Gr低合金高强结构钢焊接施工工法

Gr60低合金高强结构钢焊接施工工法Gr60级低合金高强度结构钢为国内首次在建筑钢结构上使用钢材，符合美国材料标准ASTM903／913M一97Gr60标准，相当于国内钢材标准中的Q420级钢。由于Gr60钢为国内首次使用，目前尚无成熟的规范及焊接工艺参数作参照，焊接不确定性因素多，难度较大。探索总结Gr60级钢的使用，对于推动Q420低合金高强度结构钢在国内建筑钢结构的应用，从节约资源的角度上符合我国的可持续发展国策，对于本企业乃至国内建筑钢结构行业的良性发展，均具有积极的创新意义。1工法特点1.1Gr60属低合金高强度结构钢，能大幅度提高结构杆件的承载力，减小了杆件截面面积，从而减小自重，增加建筑空间。1.2Gr60钢对于需验算疲劳的焊接结构具有一40℃冲击韧性的合格保证，使其应用范围和结构可靠度得以扩大。1.3Gr60级钢的焊接性能优于国内工程中正在大量使用的Q345钢。现场安装施焊操作较易控制。在常温及低温下，Gr60级钢的预热温度较之同条件下的Q345钢低；并且，在负温下，只需对板厚在lOOmm以上的钢材采取低温度的后热措施。1.4焊接施工过程须严格按照既定的焊接工艺指导书的工艺参数及焊接规定进行施工，对焊接速度、预热温度、层问温度、后热温度、保护气体的气压与流速等严格控制，方能保证焊接质量。1.5已经过一15℃条件下冬期施工焊接工艺评定和一7℃下冬期施工实践，寒冷地区冬期也可施工。1.6本工法是在完成北京新保利大厦工程基础上总结编写的，因此实用性很强。2适用范围适用于Gr60级低合金高强度结构钢进行CO2气体保护焊的各种焊缝连接形式。3工艺原理根据Gr60钢化学成分及力学性能进行可焊性分析与试验，在依据国外规范标准对此类钢材的焊接性的指导意见基础上，结合国内在高强钢CO2气体保护焊方面的焊接施工工艺，按照国内焊接规范的规定，进行常温及负温下典型焊缝形式的现场工艺评定试验，以取得指导现场焊接操作的适用的工艺参数。Gr60钢的焊接性分析与试验包括下述内容：3.1焊接性计算与分析：采用碳当量和冷裂纹敏感指数评估钢材的焊接性和确定预热温度；3.2焊接性的直接试验：z向拉伸性能试验、Cramfield层状撕裂试验；3.3焊接接头性能试验：对焊评试件进行外观、无损探伤、横向拉伸、横向弯曲、全焊缝拉伸、冲击(焊缝、热影响区)、熔敷金属化学成分分析及力学性能试验；3.4焊缝的残余应力检测与有限元分析：采用国际先进的钢弦应变计进行杆件焊接残余应力监测，对于H型截面构件的残余应力，为验证测量结果，采用大型有限元软件ANSYS来分析H型截面构件的残余应力分布。4.1工艺流程4工艺流程Gr60钢焊接工艺流程图5操作要点s.1焊接施工准备焊接工艺评定针对Gr60级的焊缝接头形式，根据《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)的具体规定，组织进行焊接工艺评定，确定出最佳焊接工艺参数，制定合理、详细的工艺措施和工艺流程。焊接材料、设备的准备.1钢结构现场焊接施工所需的焊接材料和辅材均应有质量合格证书。采用的焊接材料和焊接设备技术条件应符合国家标准，性能优良。CO2气体纯度应不低于99.95％，含水量应低于0.05％，瓶内高压低于1MPa时，应停止使用。.2CO2气体保护焊设备应运转正常。焊机电压、电流应处于焊接工艺评定指导书的规定，电流地线压紧牢固，接触可靠，电缆及焊丝无破损，送丝机应能均匀送丝，气管应无漏气或堵塞。5.2主要焊接工艺参数严格控制预热温度和层间温度，借以改善接头的塑性；同时，可以预防由根部冷裂纹引发的层状撕裂。预热采用多头加热器进行加热，焊缝层采用多层多道焊。根据焊接工艺试验，部分有代表性的焊接工艺参数，如表5.2所示。表5.2焊道焊接方法填充材料焊接电流电弧电压焊接速度牌号直径极性电流(A)(V)(mm／min)封底焊C02气体保护焊焊JM一601.2mm直流反接30038350~400中间层CO2气体保护焊焊JM—601.2mm直流反接32040350～400盖面层CO2气体保护焊焊JM—601.2mm直流反接30038350—4005.3预热、层温与后热预热焊接时，应根据工作地点的环境温度、钢材材质和厚度，选择相应的预热温度，用特制烤枪对坡口及其两侧各2倍板厚且不小于lOOmm范围内的母材，均匀加热至规定温度，并用电子测温仪量测，防止温度不符或表面局部氧化。具体预热温度要求，详见表5.3.1。表厚度t（mmm)f≤80080<口口≤125预热温度(℃)80100其预热温度比相同厚度的Q345钢低20-40℃。层温焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在120～150。C之间，每个焊接接头宜一次性焊完。后热与保温为了保证焊缝中扩散氢有足够的时间逸出，避免产生延迟裂纹，焊后必须对板材厚度≥100mm的GR60级钢材，采取一定的后热处理措施。加热完毕后，包保温石棉被进行保温，使焊缝缓慢冷却，借以降低焊缝接头的冷却速度。该恒温时问段，按每25mm板厚1h计算。具体后热温度要求，详见表。表I厚度，(mmm)，f≤10001()o<f≤≤125I后热j"臆El度度(℃)无需进行后热180—200后热温度比相同厚度的Q345钢，降低20～50℃。5.4典型节点焊接顺序H型柱一柱焊接顺序.1腹板为单V型坡口焊缝时，焊接顺序见下图：图1(腹板单坡)图2(腹板单坡)第一步A、B两名焊工同时在翼缘施焊，第二步A焊工焊接腹板，完全焊完焊至1／3板厚：图3(腹板单坡)第三步A、B两名焊工同时在翼缘施焊，完全焊完。.2腹板为K型坡口焊缝时，焊接顺序见下图：图1(腹板K坡)图2(腹板K坡)第一步A、B两名焊工同时在翼缘施焊.焊至1／3板厚。第二步A焊工焊接单侧腹板，焊至1／3板厚。第三步A、B焊工同时焊接翼缘，完全焊完。第四步清根后，A、B焊工同时焊接腹板，完全焊完。 5.4.2H型梁一柱节点连接顺序H型梁与柱的连接采取栓焊连接时，应遵循先栓后焊的施工顺序。采取全焊连接时，应先焊接翼缘板，焊接顺序为：先焊下翼缘，后焊接上翼缘；当腹板厚度超过30mm以上时，翼缘腹板轮流施焊。下翼缘焊接通过腹板的圆弧孔时，各道次焊缝的熄弧点要适当错开，以避免夹渣等缺陷。H型梁一柱节点连接顺序见下图：1)A焊工焊接梁下翼缘，完全焊完2)A焊工焊接上翼缘，完全焊完3)A焊工焊接腹板，完全焊完5.5焊接检验钢结构焊缝冷却到环境温度，在焊毕24h后提交uT检验前均需进行100％外观检验。质量标准应符合设计要求及现行规范规定。焊缝在完成外观检查、确认外观质量符合标准后，按设计要求进行超声波无损检测。6材料及施工机具6.1材料：钢材钢材的化学成分和力学性能应满足国家标准(GB／T1591)对建筑用钢材的要求，钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度及硫、鳞、碳含量的合格保证。其中钢材强屈比不小于1.2，应有明显屈服台阶，伸长率应大于20％，应有良好的可焊性。北京新保利大厦工程所用进口Gr60钢材交货状态为正火+自回火状态。钢材化学成分及力学性能如表所示。表化学成分(％)和和力学性能≥Gr60C≤(％)Mn(％)Si(％)S(％)P(％)σs(MPa)σb(MPPa)σ5(％))ψ(％)AkV(J)标准要求O.141.600.1~0.4O.030.03360520192537合格证O.101.430.200.029O.013365589213568.1气体保护焊焊丝：焊丝型号：ER50一G；牌号：JM一60。其质量应符合标准国标《气体保护焊用钢丝》(GB／T14958)的要求。.2保护气体：采用的C0。纯度不低于99.95％(体积比)，含水量小于o.05％(重量比)。其他辅材：搭设焊接防护棚所需脚手管及扣件、石棉布、彩条布、多层板等，后热保温用石棉被等。6.2施工机具以一个典型的H型柱节点C02气体保护焊为例，如表6.2。表6.2序号名称型号与规格单位数量lC02半自动电弧弧焊机SD一500ICCY台22碳弧气刨枪W--500A型型把13特制烤枪多头型把24氧气瓶、乙炔瓶/瓶若干5C02气瓶/瓶若干6电子侧温仪0~900℃台27超声波探伤仪CTS一22台17.1劳动组织7劳动组织以—个典型的H型柱节点CO2气体保护焊为例，不包括进行相关技术管理的人员。如表7.1。表7.1类别班长电焊工架子工辅工合计人数l22278安全环保与职业健康8.1安全措施焊接设备外壳必须有效的接地，每台用电设备应有各自漏电保护开关，必须实行“一机一闸”制。焊工工作时，必须穿戴防护用品(工作服、手套、防滑鞋、防护眼镜等)，高空作业必须挂安全绳和安全带。乙炔发生器必须设有防止回火的安全装置、保险链，乙炔发生器不得放置在电线的正下方，与易燃易爆物品和明火的距离不得少于10m。氧气瓶应有防震胶圈，旋紧安全帽，避免碰撞和剧烈震动，防止曝晒。焊接操作面下放接火盆，防止火花飞溅，操作面准备好灭火器材。点火时，焊枪口不准对人。正在燃烧的焊枪，不得放在工件及地面上。带有乙炔和氧气时，不准放在金属容器内，以防气体逸出，发生燃烧事故。8.2环保与职业健康要求对操作者进行岗前培训，了解环保与职业健康要求。8.2.2为减少焊接时产生的有毒气体对操作者的伤害，操作者必须佩戴必要的劳保用具。8.2.3焊接时的防护棚应采取措施，减少焊接时的声光污染。8.2.4焊接过程中产生的废液、废渣应统一处理，不得随意乱倒。9质量要求9.1焊接的质量控制措施焊前检查接头坡口角度、钝边、间隙及错口量，均应符合要求。坡口内和两侧的锈斑、油漆、油污、氧化皮等，均应清除干净。装焊垫板或引弧板，其表面应清洁，要求与坡口相同，垫板与母材应贴紧，引弧板与母材焊接应牢固。焊接时，不得在坡口外的母材上打火引弧。第一层的焊道，应封住坡口内母材与垫板的连接处，然后逐道逐层累焊至填满坡口。每道焊缝焊完后，都必须清除焊渣及飞溅物；出现焊接缺陷，应及时磨去并修补。遇雨、雪天时应停焊，构件焊口周围及上方应加以遮挡。风速超过2m／s时，应设防风棚或采取其他防风措施。一个接口必须连续焊完，如不得已而中途停焊时，再焊之前，应重新按规定加热。9.2焊接质量管理措施焊接质量受材料性能、工艺方法、设备、工艺参数、气候和焊工技术及隋绪的影响，各个环节紧密必须配合，并以完善的制度和组织作保证，做好质量管理工作。现场专业人员要按管理制度施工，对施工人员进行技术交底，并编制焊接工艺卡，贴在焊接部位，便于每个焊接人员明确操作要领、材料使用和质量要求，严格按预定的工艺施工焊接。施工中，认真执行三检制，焊工应做好焊接前和焊接中的记录。专职人员检查时，应逐条焊缝检查验收，做好记录。经超声波检测人员检验合格后，填写评定表。10效益分析通过对进口Gr60级钢的成功应用表明，Gr60级钢材与现在在施工中应用最多的Q345级钢材相比，在相同承载力条件下可节省钢材约26％。开发应用高强度等级钢，如Gr60级钢，可以减小构件横截面积，加大建筑空间；增加柱分节长度，减少了焊材用量，节约塔吊台班.缩短工期；减小构件自重，降低安装工作量和基础造价，也缩短了工期；可以节约大量的矿产资源，有利于环境保护和生态平衡。北京新保利大厦工程业已获得结构长城杯金奖等奖项，所积累的焊接方面的数据将作为补充《建筑钢结构焊接技术规程》有关Q420钢部分空白的重要依据，对Q420级钢在国内建筑钢结构上的应用提供了理论及实际应用依据，对于我国建筑钢结构向高水平发展，无疑会产生非常积极的推动作用。11应用实例北京某大厦工程位于北京市中心二环主线，地下4层，地上24层，总建筑面积109341m2，建筑总高度105.2m。建筑结构新颖，是一座集高档写字楼、博物馆、展览馆与商业娱乐设施于一体的新型现代智能建筑。工程结构型式为钢框架一钢骨混凝土筒体混合结构，主体结构主要由三个钢骨混凝土核心筒及核心筒之问的框架钢结构、标高49.1～104.6m的转换桁架钢结构、标高88.875～10