上海环球金融中心核心筒柱的焊接

1、 应用广角 MODERN WELDING TECHNOLOGY 上海环球金融中心核心筒柱的焊接 Welding of core cylinder of Shanghai World Financial Center 上海斯加科机械有限公司 沈 杰 摘要 矗立于浦东陆家嘴金融贸易区中心的上海环球金融中心，是当今建筑屋顶高度和人可到达高度均创世界 第一的高楼，屋顶高度达，超过了目前屋顶高度世界第一的中国台北大厦（）；在上海环球金融中心钢 结构项目中，尤以三角形核心筒柱（以下简称三角柱）的焊接难度最大。本文介绍三角柱在焊接过程中如何保证焊接 质量和有效控制焊接变形。 关键词 三角柱；焊接性分析；焊接

2、变形 前 言 在上海环球金融中心钢结构项目 焊接性分析 钢材的化学成 分和力学性能 三角柱母材为 建筑结构用钢 （ 宝 钢）和低合金钢铸 件 （ 日 本 生产，见图）， 钢属于 级的低合金 高强度钢，化学成 分和力学性能相当 于国内的钢。 和 的化学成分和力学性能列于表、表。 （）牛腿与铸钢件焊接（ ）栓钉焊。 钢和 铸钢 表 钢材牌号 中（见图），应属三角柱的制作难度 最大，因为在此工程前，本公司没有 生产过此类产品。三角柱的制作从工 艺、装配和焊接来讲都无经验可循。 尤其是三角柱母材厚度为， 柱体焊接件制作完成后与铸钢件进行 对接，然后再进行二次的牛腿焊接， 如何控制好焊接质量和焊接变形，

3、难 度较大。三角柱及断面形式如图图 所示。 三角柱焊接流程如下：柱体焊接 （）柱体与铸钢件对接 件的焊接性 钢材的化学成分 化学成分（质量分数 ） 铸钢（） 表 钢材牌号 图 上海环球金融中心 作者简介：沈杰（），焊接高级技师，现为上海斯加 科机械有限公司生产部副经理。 钢材的力学性能 力学性能 （）（）（）（） 铸钢（） 现代焊接 年第期 总第期 应用广角 MODERN WELDING TECHNOLOGY 表 牌号 焊丝的化学成分和力学性能 力学性能 （） （） （） 牌号 表 焊丝的化学成分和力学性能 化学成分（质量分数） （） 碳当量估测法 由碳当量来粗略估计低合金钢的 否则，可能会引

4、起焊接接头组织和性 能的恶化。焊接过程中如遇临时停顿， 应及时用石棉布进行包裹。重新焊接 后，应先检测焊缝及热影响区温度， 当温度低于预热温度时，应及时作加 温处理。 装配定位焊 定位焊采用 气体保护焊焊接， 长度不小于，与正式焊接一样 进行预热。装配时禁止强制组装，对 角变形和错边量要严格控制，避免未 焊透和应力集中而引起的裂纹。在正 式焊接时将定位焊缝用碳弧气刨刨除 并打磨干净后再焊接，防止因定位焊 缝产生裂纹而影响正式焊缝的焊接质 量。焊缝两端装配引弧板和熄弧板。 焊接材料的选择 气体保护焊可降低焊缝金属的 含氢量，焊接低合金钢时不易产生冷 裂纹。埋弧焊时要选用含碱度较高的 焊剂，防止产

5、生冷裂纹。 焊材选择要考虑焊缝金属和焊接 接头的强度、塑性和冲击韧度。从表 中可以看到，上述两种钢材的化学成 分和力学性能基本接近。根据 钢和铸钢件（）的 化学成分和力学性能应选用低碳、低 硫的焊接材料来调整焊缝金属的成分， 埋弧焊焊剂选用氟碱型烧结焊剂 ，在这种焊剂下焊接的焊缝金属纯 表 度较高，接头的韧性易于保证，并且 具有良好的脱渣性。根据以上分析选 用大西洋焊材（大西洋焊丝化学成分 和力学性能见表、表）。 焊丝 焊丝（） 焊剂 （） 焊接热输入 为了减少焊接接头热影响区的淬 硬倾向和消除冷裂纹，使氢能从焊缝 金属中大量逸出，应采用稍大的热输 入，同时也适当延长了焊接接头熔合 线处的时间

6、，使焊接熔池凝固缓 慢，有利于氢的析出。焊接方法和焊 接参数见表。 焊接热输入的估算： ×× ×× 焊后热处理 焊完后立即用陶瓷加热器加热到 ，然后用无尘石棉布包裹焊 缝及焊缝两侧，保温至常温。进行 焊后消氢处理，防止出现冷裂纹。 焊接性，按国际焊接学会推荐的公式 （ ）计算得出： 碳当量 （） 铸钢件（）碳当量 （） 当碳当量时， 钢材的淬硬倾向较为明显，容易产生 裂纹。 冷裂纹 钢和铸钢件焊 接时，在焊接接头的热影响区和焊缝 金属中会产生淬硬组织，对冷裂纹的 敏感性提高，接头的韧性降低。冷裂 纹主要是在以下三大因素共同作用下 产生：淬硬组织、氢的富集

7、和拘束应 力。 防止冷裂纹的工艺措施 焊前预热和层间温度 预热是避免焊接冷裂纹的有效措 施，有利于焊接时焊缝和热影响区中 的氢扩散逸出，同时也延长了从 的冷却时间（的时间最合适 的范围是），防止热影响区出 现淬硬组织。三角柱母材板厚为 ，焊接前必须进行预热，预热 温度控制在之间，预热的宽 度为焊缝两侧各不低于。为了 保持预热的作用，层间温度通常应等 于或略高于预热温度，控制在 之间。预热温度和层间温度不应过高， 焊接变形的控制 焊接变形是焊接生产中普遍存在 的现象，在焊接中产生的焊接变形会 造成构件尺寸形状的变化，这种变化 焊接方法和焊接参数 施焊温度 焊接热输入 冷却时间 焊丝直径 焊接电流

8、 焊接电压 焊接速度 焊接方法 （） （） （） （） （） （） （） 预热 层间 现代焊接 年第期 总第期 应用广角 MODERN WELDING TECHNOLOGY 超过一定的数值后，可能无法与其他 的构件连接或没有足够的加工余量进 行切削加工。即使能校正，不仅费时 费力，而且又增加了构件的附加应力， 对构件的使用不利。因此，在焊接过 程中控制好焊接变形是相当必要的。 三角柱在焊接过程中主要分为柱 体焊接、柱体与铸钢件焊接以及牛腿 与铸钢件焊接三部分，柱体焊接和柱 体与铸钢件焊接时主要是横向的收缩 变形和弯曲变形。牛腿与铸钢件焊接 时主要是角变形。 横向收缩变形可以通过加放焊接 收缩余

9、量来加以控制，弯曲变形和角 变形可以通过焊接顺序加以控制（如 后序焊缝的变形可对前序焊缝的变形 起到抵消的作用）。 单对接焊缝横向收缩近似值及公 式： ×（） 收缩近似值 由式中得出 ×× ×× 柱体焊接 为保证焊接后的外形尺寸，在 板厚 置在水平胎架上，保温，最后空冷。 焊接顺序和焊缝高度见图。 柱体与铸钢件焊接 三角柱柱体部分焊接、校正后， 与铸钢件连接处开对接坡口并预留焊 接收缩余量。板厚为的柱体每 处焊接收缩余量为。板厚为 的柱体每处焊接收缩余量为。其 中，上端顶部段和下端底部段除了焊 接收缩余量外，还包含了的最终 加工余量，此余量在整

10、体构件焊接后 才能切除，两端的现场焊接坡口在整 体焊接后切割。 焊接时装引弧板，引弧板为板 吊放在迴转架上，见图。旋转至平焊 位置时焊接。焊接前应在铸钢件部位 下部用千斤顶顶住。每根三角柱本体 是三段焊接件与二段铸钢件进行对接， 共形成个节点。人同时连续焊接， 以保证焊接过程中焊缝不会冷却，直 至焊完。在焊接过程中，每个节点形 成的条焊缝利用迴转架多翻身，控制 焊接变形。第一次焊接时，每边焊接 层，开始旋转，个面都焊接完后， 进行第二次焊接，每边焊接层，依 次旋转，直至焊接完成。 牛腿与铸钢件焊接 装配时焊缝横向加放焊 接收缩余量。 装配引、熄弧板。 在牛腿与铸钢件焊接时，我们 将箱形牛腿与铸

11、钢件形成的两条焊缝 进行交错焊接，牛腿与铸钢件对接形 式见图。正面焊缝先用气体保护 焊打底，然后用埋弧焊焊至坡口的 时就翻身。反面焊缝同样先用气体 保护焊打底，再用埋弧焊焊过渡层及 盖面，直至焊完再翻身，在打底时 应用碳弧气刨清除定位焊的焊缝并打 磨干净。接着将正面焊缝用埋弧焊焊 完，在焊接过程中每焊完一层焊缝用 圆头小锤均匀、适度地敲击焊缝，降 低焊接应力。以此类推，将每根三角 柱上的牛腿焊缝全部焊完。 每段构件内部两端加装工艺保持板。 保持板板厚一般为，保持板实 际尺寸比设计内腔尺寸小，保持板 的装配见附图。考虑焊接装配垫板的 位置，保持板外皮距端口大于。 各段两端加放收缩余量。 焊接使用

12、迴转架，除打底用 气体保护焊外，其余采用埋弧自动焊。 预热后先焊大坡口焊缝，每条焊缝焊 至坡口内时即翻身，条焊缝交替 焊接，以减小构件的焊接变形。连续 焊接，焊完后用无尘石棉布包裹，放 效果检查 厚三角形小板，装配在柱体坡口 切割相贯线侧，与焊缝边缘连接，先 焊接的一侧按常规焊接，后焊接的一 侧用碳刨清根。然后各道焊接时都应 在引弧板处用碳刨清根。 用气体保护焊焊接，将柱体 三角柱焊接完成后，未发现焊接 裂纹，焊接质量较为稳定。 柱体直线度检查结果旁弯最大尺 寸为±。 牛腿对角线及牛腿与三角柱中心 （下转第页） 现代焊接 年第期 总第期 应用广角 MODERN WELDING TEC

13、HNOLOGY 表 焊接方法 单丝 双丝 热处理 单双丝窄间隙埋弧焊组织及硬度 组 焊缝 热影响区 焊缝 热影响区 织 贝氏体回火组织 贝氏体回火组织 贝氏体回火组织 贝氏体回火组织 硬度（） 较，可以看出双丝窄间隙埋弧焊在生 产中的强大优势，对于焊接相同规格 的产品焊接时间大约节约了，也就 是说，理想情况下单丝窄间隙焊接 天的工作量，双丝窄间隙天就能完 成，由此可见对生产效率将是很大的 提高。 另外，焊接过程中如果焊丝与坡 口边缘的距离控制不好，则容易出现 咬边或未熔合等缺陷，因此焊接过程 中应注意焊丝距坡口边缘的距离，可 通过跟踪定位装置及弯丝的侧向偏移 保持焊丝与坡口距离的恒定，同时应

14、保证坡口加工尺寸和装配尺寸符合要 求。年月，公司在一批大厚度产 品上推广试用该种焊接技术，实际生 产证明，双丝窄间隙埋弧焊焊接效率 高，且产品焊接试板性能结果良好， 大大缩短产品制造周期，极大地提高 了公司产品的制造能力，达到了预期 效果。 表 焊接方法 单丝 双丝 单双丝窄间隙埋弧焊回火脆化倾向性评定试验 回火脆化倾向性评定试验：（要求） 焊缝 热影响区 注：以上为×小时退火；为×小时退火。 表 焊接方法 单丝 双丝 熔敷焊道数 单双丝窄间隙埋弧焊熔敷效率对比 焊接速度 （） 试板规格 （×） × × 每道时间 （） 试板总焊接时间 （） 有

15、些差别外，其余元素基本相差无几， 可见双丝焊并没有因为比单丝焊有更 大的热输入量而使合金元素有较大的 烧损。 一般认为，增加热输入对焊接接 头的性能有比较坏的影响，尤其对韧 性影响较大，对于低合金钢的焊接来 说，较高的热输入在造成焊缝金属结 晶时，高温停留时间过长，形成粗大 的枝状晶，使接头的韧性严重降低。 然而，从以上力学性能的比较中，我 们可以看出：双丝窄间隙埋弧焊各项 性能并没有比单丝窄间隙埋弧焊差。 这是因为在双丝窄间隙埋弧焊中，前 丝采用直流电源，后丝采用交流电源， 两焊丝之间的距离很小，使得两熔池 部分重叠而形成了更大的熔池，在前 丝熔池尚未凝固的时候，后丝电弧迅 速将前丝熔池加热，熔入更多的金属； 同时，后丝产生的交变电流不断“搅 拌”熔融铁水，这便使粗大的枝状晶 不易形成，达到了细化晶粒的目的， 并且由于熔池较大，使熔敷金属在液 态停留时间更长，有利于化学成分的 均匀化，得到更好的组织和性能 。 从表两种焊接方法焊接效率的比 参考文献 崔 忠熙 金属学与热处理（铸造、焊接专业用） 机械工业出版社 （上接第页） 轴线之间的最大偏差尺寸为±。 三角柱的设计允许偏差为±， 虽然牛腿对角线及牛腿与三角柱中心 轴线之间的最大偏差尺寸为±。 但只需稍加校