大型超厚G20Mn5铸钢件异种钢焊接施工技术

工艺与新技术··

37Welding

Technology

Vol．44

No．3

Mar.

2015文章编号：1002－025X(2015)03-0037-07大

型

超

厚铸

钢

件

异

种

钢

焊

接

施

工

技

术G20Mn5路

程

钟红春

汪永胜

叶代英

杨永彬，，，，中建钢构有限公司华南大区

广东

广州，

510640）（摘要

以广州东塔桁架层连接处巨型铸钢节点为背景

对建筑钢结构：

，超厚铸钢与钢异种焊接技术进行了研究。425

mmG20Mn5Q345C通过合理地构件分段

焊缝坡口设计

焊接材料选择

工艺参数优化

焊接顺序

以及采用计算机温控电加热技术

进行焊前均匀预、、、、，，热

层间温度控制

焊后保温

较好地实现了消氢处理与焊后残余应力的释放

有效地解决了施工空间受限

焊接热应力影响区过度，、、，、集中的异种钢焊接难题

经分析发现

该。

，铸钢焊缝接头的综合力学性能与理论值基本吻合

且较好满足设计与使用要求，

。G20Mn5关键词

钢结构

铸钢件

异种钢焊接

焊接热应力

裂纹；：；；；中图分类号文献标志码：

B：

TG457DOI:10.13846/12-1070/tg.2015.03.011影响区过度集中

加大了本工程焊接施工的难度，。前言本文着重阐述了广州东塔工程关于巨型铸0G20Mn5随着铸造工艺的提高

铸钢节点以其合理性与，钢件与Q345C厚板接头的焊接施工方法

为本工程，实用性越来越多地应用于空间建筑结构上

在一些。及后续相关铸钢件的焊接施工与应用研究提供一定复杂多支腿

大跨度结构中

因铸钢节点不受节点、

，实践指导和参考依据。位置

形状

尺寸的限制

其采用工厂整体浇铸成，、、形

可避免多节点相贯焊接造成应力集中的现象，工程概况。1目前

在国内外对荷载较大

受力复杂的关键部位，

、广州东塔总建筑面积约为

万50地下

层5

、2m

，地上112

层

建筑总高度530

m，

塔楼沿高度方向设，采用铸钢节点形式取得了很好的经济效益［1］。但铸钢件属于脆性材料

晶粒粗大

匀质性差，

、有

道桁架加强层

包括核心筒钢板剪力墙

伸臂5

，

、，结构较轧制钢板疏松

又因其加工后的热处理状态，桁架及双层蝶式环桁架

其中在塔楼，

67F

～68F，不一

使组织与力学性能存在差异

铸钢件与低合，

。核心筒四角钢板墙与伸臂桁架连接处采用92F～94F金结构钢的焊接为两种不同材质的焊接

往往会产，铸钢节点

每道伸臂桁架层共设

个实心铸钢节点，

8，生过大的焊接收缩应力

增大了铸钢件厚度方向的，其在整个塔楼结构中属于核心构件

如图

和图，

1

2层状撕裂倾向

若焊接材料

焊接工艺选取不当，

、所示。，易使焊缝产生冷裂纹

气孔等缺陷、目前

在国内，［1］。铸钢件铸钢件铸钢节点焊接多见用于网架

场馆类建筑结构上、，较少见报道应用于超高层钢结构建筑本工程所铸钢件铸钢件铸钢件铸钢件［1－4］。采用的铸钢件自身质量大结构尺寸大

最（（12

t）、大板厚且铸钢节点区存在密集

多向异、北西铸钢件铸钢件425

mm），东南种对接接头

施工空间受限

局部区域焊接热应力，

，收稿日期：

2014-07-25基金项目

中建总公司课题

（）图塔楼核心筒铸钢件分布图：CSCEC－2010－Z－01－5－031工艺与新技术焊接技术第卷第

期3年

月2015

338··44结构出现较大变形偏差

本工程采取先于制作厂内。将铸钢件局部与Q345C钢构件组焊连接成吊装单元，尽量减少现场异种钢对接焊工作量

同时将。220

mm的核心筒钢板墙制成厚双贴板

错、Q345C110

mm位坡口与铸钢对接焊

其后待核心筒钢，G20Mn5QT板墙

铸钢连接件全部安装焊接完

最后再施焊伸、

，臂桁架与铸钢对接焊缝如此能有效避（t＝220

mm），免铸钢节点部位热应力过度集中

结构变形等现象、，如图

所示4。图伸臂桁架与铸钢节点焊接接头立面分布图2铸钢件结构特点1．1本工程铸钢件材质为G20Mn5QT，

其长度6

100mm，

横截面尺寸为425

mm×425

mm，两侧与伸臂桁架连接臂厚

单件自身质量达220

mm，件存在多部位与该铸钢12

t，钢异种对接焊

在国内诸多，Q345C钢结构工程中

属于加工难度较大的铸钢节点

其，

，结构形式与尺寸如图

所示3。图铸钢连接节点焊缝截面分布图4铸钢件节点形状不规则

较厚且不均匀、

，（3）使构件难以获得均匀的预热温度

焊缝易产生冷裂，纹

此时

必须采取有效的预热措施

确保铸钢件，。，均匀预热。该铸钢节点为超厚板焊接

焊缝填充需多，（4）图铸钢件结构形式与横截面尺寸G20Mn5层多道持续施焊完成

焊缝余高会产生应力集中，

，3铸钢件焊接难点分析铸钢与低合金结构钢化学成分

力学性能使焊缝出现层状撕裂

此时

在施焊期间应减少使。

，1．2用碳弧气刨

每道焊缝余高控制在

同时焊，

0～4

mm，（1）、和物理性能存在较大差异

且铸钢组织疏松

晶粒，

、后及时加热保温。粗大

性脆

若过多的铸钢成分熔入到熔池中

易，铸钢件刚性较大

返修会使局部应力加剧，

，、，（5）使焊缝过渡区产生脆性的淬火组织与裂纹等缺陷且降低调质态铸钢的强度

应尽量采取措施降低铸，［5］，则应尽可能降低铸钢等焊接母材金属的熔合比

可，钢对接焊缝返修率

避免二次返修，

。通过对铸钢件不开坡口与钢板单面

形坡口VQ345C全对接铸钢件焊接。2铸钢件为截面的实心构2．1

G20Mn5

铸钢与Q345C

钢焊接性分析（2）425

mm×425

mm件

板厚较大

安装现场与多向构件连接焊

且接、焊接母材，，2．1．1头位置较集中

易造成多向焊接热应力拘束

焊后，

，在本工程中

铸钢件节点与核心筒钢板墙结构，

、工艺与新技术··

39Welding

Technology

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No．3

Mar.

2015伸臂桁架结构等焊接相连

核心筒钢板墙

伸臂桁，

、接过程中易产生裂纹

需制订严格的预热温度及焊，架等结构材质均为钢

其化学成分

力，

、接工艺方法Q345C

Z15。学性能分别见表

和表1铸钢件为砂型铸造而成焊接材料选择2。2．1．2的低合金高强度钢

供货态经调质处理，铸钢与

钢的焊接属于异种钢焊Q345CG20Mn5，G20Mn5其化学成分

力学性能分别见表

和表、

3符合接

在焊材的选用上

除了依据低强度理论外

还，4，，，铸钢节点应用技术规程

的标准》需考虑满足焊缝的抗裂性能要求

首先

根据设计。

，CECS235：

2008

《要求要求与建筑钢结构焊接技术规程

中》。JGJ81—2002

《表钢化学成分

质量分数（焊材匹配原则

按，钢选用级焊材

但E50

。1Q345C）（％）Q345C元素铸钢具有淬硬倾向

抗裂性能差的特点

考、

，CSiMnPS标准值实测值G20Mn5≤0．200．13≤0．500．38≤1．701．53≤0．0300．021≤0．0300．007虑应用微合金元素提高焊缝综合指标的机理

在保，表钢的力学性能证满足

级强度的同时

又使焊缝获得良好的塑韧50

，2Q345C屈服强度抗拉强度伸长率冲击吸收功性

以提高焊缝的抗裂能力，因此

在进行多项试，/MPa/MPa470～630557（％）/J

（0

℃）［8］。标准值≥345≥21≥26验的基础上

决定采用，型焊丝

其熔敷金属，实测值43726．0117ER50－6化学成分与力学性能分别见表

和表5表铸钢件化学成分

质量分数（

）3G20Mn5（％）6。表熔敷金属的化学成分

质量分数（

）元素5（％）CSiMnP≤SNi≤0．80—标准值实测值元素0．17～0．23

≤0．60

1．00～1．60

≤0．020≤0．0200．007CMn1．40～1．851．48Si0．80～1．150．92SP0．180．291．6220。1．100．012标准值实测值元素0．06~0．150．098≤0．0250．010Mo≤0．0250．013V注材料号为：表铸钢件的力学性能4G20Mn5QTCrNiCu标准值实测值屈服强度抗拉强度伸长率冲击吸收功≤0．0150．027≤0．0150．022≤0．500．11≤0．150．004≤0．300．001/MPa≥300405/MPa（％）≥2224．8/J

（0

℃）标准值实测值500～650572≥60表熔敷金属的力学性能6—屈服强度抗拉强度

伸长率冲击吸收功/MPa≥420431/MPa（％）≥2228．5/J

（30

℃）按照国际焊接学会钢碳当量如下提出的碳当量公式

计，标准值实测值IIW≥500≥2758，

76，

116算Q345C542：屈服强度匹配系数

熔敷金属屈服强度与母（w（C）eq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Cu＋Ni）/15≈0．379％。按照日本

标准提出的碳当量计算公式进行JIS材屈服强度之比值

和抗拉强度匹配系数

熔敷）

（G20Mn5QT

铸钢碳当量计算如下金属抗拉强度与母材抗拉强度之比值也是反映：），焊接接头力学性能非均质性的重要参数

当焊缝。CE＝C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14≈0．487％。强度与母材强度之比大于称为超强匹配

等于；1，当时

焊接性好

当，

；称为等强匹配

小于；1

（最低

0．86），称为低强w（C）eq≤0．4％w（C）eq＝0．4%1，时

焊接性稍差

在焊接时需制订严格的热处，

，匹配

对于建筑钢结构工程

多采用等强或超强。

，～0．6％理工艺措施

当；时

焊接性较差

属难，

，匹配［8－9］w（C）eq≥0．6％。焊材料

需采用较高的预热温度和严格的工艺方法，实际施工验证表明

采用比母材强度低，10％的。两种材料中等有害元素含量均未超出规定焊接材料施焊

即抗拉强度系数在（以上

能够），S，

P0．9值

对该铸钢件节点的焊接性能影响较小，实现焊接接头等强度设计

如果抗拉强度系数在，［5－7］。由以上分析可知，

Q345C钢的碳当量以上

接头强度也可达到母材的

以上

这95％w

（C）eq0．86，，其淬硬倾向不大

热影响区不容易产生冷裂，与母材对焊缝金属的拘束作用有关型。

ER50－6［10］0．4％，纹

焊接性良好

但，

；铸钢的碳当量焊丝熔敷金属与钢及铸钢的强度匹G20Mn5G20Mn5QTCE>Q345C焊接性较差

且其整体刚性大

强度高

焊，配关系见表0．4％，，、7。工艺与新技术焊接技术第卷第

期3年

月2015

340··44表焊缝强度匹配系数屈服强度匹配系数ER50－6/Q345C

ER50－6/G20Mn5

ER50－6/Q345C

ER50－6/G20Mn5对称安排

名焊工

同时进行焊接

和

号焊缝4

，

①

②

，7抗拉强度匹配系数其余板厚对接焊缝先均不焊

且不打底加焊

其，

；匹配组合系数值0．991．060．970．95后

待现场所有钢板墙安装焊接完

开始焊接伸，

，由表

结果可知7焊丝熔敷金属的屈服臂桁架

与铸钢件接头2最后焊接伸臂桁架③，

1，

ER50－6强度系数

抗拉强度系数对于两种母材而言

上下、

，与铸钢件接头④。波动均不超过且由焊丝的化学成分与力学性10％；能可知

其熔敷金属的塑韧性与，钢的接近，Q345C故采用该焊丝既能很好地保证焊接接头等强设计，又使焊缝接头具有较好的塑韧性与抗裂性。焊接工艺分析2．2根据本工程实际情况

在施工现场与构件制作，厂进行多项严格的焊接工艺评定

最终确定该，异种钢节点对接焊采用半自动G20Mn5＋Q345CCO2气体保护焊和实心焊丝的工艺完成

焊缝设计为，图铸钢接头焊接顺序平面示意图钢开斜单面

形坡口

如图

所示

同V

，

5

；6Q345C45°时

焊接过程采用经评定合格的工艺参数

见表，

，铸钢节点立面安装顺序如图

所示7，

①~④立焊8。缝对应于图

中

号焊缝6

①立焊缝对应于，

①’

~④’图

中

号焊缝

首先安装每个角部铸钢件制作单。6②元

其次安装其左侧钢板墙

最后安装上侧钢板墙。，，第

步

待左侧钢板墙安装校正完

安排名焊1，，6~8①~②与①’

~②’3~4

名焊工施焊钢板墙底部③号焊缝

第

步

待上侧钢板墙安装矫正完

安排工分上下两段

同时对称焊接立，焊缝

第

步

安排；2，；3，，4图接头坡口设计示意图名焊工分上下两段

同时对称焊接，④~④与④’

~④’5表焊接工艺参数8立焊缝

其后再焊接

号焊缝

第

步

待所有核；焊材，⑤4，保护气体

焊接

电弧焊接方法保护气体焊接速度

热输入直径心筒钢结构焊接完

最后进行焊接伸臂桁架处的⑥，道次流量电流

电压型号-1

-1/（cm·min

）/（k

J·cm

）-1/（L·min

）

/A/V/mm号焊缝

焊接过程中所有立焊缝均采取分段跳焊的。打底层填充层盖面层GMAW

ER50－6GMAW

ER50－6

1．2

COGMAW

ER50－622～25

190～220

26～30

30～4020～24

230～250

28～32

35～4418～22

200～230

25～28

25～35≈10．5≈12．9≈9．5方式进行

水平焊缝则无要求，2。节点焊接顺序为了避免铸钢节点产生焊接应力集中

应采取，2．3合理的焊接顺序

以便有效避免铸钢节点局部区域，产生较大的残余应力

从而避免结构焊后出现较大，变形或形状偏差。核心筒每个角部铸钢连接结构包括铸钢与钢板墙制作单元

现场对接钢板墙

两榀伸臂桁架、

、等三部分

如图

所示

安装焊接时

首先两边。图铸钢接头现场施焊立面示意图，6，7工艺与新技术··

41Welding

Technology

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Mar.

2015理

预热过程中

采用电脑温控仪设定自动控温

预热，。，焊接质量控制焊前准备温度为150

℃，

预热时间为8

h，使铸钢件整体处于恒3温状态

对于无足够空间设置电加热方式的部位

则在。

，3．1在G20Mn5

铸钢＋Q345C钢接头焊接前

清除每，焊前

采用氧乙炔中性焰集中加热到相同温度1

h

。个接头坡口及两侧的水分

油脂

锈蚀等杂物

其。焊中控制

防止焊缝层状撕裂、、、3．3后

检查坡口角度与间隙是否符合焊接要求

坡口，

，在焊接过程中

利用，气体作为焊接保护气CO2间隙控制在10

mm左右氛

采取多层多道焊

每层厚度，

，每层焊缝。3～4

mm，为了便于焊工在高处受限空间作业

焊前需在，焊后清除焊渣等有害杂质

确定无缺陷后

继续施，

，铸钢节点处搭设焊接操作平台

同时采取防风

防；

、焊下一层

每道焊缝宽度和深度保持一致

接头错。

，雨措施开呈楼梯状

尽量减少焊缝接头，

。。焊前预热处理为了延长焊接接头从峰值温度降到室温的冷却时间

使焊缝中的扩散氢充分逸出

改善焊缝金属同时

为了缩短熔池高温停留时间

避免产生，

，3．2魏氏组织

利用红外线测温仪每隔，实时监测30

min一次温度

将层间温度控制在，范围

预热（，，90~200

℃与热影响区的显微组织

有效提高焊接接头的抗裂，电加热片不撤

当焊缝温度低于工艺要求时应立即），性

焊前需对接头进行预热处理，加热

待温度达到工艺要求后再施焊

每个单节点，

。。预热温度的确定根据文献［5，

7］焊缝应一次性连续完成

中途不得无故停焊

如遇，

。3．2．1介绍的估算预热温度公式特殊情况中途停焊

需对焊缝进行后热保温处理，

，：［C］化＝C＋Mn/9＋Cr/9＋Ni/18＋Mo/13

（化学成分影响的碳当量），当再次施焊时对焊缝进行重新预热

预热温度比焊，前预热温度提高10~20

℃。考虑厚度因素

用厚度碳当量计算，焊后热处理：3．4板厚影响的碳当量由于铸钢含杂质较多

焊后氢含量较，［C］厚＝0．005δ［C］化（），G20Mn5高

为了使焊缝中扩散氢及时逸出

避免氢致裂纹，总的碳当量公式：，，同时释放焊后残余应力

防止焊缝因应力过于集中，总

厚

化［C］

＝［C］

＋［C］

，焊接预热温度可根据下面的经验公式而产生裂纹

所以

焊道施焊完后

采用预热时设，：。，计算

从而确定，置的陶瓷电加热片进行后热保温

消氢处理

并由、

，T0＝350×（［C］总－0．25）1/2（110

mm）

与G20Mn5

铸钢

（110

mm）Q345C钢的预热温电脑温控仪设定自动控温

后热温度为，250～350

℃，并采用双层石棉布包裹

恒温保护

后缓冷至常12

h度

具体结果见表，9。，表预热温度参数值温

具体方法见表，910。钢材［C］化0．2740．325［C］厚0．1510．178［C］总0．4250．503T0/℃表焊后保温热处理方法10Q345C146．3176．2序号

温度区间时间保温降温保温降温保温降温备注/℃/hG20Mn5123456350350～3003002—根据异种钢焊接时

预热温度应执行抗冷裂性，降温速率不大于1122450

℃/h50

℃/h50

℃/h较差材料的预热规范

且以预热温度高的钢材一侧，—降温速率不大于—300～200200为最低预热温度

故执行，铸钢的预热温度G20Mn5和预热规范

即

为150～200

℃

。常温降温速率不大于［8］200～，T0预热温度均匀控制焊前将陶瓷磁铁式预热器固定在焊缝坡口两侧

同，3．2．2G20Mn5

铸钢节点性能分析铸钢与4时使用石棉保温被对铸钢件的四个面进行包裹预热处钢接头焊后观24

h，G20Mn5QTQ345C工艺与新技术焊接技术第卷第

期3年

月2015

342··44察发现焊缝表面成形良好

过渡均匀

无明显咬边、

，焊接接头冲击试验方法

标准的要求值》如图34

J，、《夹渣

气孔等缺陷

并对焊缝进行、

；探伤

焊缝等，10

所示。UT级评定为Ⅰ级。1101009080706050403020焊缝中心热影响区合格线同时

结合焊接工艺评定试验

分别对该，

，G20Mn5QT

铸钢与Q345C钢焊接接头进行拉伸试验、弯曲试验以及冲击试验

综合分析了该异种钢节点，焊缝的力学性能。经

组6铸钢与钢焊接节点拉Q345CG20Mn5QT伸试验得出

材料破坏断裂的位置均出现在铸钢件，123母材端

且

组试样的平均拉伸破坏应力值为，

6图

铸钢焊接节点冲击试验10

G20Mn5535．5大于GB/T

2651—2008

《焊接接头拉伸试验方综上结果可知

该，焊缝接头的G20Mn5＋Q345CMPa，法

标准的要求值如图

所示

同时抗弯曲

抗冲击性能均较好

且其抗拉强度与焊接、

，》470

MPa，G20Mn5QT

铸钢、

Q345C接母材的抗拉强度进行了对比分析

如图

所示8。，将该铸钢节点与钢等两焊母材基本接近

这也验证了前面焊材选择设计的结，论

在拉伸试验中铸钢母材均最先出现疲劳破坏。，9。，这是因为铸钢属于脆性材料

其组织疏，600570540510480450G20Mn5QT铸钢接头松

塑韧性较差

当该焊接节点受到破坏应力作用、

，合格线时

疲劳破坏源首先产生于母材中的铸钢端

这也，

，说明

该异种钢焊接接头达到了等强对接的同时，，又具有较好的塑韧性与抗冷裂性

完全满足建筑结，构的设计与使用要求。123456结论图焊接接头抗拉强度曲线8G20Mn5＋Q345C5通过合理的钢构件分段制作

减少施工现，8007006005004003002001000（1）场异种钢对接焊缝

以及优化的焊缝坡口设计

能，

，572535.5557有效解决该厚板铸钢节点施工空间G20Mn5＋Q345C受限

焊接热应力影响区过度集中的焊接难题、。核心筒角部铸钢节点施工G20Mn5＋Q345C（2）时

采取合理的焊接顺序

有效避免了铸钢节点局部，

，接头产生较大的应力拘束

致使结构焊后产生变形，母材铸钢G20Mn5。G20Mn5+Q345CQ345C厚板异种钢焊接时

结合，图接头与母材的抗拉强度对比9G20Mn5＋Q345C（3）G20Mn5＋Q345C经弯曲试验后

该铸钢节点，理论分析

通过焊接选材

优化设计焊接方法与工，

、（d＝3a，

α＝180°）的

组试样均未出现裂纹现象

符合12

，艺参数

以及采取合理的温度预热

焊中控温

焊，GB/T

2653—、、焊接接头弯曲试验方法

的标准要求》后保温工艺方法

均能获得等强匹配

良好塑韧性，

、2008

《。常温下分别测试了

组铸钢节点试样焊缝中心3与抗冷裂性的高质量焊缝接头。区

焊缝热影响区的冲击吸收功、其中焊缝中心A

，KV区的冲击吸收功平均值为焊缝热影响区的冲参考文献77

J，：击吸收功平均值为均大于刘锡良

林

彦

铸钢节点的工程应用与研究，

．建筑钢结构进［J］．82

J，GB/T

2650—2008［1］工艺与新技术··

43Welding

Technology

Vol．44

No．3

Mar.

2015文章编号：1002－025X(2015)03-0043-03铝

合

金

搅

拌

摩

擦

点

焊

工

艺

研

究方喜风

陈大军

付

宇

路

浩1，2，1，1南车青岛四方机车车辆股份有限公司

山东

青岛，机械工业哈尔滨焊接技术培训中心

黑龙江

哈尔滨，（1.266111；

2.150046）摘要

采用回填式搅拌摩擦点焊设备

对

系列铝合金进行了搅拌摩擦点焊试验

优化了焊接工艺参数

对点焊对接接头的拉伸

弯，：，6。、曲性能

搭接接头的剪切

正拉性能以及搭接接头的疲劳性能进行测试

对搅拌摩擦点焊接头的性能进行综合评价

研究发现搅拌摩，，、，擦点焊接头力学性能优良。关键词

搅拌摩擦点焊

接头

力学性能

断裂形式；：；；中图分类号文献标志码：

TG453.9：

BDOI:10.13846/12-1070/tg.2015.03.012用于运动车型年

德国的发动机罩和后门生产Mazda

RX－8。序言公司把搅拌摩擦点焊技术应用02005，Riftec填充式摩擦点焊是德国HZG中心发明的一项新型到BMW5系列车型门框和窗框边柱的生产

川崎重。固相点连接技术

因其接头平整美观

质量高

缺陷、工把技术用于生产列车车顶顶Fastech

360Z，、FSSW少

节能等众多优点而将成为替代轻合金传统点连接、板

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填充式摩擦点焊能耗比传统电阻点。本文开展了某

系列铝合金材料的填充式搅拌6焊设备能耗低5％，工作不需要提供大的电流

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