铸钢件与无缝钢管焊接技术

1、2012-06-03 10:39:46 26.53%铸钢件与无缝钢管焊接技术华东分公司 臧盐龙摘 要：本文结合京沪高速铁路镇江南站站房工程铸钢件同无缝钢管焊接施工中一些技术工作及相关经验，通过设计院的相关设计文件及现场焊接工艺的指导，经过权威专家的评审，最终根据焊接的成果总结出了在管桁架结构的现场安装中铸钢件同无缝钢管的焊接工艺及注意要点。 关键词：京沪高铁；镇江南站；铸钢件；无缝钢管；焊接技术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 前言京沪高速铁路总长度1318公里，是新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路。京沪高铁的每一座站房都成为了百年不休的精品铁路站房。镇江南站是镇江市第一座现代化的线下式高架站房，巨大的、银白色的圆弧包裹着高速铁轨和线下站房，在阳光下熠熠闪光，气势非凡，雄伟壮观。镇江南站新颖的建筑形式决定了站房结构的复杂性。按照京沪高速铁路站房无柱雨棚的设计理念，镇江南站大雨棚结构大量采用了新型材料节点铸钢节点（主要应用于柱贯通式节点及其他复杂节点）。铸钢节点由于在厂内整体浇铸可免去节点相贯线切割以及消除重叠焊缝焊接所引起的应力集中，同时铸钢节点有良好的适用性，可铸造成各

5、种形状以满足建筑及结构的需要。本文详细介绍以京沪高速铁路镇江南站工程铸钢节点与无缝钢管复杂空间节点焊接的关键施工技术2 工程概况新建京沪高铁徐州至上海段镇江南站位于江苏省镇江市，在既有沪宁线以北，在常州北站和南京南站之间。京沪高铁镇江南站为全高架车站，站台规模为两台六线，双岛式站台。镇江南站站房形式为线正下式站房，由中心站房（大雨棚）和两边的站台小雨棚组成，中心站房（大雨棚）建筑外墙东西面宽105m，南北进深83.58m。站房屋盖为拱形钢结构，主构件为落地拱形桁架，呈椭圆形沿站房中心点对称布置。东西侧站台区（小雨棚）站台层标高为13.75。屋盖的无柱雨棚采用拱形钢结构，主构件为落地拱形桁架,跨

6、度58米，结构最高点距地面28.79m。由于本工程的大雨棚结构外形特殊、跨度大使某些节点处的杆件截面增大、杆件数量增多、节点构造复杂, 采用常规节点均无法满足设计要求,所以在这些节点处采用了铸钢连接。整个工程中的铸钢节点数合计32个，同铸钢件相连的无缝钢管的规格为1200 mm30 mm、1000 mm24 mm、450 mm24 mm、299 mm16 mm、219 mm12 mm、180 mm10 mm。铸钢节点与铸钢支座在网壳中的分布如图1、图2所示。图1 大雨棚屋面结构平面布置图图2 大雨棚屋面结构立面剖面图说明：节点为空心铸钢件，共计24个。节点为实心铸钢件，共计8个。3 本工程铸钢

7、节点的几种形式 本工程铸钢件节点为树型铸钢件节点，具体见图3、图4。1200mm的支撑钢柱，顶端用铸钢节点和四根斜的钢管做支撑构件图3 支撑钢柱（节点）铸钢件节点效果图图4 铸钢节点（节点）同桁架连接效果图、原设计图（其它节点类似）4 现场焊接工艺焊接用途的铸钢件材料可按GB/T7659-2010 焊接结构用铸钢件选择，该标准有3个牌号，最高牌号是ZG275-485H。近年高牌号钢材应用越来越普遍，我国铸钢件标准没有与之相当的牌号，现多参照DIN EN 10293选择材料，采用G20Mn5，该材料焊接性能良好，合理控制化学成分，配合热处理，其屈服强度300MPa，抗拉强度500MPa，完全能达

8、到与Q345相当的力学性能。本文中铸钢节点焊接为异种材质焊接，即材质为G20Mn5的铸钢件与材质为Q345B的无缝钢管焊接。其焊接的难点和重点在于异种材料焊接工艺的确定和高空全位置焊接中节点变形的控制。4.1 可焊性分析4.1.1 根据原设计图纸对桁架材料的要求，所有无缝钢管的材质均为Q345B（表1）。表1 Q345B钢材化学元素含量表牌号CSiMnPSVNbAlTiQ345B0.20 0.551.70 0.04 0.040 0.02-0.15 0.015-0.060 -0.02-0.204.1.2 根据上表格Q345B无缝钢管的材料性能，铸钢节点采用可焊接铸钢GS-20Mn5QT。其化学成

9、分和力学性能如表2。表2 G20Mn5钢材化学元素含量表牌号CSiMnPSNiG20Mn5QT0.170.230.601.01.600.020.020.8注：实际碳含量比表中碳上限每减少0.01%允许实际锰含量超出表中锰上限0.04%，但总超出量不得大于0.2%（表3）。表3 G20Mn5铸钢材力学性能表牌号铸件壁厚s(MPa)b(MPa)(%)Akv(j)G20Mn5QTt652404506002470注：其中Akv为室温下的数值钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般

10、都比碳小得多。钢中含碳量增加，淬硬倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。通过上述两个表格的对比，Q345B碳含量0.20，G20Mn5铸钢件碳含量在0.170.23之间，没有超过0.25，故两种材料是可焊接的。4.2焊接工艺的确定该工程设计要求所有铸钢件同无缝钢管的焊接均为V形坡口（形式如图5），此坡口形式可减少焊接断面，减少根部与面缝部收缩差，防止由于焊接应力过度集中在近面缝区产生撕裂现象。节点立面图节点立面图节点立面图节点立面图节点剖面图节点剖面图节点剖面图节点剖面图图5 铸钢节点（节点）坡

11、口形式4.2.1 焊接参数选择(表4) 表4 焊接工艺评定项目表序号评定项目预热温度焊材的选用备注1Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(40 + 70mm) 实芯焊丝CO2气体保护焊平焊焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000CJM581. 2 打底、中间、盖面本工程中铸钢件的焊接壁厚有以下几种：（25、45、50、65）mm；而Q345B材质同铸钢件连接的无缝钢管壁厚为：（10、12、16、24、30）mm。故铸钢件采用壁厚为70mm及Q345B材质的无缝钢管采用板厚为40mm。满足了现场所有焊接节点2Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(40 + 70mm

12、) 实芯焊丝CO2气体保护焊横焊焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000C3Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(40 + 70mm) 实芯焊丝CO2气体保护焊横立焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000CJM561. 2 打底、中间、盖面4Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(40 + 70mm) 实芯焊丝CO2气体保护焊坡立焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000C5Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(50 + 32mm) 手工电弧焊仰焊焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000CCHE5073. 2

13、打底,4. 0 中间、盖面6Q345B + GS - 20Mn5QT 钢(50 + 32mm) 手工电弧焊坡仰焊焊接工艺评定铸钢件2202500C无缝钢管1802000C综合考虑现场拼装焊缝的焊接位置,焊接效率和减小热输入、控制焊接变形量,拟采用以下焊接方法： 所有仰焊、坡仰焊位采用手工电弧焊； 平焊、横焊、立焊、坡立焊位采用CO2气体保护焊； 所有焊缝的打底焊选用焊条打底(由于构件制作的误差,坡口间隙或大或小,根据坡口间隙选用直径3. 2 4. 0 的焊条)； 焊接电流及电压的选择见表5、6。 表5 手工电弧焊焊接工艺参数表焊接方法焊接位置焊条电流电弧电压层次手工焊仰焊3. 2mm11014

14、0A2022V打底手工焊仰焊4.0mm140180A2025V中间手工焊仰焊4.0mm160180A2025V盖面表6 CO2 气体保护焊焊接工艺参数表焊接方法焊位焊丝焊接电流电弧电压气体流量层次CO2气保焊横焊JM58180220A3035V2227 l/ min打底CO2气保焊横焊JM58200280A3040V2227 l/ min中间CO2气保焊横焊JM58200280A3040V2227 l/ min盖面CO2气保焊立焊JM56100120A1523V2024 l/ min打底CO2气保焊立焊JM56180200A2025V2024 l/ min中间CO2气保焊立焊JM5617019

15、0A1924V2024 l/ min盖面4.3焊接工艺及步骤4.3.1组对组队前将铸钢件接头坡口内壁1520mm的锈蚀和污物清理干净并将凹凸处磨平。4.3.2校正、预留焊接收缩量组队后用同心度仪等专用器具对同心度、曲率过渡线认真核对，确认无误后，用手拉葫芦、千斤顶等工具把接头处坡口间隙顶至收弧部大于起焊部1.52mm的焊接收缩量，以保证整个焊接节点最终的收缩相等，避免焊接应力的产生，然后进行定位焊。4.3.3焊前防护及清理本工程铸钢件焊接属于高空作业，所以焊接前需搭设操作平台，并检查该平台是否稳妥、安全。焊接部位用彩条布或防护帆布搭设防风防雨措施。定位焊的起焊段与收弧处必须用角向磨光机修磨成缓

16、坡状，分段检查并确认无未熔合、裂纹、气孔等焊接缺陷，清除飞溅及粉尘。4.3.4 焊前预热G20Mn5的铸钢件与Q345B的无缝钢管在焊接时对预热温度、层间温度、后热温度要求较高，焊前预热是加热阻碍焊接区自由膨胀、收缩的部位，使其达到预定的温度值。其目的是消除焊接区段骤冷骤热差、蕴含水分，减缓始焊层温度散失，推迟收缩发生的时间。预热时应沿焊缝中心两侧100mm以内进行全位置均匀加热。加热温度按照本工程焊接工艺评定选择。当预热温度达到预定值后，恒温2030分钟。温度的测试需在离坡口80100mm处采用远红外温度计进行。加热要绕管运作，避免因加热不均匀、单点温度过高而造成对铸钢件的损伤。4.3.5

17、正式焊接 根部焊接全位置管-管对接接头在焊接根部时，应自焊口的最低处中心线10mm处起弧至管口的最高处中心线超过10mm左右止，完成半个焊口的封底焊，另一半焊前应将前半部分始焊与收尾处修磨成缓坡状，在前半部分焊缝上起弧至前半部分结束焊缝上收弧，完成整个管口的封底焊接，确保焊肉介于3.03.5mm。 填充层焊接在焊接填充层时，要注意保证较高层间温度，使正在焊接的层次与已焊层特别是近根部层的温度差较小，从而使得焊接接头从压应力状态转变成拉应力状态（焊缝厚度的1/21/3）的时间尽可能延长，从根本上避免冷热裂纹的产生。填充层焊接前应也别注意剔除前层焊道上的凸起部分与黏附在破壁上的粉尘，注意消除坡口边

18、沿条状、豆状未熔合物及凹陷夹角。每道焊道应保持宽810mm、厚34mm。运焊时采用“8”字方式，焊接仰焊部位时采用小直径焊条，仰爬坡时电流逐渐增大，在平焊部位再次增大电流焊接，在坡边注意停顿，以便于焊缝金属与母材的充分熔合。在接近盖面时应注意均匀留出1.52mm的坡口深度，不得及坡口边，为面层焊缝做好准备。 面层焊接：面层焊接直接关系到焊接接头的外观质量能否满足要求，因此应严格按照工艺评定参数执行，水平固定口的宽幅小于焊条直径的1/51/4时，可不采用多道面缝，垂直与斜固定口须采用多层多道焊。严格执行多层多道焊原则，以控制线能量的增加，焊缝严禁超高超宽。在焊道清理时尽量减少碳弧气刨，一面焊道表面附着的高碳晶粒无法完全清除，致使焊缝内含碳量增加，从而出现延迟裂纹。 后热与保温（消氢处理）焊后热处理采用电加热法，采用10kW的绳形加热器加热，2根K型热电偶测温，硅酸铝玻璃纤维棉保温，DWK-A360型热处理控制器控制温度，打点式自动温度记录仪记录温度曲线。加热绳根据管径不同选择，加热绳沿接管周向以焊缝为中心逐圈缠绕，不允许重叠，宽200mm，加热区以外不小于100mm范围内采用硅酸铝玻璃纤维棉保