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【摘要】高层钢结构用材料的进场检验，中厚板应逐张采用超声波检测。
厚钢板焊接时，往往会出现热裂纹、冷裂纹。虽着厚度的增加，裂纹趋向也增加。但只要调整焊接热输入，改变焊缝的形状系数，就可获得没有裂纹的焊缝。
建筑钢结构箱形柱用1～3根焊丝大热输入埋弧焊完成超厚板角接头的焊接和隔板用非熔嘴上升式电渣焊，大大的提高了焊接效率和质量。
【关键词】中厚板;进厂检验;超声波探伤;对接;埋弧焊;箱形柱;大热输入;焊接
0.绪论
高层钢结构工程由于建筑自重轻、构件截面小、施工速度快，加上高空间、大跨度等优点，所以其综合效益优于同类钢筋混凝土工程。本文主要介绍高层钢结构制作中应注意的两个方面问题，分别为厚钢板的对接埋弧焊、箱形柱的大热输入焊接。
1.厚钢板的对接埋弧焊
钢板厚度30mm≦t≦80mm属于较难焊接的，而t>80mm的钢板属于难焊接的。厚钢板在热轧之后进行800～900℃的正火处理，以提高塑性、降低脆性转变温度、提高低温韧性，来保证焊接性。
厚钢板焊接时，往往会出现热裂纹（主要是凝固裂纹）、冷裂纹（包括延迟裂纹）。并且随着钢板厚度t 的增加，裂纹趋向也随之增加。
本人根据实际工作中接触的一批t=40～100 mm的厚钢板对接焊作一些质量控制方面的介绍。
2.坡口制备
为减少角变形，厚钢板应开双面坡口昼采用窄间隙坡口以减少熔敷金属量，提高焊接效率，降低焊接成本。
t≦40mm的钢板，宜采用X形坡口；t>40mm的钢板，宜采用双U形坡口。坡口尺寸视板厚而定。
厚钢板在火焰切割后,边缘及两侧易出现淬硬组织。因此，厚钢板的坡口不宜用火焰切割，而应由刨边机刨削。若采用火焰切割，应先清除硬化层。
坡口及侧面(2t＋30mm)区域应进行外观检查，并用超声波进行探伤，视缺陷大小及所在位置来确定处理方法－－补焊或报。
补焊工艺：用碳弧气刨清除缺陷（浅缺陷可直接清除），裂纹两端应多清除50mm；磨光修补部位，拐角处和根部应呈圆弧过渡；用烘焙过的与母材同强度等级的低氢型焊条，以小热输入（细焊条、小电流 、短电弧、低电压、焊条不横向摆动、快速度）补焊。每一焊道的厚度不得超过3mm。
补焊前，坡口及其附近30mm范围的表面应烘干水分和油迹，同时打磨并清除油漆、锈迹和毛刺。
3.对接焊工艺
3.1焊接材料与母材的匹配
匹配原则：焊缝金属的强度、塑性和韧性与母材相当，确切地说，焊缝的强度、塑性和韧性略高于母材。
3.2焊剂的保管、烘焙和使用
焊剂应存放在完整的包装袋内。熔炼型焊剂应烘焙到260℃，保温1h；烧结型焊剂应烘焙到300-350℃，保温2h。焊剂最多能在空气中暴露4h。允许回收多余的焊剂，以便重复使用，但严禁使用熔焊过的、已结成块状的焊剂。
3.3厚钢板组装
组装应符合图1的要求。
图1厚钢板组装示意图
3.4定位焊
定位焊长60～70mm，间距400mm，坡口两端不焊。采用较大电流、较快的焊接速度 、直流反接施焊。焊前母材的清理与预热、焊条的选用及烘焙都与正式施焊时相同。
3.5引弧板和引出板
引弧板和引出板的尺寸规格为100mm X 75mm，坡口应与工件的一致，并与工件牢固地焊接，以防横向应力拉裂。为了减少在焊缝两端出现纵向凝固裂纹，可以引弧板和引出板上开缺口，部分而有效地释放焊接应力。
3.6焊接环境
环境温度低于0℃时不得施焊，严禁在露天或气流急速的场所施焊。
3.7预热温度和道间温度
预热温度根据板厚t确定。t为19-38mm时，预热温度为66℃；t为38～64mm时，预热温度为107℃，t>64mm时为150℃。对于刚性特别大的工件，预热温度可略微提高，但严禁超过230℃。坡口每侧的预热宽度应等于工件厚度，但不得小于76mm。采用配有自动记录仪的履带式电感应加热器预热。
3.8焊接工艺参数
厚板焊接采用多道多层焊（图2），焊接工艺参数见表1。
图2厚钢板的焊道分布
表1 焊接工艺参数
从表1可看出，正（反）面的第一焊道都采用小热输入，这不仅是为了防止钝边焊穿，更重要的是为了防止出现凝固裂纹。结果使第一道焊缝的成形系数（φ＝1.2）比通常的φ（φ＝B/H＝1.3-2.1）小，焊道深而窄。正因为正（反）面第一道焊道都比较窄，所以沿焊道宽度方向的无效加热区和热影响区的范围小，这对提高热效率和减少热影响区都是有利的。
3.9焊接变形控制
厚板对接时，对焊缝的纵（横）向，一般不提出求，必要时凭经验适当预放些收缩余量即可，主要问题是角变形。为减小角变形，在实际生产中采用如下焊接顺序：下面焊接第1-17道焊道；翻转背面用碳弧气刨清根，完毕后，背面焊接18-33道；再翻转，焊接34-53道（图3）。
图3 产品的焊接顺序
尽管采取了正确而又实用的焊接顺序，但焊后产品仍难免会残留少量的角变形，此时应在800t油压机上加以矫正。
4.后热及焊后热处理
4.1后热处理
对于要求做0℃以下低温冲击试验的厚钢板焊接，应进行焊后热处理。如工件在焊后立即进行焊后热处理，则后热处理可不进行。后热处理工艺为：焊后立刻将焊缝及其两侧（与预热时相同范围的母材）加热到250-350℃，用石棉铺盖保温0.5-1h后空冷。
4.2焊后热处理
热处理工艺：工件先加热到315℃，然后再升温。升温和降温速度v＝220/t（℃/h），(t为工件厚度)。升温期间，在工件上每隔4m选点抽查温度，温差不得大于140摄氏度。保温时间T取决于工件厚度（表2）。焊后热处理应在无损探伤后进行。
表2保温时间
5.焊缝外观检查
外面检查项目示于图4，应满足下述要求：
5.1焊缝余高e<3.3mm，焊缝与母材必须平缓过渡。
5.2保证焊缝有效尺寸,焊缝低于母材e’<0.8mm。
5.3焊缝宽B＝B’＋（4～6）mm。B’为坡口上口宽度。
5.4咬边。当咬边深度h<0.5mm时，允许存在断续咬边；两侧断续咬边的累计长度应不超过焊缝长度的10％。
图4焊缝外观检查
6.焊缝的无损检测
可用射线、超声波 、磁粉等方法进行无损检测，其检测率通常为100％。焊缝一般先用超声波检测，确定缺陷所在部位后，再通过射线检测确定缺陷的性质、大小和分布情况。当t≦51mm时，用X射线；t>51mm，用γ射线。
不论采用何种无损检测方法，都必须在焊后（有的在后热处理后）24h进行。
7.对接焊缝的返修
7.1外观缺陷的返修
7.1.1焊缝余高过量，用砂轮清除。
7.1.2焊缝低于有效尺寸。局部预热到100-150℃，采用同母材强度级别相同的、并烘焙过的低氢型焊条，以小的热输入、直流反接补焊。补焊后作消氢处理，最后磨光。
7.1.3咬边处理方法同上。
7.1.4焊瘤应清除。
7.2无损检测实际缺陷的返修
7.2.1根据检测结果，找到缺陷部位，分析造成缺陷的原因，编制专用工艺，指定高技能持证焊工焊接。
7.2.2用电感应加热器局部加热后，碳弧气刨清除缺陷，并用砂轮打磨气刨面，裂纹前后端各应刨去50mm，并打磨成圆角形。
7.2.3补焊前，局部预热温度应比施焊时的温度高30-50℃。
8.对接焊缝的破坏性检验
焊接工艺评定试件必须通过破坏性试验，以取得一系列数据，并配合无损检测结果，判断焊接工艺参数的合理性。
9.结论
9.1厚板对接焊时，由于工件刚性拘束度大，热裂倾向大，故必须注意预热温度、焊缝形状系数和道间温度的控制。
9.2厚板对接焊时，由于焊后冷却速度快，冷裂纹（尤其是延迟裂纹）倾向大，故必须注意焊前清理、焊剂烘焙、焊后消氢和焊后热处理等工序的操作。
9.3为保证焊接接头的良好冲击韧度，必须注意母材、焊丝和焊剂的匹配。
9.4钢板对接焊最好一次焊成，不返修，为此必须把全过程当作一个系统工程对待，对每个工序上倾注全部精力。
10.箱行柱的大热输入焊接
10.1箱形柱角接头的大热输入埋弧焊
要求熔透的箱形柱角接头，用MAG焊打底后用高锰焊丝、中性的MnO-SiO2熔炼焊剂埋弧焊，因限制了焊接热输入小于80kJ/cm，40mm厚的板要焊10道，生产效率低。
为了提高生产效率，采用了特殊焊接电源，热输入比熔炼型焊剂高数倍的含锰、钼铁粉烧结型焊剂和低锰焊丝，熔敷效率高，40mm厚的板用MAG焊打底，再用埋弧焊一道完成，焊接效率可大幅度提高。高层建筑箱形柱超过40mm厚的板，如50、60mm厚的板用2根焊丝埋弧焊一道焊完成。70mm厚的板用3根焊丝埋弧焊一道完成。焊接条件和接头性能见表５ 。
表 5钢结构箱形柱角-道焊埋弧焊条件
为了解决箱形柱80厚的板大热输入的多层埋弧焊根部清渣困难问题，采用成分为MgO-A12O3-TiO2-SiO2焊剂，且防止了高温裂纹的产生。
对含碳量为0.15％，强度为500MPa级的厚板，为了防止大电流、大热输入产生的高温裂纹，控制焊丝的含碳量小于0.1％，含锰量为2％。为了确保焊剂的良好工艺性和抗氢致裂纹性能，采用成分为SiO2-MgO-CaCO3的焊剂 ，该焊剂溶渣少，扩散氢低。
11.结语
本节介绍了建筑结构箱形柱角接头的大热输入埋弧焊和箱形柱隔板非熔嘴电渣焊。厂内采用此种焊接方法，提高了钢结构的焊接效率和质量。■
厚钢板焊接时，往往会出现热裂纹、冷裂纹。虽着厚度的增加，裂纹趋向也增加。但只要调整焊接热输入，改变焊缝的形状系数，就可获得没有裂纹的焊缝。
建筑钢结构箱形柱用1～3根焊丝大热输入埋弧焊完成超厚板角接头的焊接和隔板用非熔嘴上升式电渣焊，大大的提高了焊接效率和质量。
【关键词】中厚板;进厂检验;超声波探伤;对接;埋弧焊;箱形柱;大热输入;焊接
0.绪论
高层钢结构工程由于建筑自重轻、构件截面小、施工速度快，加上高空间、大跨度等优点，所以其综合效益优于同类钢筋混凝土工程。本文主要介绍高层钢结构制作中应注意的两个方面问题，分别为厚钢板的对接埋弧焊、箱形柱的大热输入焊接。
1.厚钢板的对接埋弧焊
钢板厚度30mm≦t≦80mm属于较难焊接的，而t>80mm的钢板属于难焊接的。厚钢板在热轧之后进行800～900℃的正火处理，以提高塑性、降低脆性转变温度、提高低温韧性，来保证焊接性。
厚钢板焊接时，往往会出现热裂纹（主要是凝固裂纹）、冷裂纹（包括延迟裂纹）。并且随着钢板厚度t 的增加，裂纹趋向也随之增加。
本人根据实际工作中接触的一批t=40～100 mm的厚钢板对接焊作一些质量控制方面的介绍。
2.坡口制备
为减少角变形，厚钢板应开双面坡口昼采用窄间隙坡口以减少熔敷金属量，提高焊接效率，降低焊接成本。
t≦40mm的钢板，宜采用X形坡口；t>40mm的钢板，宜采用双U形坡口。坡口尺寸视板厚而定。
厚钢板在火焰切割后,边缘及两侧易出现淬硬组织。因此，厚钢板的坡口不宜用火焰切割，而应由刨边机刨削。若采用火焰切割，应先清除硬化层。
坡口及侧面(2t＋30mm)区域应进行外观检查，并用超声波进行探伤，视缺陷大小及所在位置来确定处理方法－－补焊或报。
补焊工艺：用碳弧气刨清除缺陷（浅缺陷可直接清除），裂纹两端应多清除50mm；磨光修补部位，拐角处和根部应呈圆弧过渡；用烘焙过的与母材同强度等级的低氢型焊条，以小热输入（细焊条、小电流 、短电弧、低电压、焊条不横向摆动、快速度）补焊。每一焊道的厚度不得超过3mm。
补焊前，坡口及其附近30mm范围的表面应烘干水分和油迹，同时打磨并清除油漆、锈迹和毛刺。
3.对接焊工艺
3.1焊接材料与母材的匹配
匹配原则：焊缝金属的强度、塑性和韧性与母材相当，确切地说，焊缝的强度、塑性和韧性略高于母材。
3.2焊剂的保管、烘焙和使用
焊剂应存放在完整的包装袋内。熔炼型焊剂应烘焙到260℃，保温1h；烧结型焊剂应烘焙到300-350℃，保温2h。焊剂最多能在空气中暴露4h。允许回收多余的焊剂，以便重复使用，但严禁使用熔焊过的、已结成块状的焊剂。
3.3厚钢板组装
组装应符合图1的要求。
图1厚钢板组装示意图
3.4定位焊
定位焊长60～70mm，间距400mm，坡口两端不焊。采用较大电流、较快的焊接速度 、直流反接施焊。焊前母材的清理与预热、焊条的选用及烘焙都与正式施焊时相同。
3.5引弧板和引出板
引弧板和引出板的尺寸规格为100mm X 75mm，坡口应与工件的一致，并与工件牢固地焊接，以防横向应力拉裂。为了减少在焊缝两端出现纵向凝固裂纹，可以引弧板和引出板上开缺口，部分而有效地释放焊接应力。
3.6焊接环境
环境温度低于0℃时不得施焊，严禁在露天或气流急速的场所施焊。
3.7预热温度和道间温度
预热温度根据板厚t确定。t为19-38mm时，预热温度为66℃；t为38～64mm时，预热温度为107℃，t>64mm时为150℃。对于刚性特别大的工件，预热温度可略微提高，但严禁超过230℃。坡口每侧的预热宽度应等于工件厚度，但不得小于76mm。采用配有自动记录仪的履带式电感应加热器预热。
3.8焊接工艺参数
厚板焊接采用多道多层焊（图2），焊接工艺参数见表1。
图2厚钢板的焊道分布
表1 焊接工艺参数
从表1可看出，正（反）面的第一焊道都采用小热输入，这不仅是为了防止钝边焊穿，更重要的是为了防止出现凝固裂纹。结果使第一道焊缝的成形系数（φ＝1.2）比通常的φ（φ＝B/H＝1.3-2.1）小，焊道深而窄。正因为正（反）面第一道焊道都比较窄，所以沿焊道宽度方向的无效加热区和热影响区的范围小，这对提高热效率和减少热影响区都是有利的。
3.9焊接变形控制
厚板对接时，对焊缝的纵（横）向，一般不提出求，必要时凭经验适当预放些收缩余量即可，主要问题是角变形。为减小角变形，在实际生产中采用如下焊接顺序：下面焊接第1-17道焊道；翻转背面用碳弧气刨清根，完毕后，背面焊接18-33道；再翻转，焊接34-53道（图3）。
图3 产品的焊接顺序
尽管采取了正确而又实用的焊接顺序，但焊后产品仍难免会残留少量的角变形，此时应在800t油压机上加以矫正。
4.后热及焊后热处理
4.1后热处理
对于要求做0℃以下低温冲击试验的厚钢板焊接，应进行焊后热处理。如工件在焊后立即进行焊后热处理，则后热处理可不进行。后热处理工艺为：焊后立刻将焊缝及其两侧（与预热时相同范围的母材）加热到250-350℃，用石棉铺盖保温0.5-1h后空冷。
4.2焊后热处理
热处理工艺：工件先加热到315℃，然后再升温。升温和降温速度v＝220/t（℃/h），(t为工件厚度)。升温期间，在工件上每隔4m选点抽查温度，温差不得大于140摄氏度。保温时间T取决于工件厚度（表2）。焊后热处理应在无损探伤后进行。
表2保温时间
5.焊缝外观检查
外面检查项目示于图4，应满足下述要求：
5.1焊缝余高e<3.3mm，焊缝与母材必须平缓过渡。
5.2保证焊缝有效尺寸,焊缝低于母材e’<0.8mm。
5.3焊缝宽B＝B’＋（4～6）mm。B’为坡口上口宽度。
5.4咬边。当咬边深度h<0.5mm时，允许存在断续咬边；两侧断续咬边的累计长度应不超过焊缝长度的10％。
图4焊缝外观检查
6.焊缝的无损检测
可用射线、超声波 、磁粉等方法进行无损检测，其检测率通常为100％。焊缝一般先用超声波检测，确定缺陷所在部位后，再通过射线检测确定缺陷的性质、大小和分布情况。当t≦51mm时，用X射线；t>51mm，用γ射线。
不论采用何种无损检测方法，都必须在焊后（有的在后热处理后）24h进行。
7.对接焊缝的返修
7.1外观缺陷的返修
7.1.1焊缝余高过量，用砂轮清除。
7.1.2焊缝低于有效尺寸。局部预热到100-150℃，采用同母材强度级别相同的、并烘焙过的低氢型焊条，以小的热输入、直流反接补焊。补焊后作消氢处理，最后磨光。
7.1.3咬边处理方法同上。
7.1.4焊瘤应清除。
7.2无损检测实际缺陷的返修
7.2.1根据检测结果，找到缺陷部位，分析造成缺陷的原因，编制专用工艺，指定高技能持证焊工焊接。
7.2.2用电感应加热器局部加热后，碳弧气刨清除缺陷，并用砂轮打磨气刨面，裂纹前后端各应刨去50mm，并打磨成圆角形。
7.2.3补焊前，局部预热温度应比施焊时的温度高30-50℃。
8.对接焊缝的破坏性检验
焊接工艺评定试件必须通过破坏性试验，以取得一系列数据，并配合无损检测结果，判断焊接工艺参数的合理性。
9.结论
9.1厚板对接焊时，由于工件刚性拘束度大，热裂倾向大，故必须注意预热温度、焊缝形状系数和道间温度的控制。
9.2厚板对接焊时，由于焊后冷却速度快，冷裂纹（尤其是延迟裂纹）倾向大，故必须注意焊前清理、焊剂烘焙、焊后消氢和焊后热处理等工序的操作。
9.3为保证焊接接头的良好冲击韧度，必须注意母材、焊丝和焊剂的匹配。
9.4钢板对接焊最好一次焊成，不返修，为此必须把全过程当作一个系统工程对待，对每个工序上倾注全部精力。
10.箱行柱的大热输入焊接
10.1箱形柱角接头的大热输入埋弧焊
要求熔透的箱形柱角接头，用MAG焊打底后用高锰焊丝、中性的MnO-SiO2熔炼焊剂埋弧焊，因限制了焊接热输入小于80kJ/cm，40mm厚的板要焊10道，生产效率低。
为了提高生产效率，采用了特殊焊接电源，热输入比熔炼型焊剂高数倍的含锰、钼铁粉烧结型焊剂和低锰焊丝，熔敷效率高，40mm厚的板用MAG焊打底，再用埋弧焊一道完成，焊接效率可大幅度提高。高层建筑箱形柱超过40mm厚的板，如50、60mm厚的板用2根焊丝埋弧焊一道焊完成。70mm厚的板用3根焊丝埋弧焊一道完成。焊接条件和接头性能见表５ 。
表 5钢结构箱形柱角-道焊埋弧焊条件
为了解决箱形柱80厚的板大热输入的多层埋弧焊根部清渣困难问题，采用成分为MgO-A12O3-TiO2-SiO2焊剂，且防止了高温裂纹的产生。
对含碳量为0.15％，强度为500MPa级的厚板，为了防止大电流、大热输入产生的高温裂纹，控制焊丝的含碳量小于0.1％，含锰量为2％。为了确保焊剂的良好工艺性和抗氢致裂纹性能，采用成分为SiO2-MgO-CaCO3的焊剂 ，该焊剂溶渣少，扩散氢低。
11.结语
本节介绍了建筑结构箱形柱角接头的大热输入埋弧焊和箱形柱隔板非熔嘴电渣焊。厂内采用此种焊接方法，提高了钢结构的焊接效率和质量。■