焊接MBA培训讲座2.ppt

31焊接技术培训讲座 二 1 第二章钢结构焊接工程重要技术观点简述 2 一 全面质量管理的观点 实践证实 全面质量管理是钢结构焊接工程保证焊接质量 降低成本最直接 最有效的途径 3 一 建立钢结构焊接质量保证体系 开展全面质量管理工作 质量保证体系是看得见 摸得着的体系 是由具体人组成 是各负其责相互协调的有机整体 质量保证体系的正常运行的基础是各环节质量职能的建全和相互制约和支持 4 钢结构质量保证体系 就是采用了TQC的基本思想 以提高焊缝质量 保证厚板焊缝一次合格率100 为目标 运用系统管理的概念和方法 把钢结构焊接工程的各个阶段 各个环节 每个管理人员和焊工的质量管理职能和质量管理意识以及实际操作工序有机的 合理的组织起来 形成一个有明确任务 职责 权限 而又互相协调又互相促进的团结的整体 从而顺利完成钢结构焊接工程的全部焊接工作 5 6 二 抓好管理基础 技术基础工作 没有有效的管理 再好的技术也难以实现 没有技术 再好的管理也是空谈 1 管理基础工作包函对职工含职业道德的培训 2 技术基础工作包函 施工 制作 组织设计 PQR WPS 等内容 7 8 三 树立 三全 的管理思想 所谓 三全 就是 全面的质量概念 全过程的质量管理 全员参加的质量管理 也就是不漏一事 不少一人 全面的无遗漏的管理 9 四 树立 四个一切 的观点 一切为用户服务的观点 一切以预防为主的观点 一切以数据说话的观点 一切以PDCA循环办事的观点 10 五 抓好 五个管理要素 人 机 料 法 环 11 六 实现一个目标 钢结构焊接工程焊缝一次合格率95 以上 12 二 钢结构厚焊接技术 无论在理论和实践两方面都证明 建筑钢结构并不一定需要钢板愈厚愈好 然而由于实现设计师的理念 建筑钢结构焊接工程中厚钢板得到越来越大量的使用 国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程中Q460 Z35厚度110mm Q345GJD100mm 北京新保利使用轧制H型钢板厚度达125mm 材ASTMA913Gr60 基本代表了我国建筑钢结构焊接工程的用钢厚度 建筑钢结构厚板焊接技术得到了很大发展 是一项方兴未艾的实用技术 13 一 厚板焊接接头坡口设计 坡口小易形成窄而深的形式 焊缝成型系数偏小 影响一次结晶 容易产生区域偏析 在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生 坡口加大 不仅仅焊接量大大增加 焊缝的焊接残余应力也大大增加 这对钢结构体系初始应力的控制极其不利 同时也影响工程工期 14 1 窄间隙焊接的定义 日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会对窄间隙焊的定义作了如下规定 窄间隙焊接是把厚度为30mm以上的钢板 按小于板厚的间隙相对放置开坡口 再进行机械化或自动化弧焊的方法 板厚小于20mm时 间隙小于20mm 板厚大于30mm时 间隙小于30mm 15 2 窄间隙焊接技术优势及局限 窄间隙焊有很多优越性和局限 1 焊缝的横截面积大幅度减少 2 热压缩塑性变形量大幅度减少且沿板厚方向更趋均匀化 3 较小的焊接线能 焊接效率很高 4 在窄间隙焊接条件下 若采用传统焊接技术 电弧轴线基本与坡口面 坡口侧壁 平行 一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以作用到坡口侧璧 更不用说能量密度最高的电弧中心了 这就导致了侧璧均匀熔合的可靠性差 在线能量低时这种情况尤为突出 这是窄间隙焊的最大困难 16 5 在窄而深的坡口内进行气体保护焊明弧焊接时 焊接的飞溅对工艺可靠性影响极大 当飞溅聚集到喷嘴端口和导电嘴出口处 会影响气体的保护效果和送丝稳定性 飞溅若粘合或焊在侧璧上 将直接导致焊枪运行困难甚至短路 17 6 对工艺参数的稳定和电弧空间作用位置的控制要求极高 因为工艺参数的稳定精度和电弧作用的位置精度直接影响到层 道间以及与侧璧之间的熔合质量 中 低线能量时尤为突出 窄而深的坡口内清渣极为困难 窄而深的坡口内保护气体的送达和层流状态的保持直接决定对焊接区的冶金保护 焊枪运行不畅直接影响气体保护 量对焊接接头提高了焊接接头的冲击韧性 18 3 窄间隙焊接技术方法 1 解决侧璧熔合问题 采用麻花焊丝 波浪焊丝 采用双丝分别偏向两侧璧 采用螺旋送进焊丝 焊丝在坡口内偏摆 交流波形上叠加脉冲 旋转射流等 不难发现传统焊接设备是不能完成上述技术的基本动作 2 解决飞溅问题 采用多 细丝埋弧焊 一般为三丝 中等线能量 采用富氩气氛 Ar CO2 CO210 20 全射流过渡或射流 短路混合过渡 用脉冲电流 采用药芯焊丝电弧焊 采用表面张力过渡特别技术等 19 3 解决工艺过程稳定性控制问题 采用降特性电源或脉冲电源 缩短送丝长度 采用高稳定性 高推力的送丝机构 采用特殊箱形喷嘴 多重保护 内 外保护 采用各种光电式计算机辅助自动跟踪系统等 从上述介绍中可以发现 窄间隙焊并不是单纯的减少焊缝截面积 用常规工艺可以完成的焊接技术 20 4 焊缝强度计算系数 当母材金属与焊接材料等匹配时 其容许应力按母材金属的强度乘以焊缝系数 计算 s 焊缝系数 0 900 800 65 无损探伤检验要求 1 00 850 70 100 无损探伤局部无损探伤不作无损探伤 100 无损探伤局部无损探伤不作无损探伤 层板纵焊缝局部无损探伤不做无损探伤 0 950 700 60 焊接接头形式 21 5 常规技术能迖到的最小坡口角度 极限20度 工程应用25度 22 1 金相和化学成分 微观金相试验证实 焊缝无马氏体生成 焊缝区无柱状晶成长 组织是较细针状铁素体和珠光体 化学成份分析证实 本试验用的母材和焊材焊后的焊缝C Si Mn S P五大元素的含量都达到了标准要求 且底部Mn S比值较大 S P元素偏析小 热裂纹倾向较小 23 热影响区 离熔合线0 5mm 热影响区 离熔合线2mm 热影响区 离熔合线2mm 24 2 小坡口焊接技术效益 板厚90mm 坡口为25 8截面积比35 8坡口截面积减少了大约30 所以 效率提高了约30 以上 25 6 厚板焊缝最佳坡口角度 1 美国AwSD1 1规定坡口小于30度应进行焊接工艺定 2 根据实践经验 坡口角度应为30 35度为宜 具体角度应根据厚度变化而变化 26 二 预热 后热采用远红外电加热技术 厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生 准确的预热 层间温度 后热温度是防止裂纹产生的关键 特别是厚板高强钢的焊接尤为重要 这是因为准确控制预热温度 层间温度和后热温度将获得合适的t8 5 直接影响和控制高强钢裂纹产生三要素既 扩散氢含量 硬淬倾向和拘束应力 同火焰预热方式相比较 远红外电加热有 温度控制准确可靠 可以控制升 降温速度的优点 最重要的是 所有采用电加热的焊缝全部受热均匀 从而避免了火焰加热的不均匀同焊接过程中的不均匀叠加而产生附加应力 有效的防止焊接裂纹的产生 27 对 36mm的焊缝和重要焊接节点全部采用电加热 由此保证了焊缝的预热 后热 温度的均匀和准确性 对防止焊接裂纹的产生和控制应力应变起到积极的作用 特别在冬季施工中电加热起到了不可替代的作用 预热可以控制焊接冷却速度 减少或避免热影响区中淬硬马氏体的产生 降低热影响区硬度 并有助于氢从焊接接头的逸出 同时预热还可以降低焊接应力 在丁字和十字焊接接头中预热和拌随预热可以有效地减少焊缝冷却过程中的温差 防止热裂纹的产生 因此 预热是防止低合金高强度钢焊接氢致裂纹和十字丁字接头热裂纹产生的有效措施 焊后消氢处理是指焊接结束或焊完一条焊缝后 在200 250 加热温度范围内保温一段时间 处理的目的都是加速焊接接头中氢的扩散逸出 防止焊接冷裂纹的产生 28 三 组合焊接新工艺 打底焊 采用SMAW 焊条电弧焊 主要有两个目的 其一 解决GMAW 伸出干丝过长影响焊接质量的矛盾 提高打底焊缝成型质量 其二 SMAW同GMAW相比较 焊缝稀释率相对较低 这对提高焊缝金属的综合指标比较有利 填充焊 采用GMAW 实芯C02气体保护焊 主要的目的是利用GMAW的高效及熔深相对较大的优点 提高焊接质量和效率 盖面焊 采用FCAW G 药芯CO2气体保护焊 主要是提高焊缝的表面质量 获得良好的观感效果 29 四 多层多道接头错位焊接新工艺 所谓多层焊技术 不是一次成型 而是多层成型 焊接运条手法允许摆动 焊接厚度一般不控制 适合低碳钢厚板焊接 多层多道焊就是在多层焊的基础上 焊接手法上不允许摆动 焊接厚度要明确规定 以限制焊缝的热输入量 一般规定 GMAW FCAW G每一道不超过5mm 通常是3 5mm之间 SMAW用AV值来确定每一道的厚度 AV 一根焊条所焊焊缝的长度 一根焊条除焊条头外的长度 通常AV 0 6 在立焊位置允许摆动 但限制摆幅 SMAW允许宽度为焊条直径的三倍 GMAW FCAW G允许摆动15 20mm 多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上 加入焊接接头每一道次错位连接 即 接头不在一个平面内 通常错位50mm以上 这种技术特别适合于高强钢厚板的焊接 30 31 结论 高温停留时间愈长 晶粒长大愈严重 1 SMAW 2 SAW 3 SES魏氏组织的形成与焊接热影响区过热区的过热程度有关 也即与金属在高温停留时间有关 从上图的过热区热循环曲线可看出 焊条电弧焊时的高温停留时间最短 晶粒长大并不严重 而电渣焊时的高温停留时间最长 晶粒长大最严重 故电渣焊比电弧焊容易出现粗大的魏氏组织 对于同一种焊接方法 热输入愈大 则高温停留时间就愈长 过热愈严重 奥氏体晶粒长得就愈粗大 就愈容易得到魏氏组织 接头的韧性就愈差 所以 电渣焊时 为了改善焊接接头的性能 消除其严重的过热组织 常须焊后作正火热处理 32 多层多道错位焊接技术的显著优点就是焊接HAZ高温停留时间短 且上一层次对下一层次进行了有效的热处理 受焊接层数的影响 在焊后冷却过程中 焊缝从接近基本金属开始凝固 单道焊的组织为典型的柱状结晶 且共晶粒通常是与等温曲线法向方向 即最大温度梯度方向 长大 由于凝固是从纯度较高的高熔点物质开始 所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处 便会留下低熔点夹杂物 在多层多道焊时 对前一道焊缝重新加热 加热超过900 的部份可以消除柱状晶并使晶粒细化 因此多层焊比单层焊的力学性能要好 特别是冲击韧性有显著的提高 值得一提的是 多层多道焊对焊接接头的应力应变控制相当有利 提高了焊接接头的综合性能指标 33 三 焊接热循环形式决定应力状态的观点 实验证明 当材料处于单轴式和双轴式拉应力下 呈现塑性 当材料处于三向拉应力下 则不可发生塑性变形 呈现脆性 在实际结构中三向应力可能三向载荷产生 但在更多的情况下是由于几何不连续引起的 设计不佳 工艺不当往往出现局部的三轴状态的缺口效应 因此脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处 包括焊接缺欠 特别是裂纹 而试验中也只有引入这样的缺口才产生脆性行为 在焊接工程中 焊接接头的形状 板厚 以及同周围结构的约束 条件不同均可造成不同的应力状态 不同的焊接热循环状态 决定了不同的应力状态 34 一 焊接热循环的空间定位 点 是零维 点焊 线 是一维 钢筋 导线 平面 是二维 薄板 25 4mm以下 空间 是三维 厚板 十字 丅型 C型接头 构件 是多维 两个或两个以上三维复合接头 35 构件 是多维 36 二 零维热循环状态 所谓零维热循环 是指在平面坐标系圆点上进行热传导的状态 就是我们通常说的点焊 电弧焊 电阻焊 极限电弧焊点焊的焊缝是一个直径很小的圆点 焊接热循环是以很小圆点的圆心 以同心圆扩大的方式 在钢板上由内向外传导 这种热传导扩展规律性极强 热传导的速度极快 于是形成了电弧焊零维热循环的致命缺点 37 1 定位焊焊接 预热的规定 定位焊焊缝厚度应不小于3mm 对于厚度大于6mm的正式焊缝 其定位焊缝厚度不宜超过正式焊缝厚度的2 3 定位焊缝的长度应不小于40mm 定位焊缝间距宜为300mm 600mm 钢衬垫焊接接头的定位焊宜在接头坡口内焊接 定位焊焊接时预热温度宜高于正式施焊预热温度20 50 38 2 定位焊的其他要求 定位焊缝与正式焊缝应具有相同的焊接工艺和焊接质量要求 定位焊焊缝若存在裂纹 气孔 夹渣等缺欠 要完全清除 对于要求疲劳验算的动荷载结构 应制定专门的定位焊焊接工艺文件 定位焊缝因位于坡口或接头焊缝底部且成为低层焊缝的一部分 其焊接质量对整体焊缝质量有直接影响 应从焊前预热要求 焊材选用 焊工资格及施焊工艺要求等方面给予充分重视 避免引发焊缝缺陷而造成焊缝较大的返修 39 三 一维热循环状态 所谓一维热循环 是在平面坐标系中 沿一根轴 X轴或Y轴 的方向进行热传导的状态叫一维热循环 在建筑钢结构体系中 一维热循环主要表现在钢筋和圆钢的焊接中 极限的一维热循环在精密焊接仪表中常常采用 即焊电路 电线 在实际焊接圆钢和钢筋的工作中 直径愈小 一维热循环特点愈突出 40 四 二维热循环状态 所谓二维热循环 是在平面坐标系中沿X轴 Y轴方向进行热传导的状态 在二维热循环状态下 所形成的应力状态是我们经常碰到的双轴应力 较零维 一维热循环状态下 应力状态复杂得多 习惯认为 极限的二维热传导是传热学上的 薄板 板愈薄 二维热传导的特点愈突出 在 薄板 焊接接头的焊接过程中 当焊接温度超过600C时 被加热区域发生膨胀 但受到周围温度较低区域金属的约束 热应变伴有塑性压缩 产生压应力 冷却时 伴随收缩产生塑性拉伸 产生拉应力 41 1 临界板厚 对工程实际而言 什么样的钢板叫 薄板 如何判定实际焊接接头应属于二维或三维传热 一直是工程技术人员研究的问题 我们在工程实践中 人为的定了一个标准 即 板厚 25 4mm为二维热传导 25 4mm为三维热传导 这个标准虽然实用 但不准确 为此 引用临界板厚 cr概念 cr E C Tc To 1 2 59 0 75 cr 属三维热传导 0 75 cr 属二维热传导 式中 为实际板厚 cm E 为焊接线能量 J cm C 比热容 C 6 7J cm3 0C Tc C曲线中高温转变的 鼻尖 温度 常取 R500时Tc 5400C R300时Tc 3000C To 焊接前的预热温度 电弧焊的加热热效率 42 试验证实 在焊接热循环的作用下 离焊缝越近的点其加热速度越大 峰值温度越高 冷却速度也越大 并且加热速度比冷却速度大得多 薄板 由室温加热到11000C时只需4s左右 而从1100C冷却到500C左右就需12s左右 43 2 冷却速度的计算 二维热传导CR 2 C Tc To 3 E 2 60 三维热传导CR 2 C Tc To 2 E 61 为了便于比较应用 常取Tc 540C 源于英制10000F 此时CR写成R540 或取Tc 300C 大体相当于Ms 此时CR写成R300 44 3 冷却时间计算 计算T1 T2温度区间冷却时间很重要 对于结构钢 关注的是Ac3至 鼻尖 温度Tmin间的冷却时间 故取T1 800C T2 Tmin 500C 并用t8 5表示 二维热传导t8 5 Ko 2 4 C E 2 1 500 To 2 1 800 To 2 62 三维热传导t8 5 Ko 3 2 E 1 500 To 1 800 To 63 式中 Ko为预热修正系数 Ko 1 1 0 001To 2 3为接头修正系数 对于T型接头 一般可取 2 3 2 2 1 64 式中 为T型接头中翼缘板厚度 1为其中腹板厚度 45 4 t8 5 t100参数 低温焊接条件下 焊缝的冷却速度较常温焊缝要快的多 直接后果是影响二次结晶的重要参数t8 5下降 随之出现淬硬组织 硬度增加 因此冷裂纹的敏感性也相应增加 t8 5在焊接工程实践中是一个非常重要的技术参数 t8 5的大小决定HAZ及焊接接头的综合性能 是一个理论和实践都很强的技术指标 应当引起高度重视 t8 5有多种确定方法 将在有关章节中阐述 在研究高强钢焊接冷裂纹时发现 从峰值温度冷却到100 的冷却时间对冷裂纹有十分重要的影响 故常用t100作为冷裂纹倾向的重要参数之一 目前尚未建立t100可靠的计算公式 主要通过试验的方法测得 46 五 三维热循环状态 所谓三维热循环状态 是在立体坐标系中沿X Y Z轴方向进行热传导的状态叫三维热循环状态 焊接接头在三维热循环状态下 所形成的应力场属三轴应力 钢材在三维应力作用下 呈现脆性 焊接接头有可能在远低于 s的应力作用下发生脆性断裂 在钢结构焊接工程中 钢板的厚度不是判断三维热传导的唯一标准 有很多钢板厚度不大但焊接接头节点组成复杂 也是三维热传导 所形成的应力状态属三轴应力 47 1 超过临界板厚 cr的对接焊缝属三维热传导状态 当 0 75 cr 焊接接头属三维热传导 在钢结构焊接工程中 在相同或相似的焊接环境下 采取热输入量基本一致的焊接工艺 钢板的厚度才是决定是否为三维热传导的关键所在 此时 钢板的厚度决定其热传导状态 一旦实际板厚 超过临界板厚 cr 焊接接头所形成的三轴应力场就随钢板的厚度变化而变化 钢板愈厚三轴应力场愈强 反之则弱 如果焊接接头处在低温环境 焊接对象又是淬硬倾向较强的钢材 那么 焊接接头发生脆性断裂的可能性也就愈大 48 2 T型 十字型 C型焊接接头形状 其焊接热传导方式属于三维热传导状态 钢结构焊接接头中 T型 十字型 C型焊接接头 由于增加了热传导的方向 所形成的温度场属于三维热传导 那么 所形成的应力场也属于三轴应力场 在这种情况下 钢板的厚度不是关键因素 甚至可以忽略不计 相同厚度和不同厚度的薄板组成的T型 十字型C型焊接节点都是三维热传导 我们发现 相同或相似的工程中 中 薄板角焊缝的熔敷金属强度比对接焊缝熔敷金属高 有的几乎高一个级别 分析其原因 就是在相同或相似的环境和工艺条件下 角焊缝属于三维热传导 对接焊缝在板厚不超过临界板厚的条件下属二维热传导 热传导区别很大 因此 角焊缝熔敷金属强度较对接焊缝高 是因为角焊缝的冷却速度高于对接焊缝的原因所致 49 六 多维热循环状态 所谓多维热循环状态 就是在多轴坐标系中 在三维热循环基础上 两个或两个以上的三维热循环状态的复合接头 沿多轴进行的热传导 形成更为复杂的具有显著特点的热循环状态 这是复杂钢结构常见的热传导形式 了解和掌握多维热传导状态下的复杂应力场 对复杂钢结构焊接工程的顺利进行具有十分重要的现实意义 50 51 四 关键技术管理点1 严格控制焊缝的余高 所谓 余高 就是原来焊缝的加强高 现在是多余高度的意思 焊缝余高不是加强高 焊缝余高对焊缝应力集中系数影响很大 应尽量减少余高 焊缝要求严格时应加工成与板面齐平 Kt max nKt应力集中系数 max最大应力 n标称应力 平均应力 52 点a b称为 焊趾 f称为 焊趾角 c称为 余高角 称为焊趾处 缺口半径 B为焊缝宽度 h为焊缝的余高 c增大 变小 Kt增大 但当Kt到一定程度后逐渐趋于稳定 h增大 c增大 所以焊缝不能有很高的凸出 53 五 关键技术管理点2 控制焊缝的成型及表面质量 焊缝的宽窄差 余高的高低差过大不仅仅影响观感质量而且会使焊缝不连续 进而导致应力应变的不均匀 对焊缝质量有所影响 特别应指出的是 焊缝的表面绝对不允许有裂纹 夹渣 气孔和未焊透缺陷的出现 这些缺陷都会导致应力集中 动载结构的疲劳强度大幅度降低 从而影响焊接接头的质量 所以应当用高标准控制焊缝的表面质量 54 55 56 57 58 六 关键技术管理点3 新钢种焊接性试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点 中国2006 2020钢铁科学与技术发展指南 中明确提出 将逐渐稳定生产屈服强度400 800MPa 抗拉强度600 1400Mpa级高强度高韧性钢材以及提高强度1 4倍的所谓21世纪超级钢 可以预言 随着高强钢和超高强钢的推广应用 将冲击传统焊接设计理念 钢材的不断发展和进化 必将对钢结构焊接技术提出新的更高的要求 59 1 建筑钢结构用高强钢性能获得途径 合金强化 组织强化 如淬火 回火 控轧控冷工艺 TMCP 淬火 自回火控制轧制 QST 新的炼钢工艺 促进了新一代钢种的诞生 60 2 我国钢材发展的基本路线 顺应我国建筑钢结构技术的发展轨迹 我国钢材必定向更加高级的方向发展 节能减排的绿色制造理念将推动焊接钢结构的变革 因此 新钢种会层出不穷 各类高强度建筑结构钢 船板钢 压力容器钢 管线钢 桥梁钢 耐热钢和低温钢等 都会沿着Q460E Z35钢的研制道路进一步升华 将通过钢水精炼和控軋控冷 TMCP 等先进工艺 都会向 低碳 微合金化 纯洁化 细晶粒化 方向发展 提高钢材的强度和韧性 这肯定是我国钢铁工业发展的基本技术路线 61 3 新钢种焊接性分析 碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利的影响 不同钢种所出现的焊接性问题不一 在合金结构钢中 随着碳及合金元素含量增多 势必会引起接头的脆化 软化及裂纹倾向增大 这些焊接性问题的出现 往往会降低焊接结构安全运行的可靠性 造成焊接结构的早期破坏 62 焊接裂纹 微合金控轧控冷钢碳及杂质含量低 C S P等元素得到有效控制 因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小 但由于在成形焊接和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力 特别是在采用多丝大线能量埋弧焊时 由于焊缝晶粒过分长大 出现C S P局部偏析也容易引起结晶裂纹 63 随着强度级别的提高 板厚的增大 仍然具有一定的冷裂纹倾向 焊接线能量小 冷却速度较快 熔敷金属含氢量高 因而会增加冷裂纹的敏感性 强度越高 冷裂问题将越突出 64 热影响区的脆化 热影响区的脆化是细晶钢焊接时常常发生的问题 一般所用的线能量越大 脆化倾向越严重 HAZ的脆化问题主要有粗晶区 CGHAZ 脆化 临界热影响区 ICHAZ 脆化 多层焊时临界粗晶热影响区 IRCGHAZ 脆化 过临界粗晶热影响区脆化 SRCGHAZ 亚临界粗晶热影响区 SCGHAZ 脆化等 其中 CGHAZ IRCGHAZ 和SCGHAZ的脆化是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域 65 为防止热影响区的脆化 采用合适的的焊接工艺参数焊接时通过调整焊接工艺参数 减小高温停留时间 避免奥氏体晶粒长大 采用合适的t8 5 使HAZ获得韧化组织 由于新一代钢铁材料晶粒极度细化 焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化 热影响区晶粒长大等问题 66 4 新钢种焊接性试验 根据国际惯例 新钢种焊接性试验研究应当由生产厂家和研究机关来承担 而在我国没有明确的规定 因此Q460 Z35钢的焊接性试验研究工作由施工单位承担 这是首例 根据我国国情 这种现象恐怕要延长很长时间 所以说 新钢种焊接性试验研究可能会成为建筑钢结构焊接工程中的重点和难点 67 68 国家体育场钢结构安装工程焊材选择应用表 69 七 关键技术管理点4 铸钢及其异种钢的焊接 铸钢的焊接要点是 控制热输入量 尽量减少对母材供货状态的破坏 减少焊接应力 防止焊接氢至裂纹的产生 因此 在工程中注意了以下三个重点 1 采用远红外电加热技术 准确控制预热 层间 后热温度 使整条焊缝受热均匀 具体指标 预热大于等予150 按铸钢材料预热 层间温度小于等于250 Q460 Z35 GS20Mn5V为小于等于200 后热250 300 保温一小时后缓冷 70 2 无论铸钢同Q460 Z35焊 还是Q345GJD焊 一旦开始焊接整条焊缝必须连续焊完 中途不得停顿 4 焊接工程结束后应当立即进行 紧急后热 并保温缓冷 准确的预热温度 较小的焊接线能量 不仅仅对防止冷 热裂纹有作用 而且对保证铸钢的热处理状态 调质 也是大有益处的 整条焊缝连续焊完 可以有效的控制层间温度 防止在三维热传导下焊接裂纹的发生和母材反复受热而影响力学指标 紧急后热 对铸钢件特别重要 由于铸钢件杂质较多 成份和氢含量控制困难 紧急后热 可以及时消氢 有效地防止铸纲件焊后氢至裂纹的产生 71 八 关键技术管理点5 复杂钢结构焊缝宽间隙焊接 国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程中 由于钢结构切断形式的确定 出现了部分错边 焊缝间隙超过标准的问题 主结构确定为垂直于大地的切断方式 安装过程中问题较小 相比之下 次结构的问题要多得多 因为次结构走向比主结构复杂 对焊缝而言 横 平 立 仰 斜 扭位置全有 是典型 72 的全位置焊缝 切断方式为垂直于钢结构件轴线 这种切断方式大大地减轻了钢结构制作上的难度 但增加了现场安装的难度 在现场安装过程中 几乎每一根构件都应用计算机仿真技术来确定安装方案 由于吊车和吊具的精度达不到了计算机的精度要求 钢结构在就位时往往出现了错边和焊缝的间隙超过标准 错边和焊缝间隙超过标准相比 处理起来相对容易 而对焊缝间隙超过标准的问题人人都很担心 73 为了检验宽间隙条件下焊缝综合力学指标及对整体结构构件影响 决定进行新型焊接接头 宽间隙 试验 找出其中最大限度的间隙值 以确定现场组对允许最大误差 指导实际工程施工 试验因故只进行了三分之二 其结果令人振奋 根据试验结果编制了 宽间隙处理方案 从而保证了国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程的质量 使钢结构支撑塔架卸载一次成功 74 九 关键技术管理点6 低温焊接技术的研究应用 国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程中 有一万吨以上的钢结构要在冬季完成焊接施工 根据工程现实 我们认为 冬季施焊的临界温度不能只从钢材 焊材的承受能力来规定 而必须从人 机 料 法 环五大管理要素来确定 不能简单从事 根据这一基本思想 国家体育场 鸟巢 组织了很大规模的低温焊接试验 收到很好的成效 制定了 国家体育场钢结构低温焊接规程 确定了 15 为停止施焊的温度 实践证明 低温焊接试验是成功的 15 停止施焊温度确定是科学的 国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程冬季施工取得了十分突出的成绩 充分证实了建筑钢结构冬季施焊的可能性 安全性 75 十 关键技术管理点7 钢结构体系初始应力的控制 国家体育场 鸟巢 钢结构焊接工程在建筑钢结构领域内 第一次明确提出了合拢的概念 带临时支撑的钢结构体系转换成封闭稳定钢结构体系的过程叫合拢 使钢结构形成封闭稳定系统的焊缝叫合拢焊缝 钢结构系统的合拢过程是整个系统一次初始应力的形成过程 真正形成钢结构系统初始应力的工序是卸载 带有临时支撑的钢结构稳定系统 转换成自承重稳定系统的过程叫卸载 76 十一 关键技术管理点8 控制基本金属的稀释率对焊缝强度的影响 77 在焊缝金属中 基本金属所占的比例取决于焊缝类型和焊接规范 在对接接头中 不开坡口的单道焊缝稀释率最高 特别是采用热输入能量大的焊接时更是如此 应当指出的是多层焊时各层焊道的稀释率是不一样的 最大的稀释发生在缺口的根部处 熔合区次之 而在焊缝中心靠近表面处可认为稀释率为零 对接焊缝中基本金属成份比例与焊道次序的关系 坡口角度较大时 它与表面堆焊时的变化规律相似 此时基本金属所占的分额略高于堆焊的情况 而在坡口较窄时 每层的基本金属成份的比例均较大 同时也可以看出堆焊焊道上 下部份化学成份不均匀性很大 而对接焊缝中不均匀性的差别相对较小 这将对我们焊接接头的设计带来了不可低估的影响 见图 78 以上工作体现了 一切为用户服务的观点 一切以预防为主的观点 在作完上述管理和技术的基础工作之后 重点解决全面质量管理中 一切用数据说话 一切以PDCA循环办事 以及收集数据 处理数据的问题 这时 离工程成功的距离已经不远了 79 北京城建集团国家体育场工程总承包部第三QC小组2006年4月3日 应用TQC思想提高国家体育场钢结构工程现场厚钢板焊接一次合格率 80 1 工程概况 国家体育场钢结构工程由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成 结构组件相互支撑 形成网格状构架 组成体育场整体的 鸟巢 造型 81 本工程总用钢量约42000吨 主结构用钢量约为22700吨 其中桁架柱约为10100吨 主桁架约为12600吨 本工程共涉及6种钢材 Q345C Q345D Q345GJC Q345GJD Q460E GS 20Mn5V 钢板的最大厚度110mm 铸钢件最大厚度为150mm 少量厚钢板采用Q460E Q460E Z35钢材为国内建筑用钢中首次使用 共计约740吨 钢材厚度分布饼图如下 82 2 QC小组基本情况及工作情况 83 工程特点 1 独特的全焊接重型钢构高空大跨度马鞍型设计造型 结构十分复杂 应力应变状态难以控制 2 板厚超过30mm的钢材约占总用钢量的1 2 厚板焊接是国家体育场钢结构安装工程中的一大难点 质量要求 工期要求 主结构焊缝全部为全熔透一级焊缝 100 自检探伤 2008年奥运主会场 如期交付使用 课题选定 国家体育场钢结构工程现场厚钢板焊接一次合格率 3 课题选定 84 课题研究 钢材级别高 为Q345GJD Q460E Z35 Q460E Z35钢 100mm 110mm为国内外首次大规模应用 国内首次试制 Q345GJD 100mm在国内建筑钢结构工程中也很少涉及 焊缝质量等级要求高 全部为全熔透一级焊缝 100 UT检测 坡口深 焊缝长 填充量大 需由多人合作方可完成 焊缝质量控制难度大 节点复杂 焊缝纵横交错 应力应变控制难度大 构件空间姿态多样 焊接位置多变 涉及平 横 立 仰还有斜立 斜仰等焊接位置 厚钢板现场焊接难点分析 85 厚钢板现场焊接缺陷收集 通过现场试焊 我们总结发现厚板现场焊接缺陷主要为 厚板焊接缺陷主要为夹渣 未熔合 未焊透 气孔 咬边 形变 电弧擦伤 余高过大 焊缝成型不好 焊瘤 夹渣 未熔合 未焊透发生的主要部位在焊缝根部 立焊位的试板综合力学性能比其他位置差 86 同类工程焊缝一次合格率调查 我们对采用高强度钢厚板焊接的工程进行了一次走访 某工程 采用了Q345GJC Q420钢 板厚最大为120mm 结构形式为H型钢结构 现场安装焊缝一次合格率约为85 根据调查结果 国内建筑钢结构大面积使用高强度厚板本工程尚属首例 87 4 工作路线及预设目标 根据上述原因 我们制定了小组的工作路线和课题目标 第一阶段从工程开工至2005年12月份 针对常温 0 以上 焊接过程中缺陷的防治 提高厚板焊接焊缝的一次合格率 厚板焊接现场焊缝一次合格率达到95 以上 第二阶段从2005年12月到2006年3月 针对低温 0 以下 环境焊接质量保持进行改进 厚板焊接现场焊缝一次合格率达到99 以上 88 现状分析及对策阶段 A主要问题统计表 89 90 B质量要素同焊缝缺陷联系表 91 表1厚板焊接主要缺陷统计表 92 93 C要因分析及确定 过上述图表 说明厚板焊接主要防治的缺陷是裂纹 焊接质量管理的关键环节是 法 和 人 料 重点管理要素是电焊工素质 运条手法和焊接规范 故影响厚板焊接质量的要因确定为电焊工素质 运条手法和焊接规范 94 7 对策表 95 现场实施阶段 实施一Q460E Z35钢焊接性试验 96 97 实施二焊接工艺评定根据 国家体育场钢结构工程焊接工艺评定方案 现场厚板焊接共计完成厚板工艺评定焊接涉及4种钢材 分别是Q345GJD Q460E GS20Mn5V 涉及焊接方法有 焊条电弧焊 CO2实芯焊丝气体保护焊 CO2药芯焊丝气体保护焊 焊接位置有 横 平 立 仰 试板的厚度涉及 42mm 50mm 70mm 80mm 110mm 试验项目共计84项 涵盖了国家体育场钢结构从现场拼装到安装涉及到的全部焊接内容 98 实施三焊工培训设定较高的入门要求各参施单位焊工必须持有 冶金 化工 造船 电力 压力容器 省级以上 焊工合格证之一 才能参加鸟巢工程验证考试 验证考试本工程一共验证考试911名焊工 通过了832名 B证 强化培训考试在此基础上针对现场的特点 强化培训265人 A证 参加现场拼装 安装工作 完成特殊焊接位置和特殊焊缝的焊接任务 99 100 实施四焊接材料选择 国家体育场钢结构安装工程焊材选择应用表 根据焊材匹配原则 经多次试验 共计选择了4种焊条 5种焊丝 101 实施五预热 后热技术应用 现场厚钢板焊接预热 后热全部采用远红外电加热技术 确保了厚板焊接质量 102 实施六现场焊接检查 103 104 实施效果检查 第一循环活动时间 2005年6月30日 2005年12月1日 现场共计完成焊缝1584米 根据设计要求 按全熔透一级焊缝进行100 UT检查 一次合格率为99 5 第三方抽检12 100 合格 105 106 总结提高 在第一阶段循