔点、线膨胀系数、热传导系数、电阻比等差异、力学性能差异、表面状态差异、焊缝稀释率的差异、熔合区形成过渡层和扩散层的差异等;导致金相组织变化或产生新组织,影响焊接热循环过程和结晶条件,使接头性能变坏,熔合区与焊接热影响区的力学性能尤其是塑性下降,以及增大焊接残余应力和产生裂纹。(1)冶金相溶性的差异。晶格类型、晶格参数、原子半径等的差异也就是通常说的“冶金相容性的差异”。两种金属材料在冶金学上是否相容,取决于它们在液态和固态的互溶性以及
11、在焊接过程中是否可以产生金属间化合物脆性相,只有在液态和固态下都具有良好的互溶性的金属或合金才能在熔焊时形成良好的接头。当两种金属的晶格类型相同、晶格常数、原子半径及其负电性均比较相近时,其溶质原子能够连续固溶于溶剂;否则易形成金属化合物,使焊缝性能大幅度降低。能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。为了改善异种金属焊接性能,对不能形成无限固溶的异种金属,可在两种被焊金属之间加入过渡层。选择的过渡层金属与两种金属均能形成无限固溶体。(2)物理性能的差异。两种材料的物理性能差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导系数电阻系数等差异。它们将直接影响焊接的热循环过程、结晶条件和接头质量。当异种材
12、料热性能差异大时会使熔化情况不一致,给焊接造成困难;线膨胀系数相差较大时,会造成接头较大的残余应力和变形,易使焊缝及热影响区产生裂纹;异种材料电磁性相差较大时,而使焊接电弧不稳定,焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。(3)表面状态的差异。材料表面状态是复杂的,表面氧化层氧化膜、结晶表面层、吸附的氧离子和空气分子、水、油污、杂质等状态,将直接影响异种材料的焊接性,必须给与充分重视。此外,在焊接异种材料时,会产生一层成分、组织、性能与母材不同的过渡层,过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响,处理好异种材料的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要。过大的熔合比会增大焊缝金属的稀释率,使过渡层更为明
13、显;焊缝金属与母材的化学性能相差越大,熔池金属越不容易充分混合,过渡层越明显;熔池金属存在时间越长,越容易混合均匀。73Q460E-Z35与GS-20Mn5V可焊性分析及焊接难点Q460E-Z35化学成分和力学性能分别如表11、表12所示。铸钢GS-20Mn5V的化学成分和力学性能分别如表13、表14所示。较高的高熔点物质开始,所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处,便会留下低熔点不纯物质。在多层焊时,对前一道焊缝重新加热,加热超过900 的部分可以消除柱状晶并使晶粒细化。因此多层焊比单层焊的力学性能要好,特别是冲击韧性有显著提高。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程高强厚钢板全部采用了多层多道错位焊接技
14、术,因此,焊接质量良好,证明这项技术有强大的生命力,值得推广应用。731可焊性分析按照国际焊接学会提出的碳当量计算公式进行Q460E-Z35碳当量计算CeqC+Mn6+(Ni+Cu)15+(Cr+Mo+V)5取C0089,Mn137,Ni0074,Cu014,Cr012,Mo0021,V0058。则Ceq0089+1376+(0074+014)15+(012+0021+0058)50497%。按照日本JIS标准提出的碳当量计算公式进行GS-20Mn5V碳当量计算CeqC+Mn6+Si24+Ni40+Cr5+Mo4+V14取C017,Si060,Mn150,Ni040,Cr030,Mo015,V
15、0。则Ceq017+1506+06024+04040+0306+0154+0140543%。GS-20Mn5V碳当量计算时,其化学成分均取上限,实际GS-20Mn5V碳当量可以保证在050%左右。碳当量数值越大,被焊金属的淬硬倾向越大,热影响区越容易产生冷裂纹。碳当量Ceq04%时,淬硬倾向不大,焊接性良好;当碳当量Ceq04%06%时,钢材易淬硬,说明焊接性已变差,焊接时需预热,随着板厚的增大,预热温度也适当提高。Q460E-Z35碳当量为049%,GS-20Mn5V碳当量约为050%左右,远大于04%,所以淬硬倾向大,抗裂性能差,焊接性也较差。732Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊
16、接难点(1)化学成分、力学性能及物理性能的差异。由于铸钢与低合金钢的化学成分、力学性能和物理性能不同,焊接时会产生很多缺陷,如气孔、裂纹等,给焊接操作者带来很大困难。(2)两种材料稀释率差异。GS-20Mn5V+Q460E-Z35的焊接,稀释率更是人们所关心的问题,此时有可能有两种材料产生不希望得到的有害化合物。如采用具有垫板的对接接头时,应注意垫板的成分,因为其有害成分对接头的稀释有可能导致焊缝中发生裂纹。建筑钢结构厚板焊缝大多采用单V型带衬板的坡口型式,V型坡口的根部肯定是稀释率最大的地方,同时也是应力最集中的地方。在打底焊接结束后,每一层的焊肉全都对焊缝根部加载,致使根部质量极不稳定,所
17、以降低稀释率是保证厚板焊缝质量的重要措施。(3)供货状态的差异。GS-20Mn5V供货状态为调质钢,Q460E-Z35供货状态为正火钢。两者供货状态不同,各材料焊接特点不同,焊接难度加大。a 正火钢的焊接特点。正火钢焊接热输入的确定主要依据是防止过热区脆化和焊接裂纹两个方面。由于各种正火钢的脆化倾向和冷裂倾向不同,因此对热输入的要求也不同。对于含钒、铌、钛等强度级别较Q460E-Z35低的正火钢,如Q420等,为了防止沉淀相溶入和晶粒长大引起的脆化,宜选偏小的焊接热输入。正火钢对许多焊接方法都适应,选择时主要考虑产品结构、板厚、性能要求和生产条件等,其中最为常用的是焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气
18、体保护焊。钨极氩弧焊通常用于较薄的板或要求全焊透的薄壁管和厚壁管道等工件的封底焊。b 调质钢淬火+高温回火的焊接特点。调质钢焊接不宜采用大直径的焊条或焊丝,应尽量采用多层多道焊工艺,最好采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。这样不仅使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性,还可以减少焊接变形。双面施焊的焊缝,背面焊道应采用碳弧气刨清理焊根并打磨气刨表面后再进行施焊。如果采用大电流埋弧焊和电渣焊工艺,由于焊接能量大,焊接区加热时间长,冷却缓慢,焊接热影响区韧性急剧下降,因此调质高强钢在经过大电流埋弧焊和电渣焊后必须进行淬火+回火处理。调质钢焊接时为了防止冷裂纹产生,有时需要采用预热和焊后热处理。综上所
19、述,GS-20Mn5V+Q460E-Z35的焊接为调质钢与正火钢间的焊接,两种钢材在焊接工艺上存在差异,导致焊接难度增加。74焊接方法的选择主要根据能否获得优质的焊接接头、接头形式、母材性能、构件工作条件及批量生产等因素选择焊接方法。还应考虑使母材金属熔化量降到最小限度,即尽可能降低熔合比,防止在焊缝过渡区出现脆性的淬火组织和裂纹等缺陷。采用焊条电弧焊方法,工艺较灵活,熔合比较小;埋弧焊则生产效率高;CO2气体保护焊具有广泛的实用性。比较SMAW、GMAW、FCAW-G后确认,以SMAW稀释率为最小。在“鸟巢”钢结构焊接工程中,GS-20Mn5V+Q460E-Z35焊接由于是现场焊接,焊接位置
20、存在一定难度。为提高焊接速度,保证焊接质量,仰焊采用焊条电弧焊SMAW;其他位置采用焊条电弧焊SMAW打底,CO2气体保护焊GMAW填充的工艺。发挥各项技术的特长,焊缝不仅成形良好,且一次合格率相当高。采用焊条电弧焊打底的目的是降低焊缝稀释率;减小焊接时因两侧金属稀释率不同,焊缝产生裂纹的可能性,从而提高了焊接的质量。75焊接材料的选择(1)异种钢焊接材料的选用原则。a 保证焊接接头的使用性能,即保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能。b 保证焊缝金属有一定的致密性,即没有气孔、夹渣或气孔夹渣的数量、尺寸形状不超过允许标准。c 能防止在焊接接头内产生冷裂纹和热裂纹,即对冷裂、热
21、裂不敏感。d 焊缝金属具有符合要求的热强性、耐热性、耐蚀性、耐磨性等,不产生脆性组织,尽可能降低或消除熔合区脆性。e 具有良好的工艺性,即具有良好的操作性能,能适应多层多道焊和全位置焊接等,并有一定的焊接效率。f 焊缝组织具有稳定性,其物理性能要和两母材相适应。(2)Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊接材料的选择。GS-20Mn5V在钢材分类中没有明确规定,但它属于合金钢的一种形式。铸造组织和锻造轧制组织的区别在于综合性能上的差别,一般铸造组织硬度较高,而质地较锻造轧制组织疏松,但是它比较接近于焊缝,焊缝也是铸造组织。Q460E是结构钢中最高级别钢种,GS-20Mn5V虽质地优良,但在综
22、合性能和强度级别方面与Q460E相比有很大程度上的差别。这两种钢的焊接在焊接材料选择方面仅仅从强度理论上着手显然是不够的,这是因为除了强度差别外,还需重点满足焊缝的抗裂性能要求,也是整个焊接技术的难点。因此在焊材的选用上,首先需满足GS-20Mn5V强度上的要求,希望焊缝能达到与GS-20Mn5V等强的要求,同时考虑Q460E具有淬硬倾向、抗裂性能差的特点,重点应用了微合金元素提高焊缝综合指标的机理,既保证了50级的强度,又要有良好的塑性和韧性储备,以提高焊缝的抗裂能力。为此在进行多项试验的基础上,选择CHE507RH、JM58、JM56、TWE-711Ni1等焊接材料作为Q460E+GS-2
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