建筑用脚手架短钢管光电控制自动焊接施工工法国家级工法

建筑用脚手架短钢管光电控制自动焊接施工工法完成单位：XX有限公司主要完成人：XX、XX、XX、XX、XX前言在建筑工程施工中，普遍采用φ48×3.5mm钢管作外脚手架及支模架材料。为满足使用需要，搭设架体时难免不切割钢管，久而久之，施工单位的短钢管不断增加，长短钢管比例不配套,甚至导致短料闲置、积压以致浪费，由于一直没有一个好的解决办法，形成了一个普遍存在的老大难问题。施工单位于2006年开始调研、立项、研究、实践，最终研制和研发出自动对焊钢管的成套设备及光电控制晶体管脉冲钨极氩弧焊自动对接钢管技术，形成了成套生产线。与传统手工电弧焊对接技术采用内置钢衬套筒相比，机械化程度高，工效大大提高，经济效益显著，钢管的通用性好，焊接质量可靠。经抽检，对焊钢管100%符合钢管力学性能要求，各项性能指标达到母材钢管水平，能替代非焊接钢管使用。已成功应用于卓越时代广场（二期）、圣·莫丽斯C区花园、深圳观澜格兰云天大酒店、前海豪苑（一期）、哈尔滨大厦、深圳职业信息技术学院Ⅵ标、奥特迅电力大厦、东莞美爵花园、深圳首创八意府、雍景湾等多项工程的外脚手架和内支模架搭设施工，到目前为止，已应用焊接短钢管2802吨，实践证明，焊接钢管性能良好、安全可靠，满足工程施工要求。本工法关键技术获2008年度中国施工企业管理协会科学技术奖技术创新成果二等奖、2009年度深圳市质量协会质量技术奖，获授权实用新型专利一项（光电控制的氩弧焊接钢管设备，专利号：ZL200820049407.3），获授权发明专利一项（建筑用脚手架短钢管自动控制焊接工艺，专利号：ZL200910185302.X），2009年通过省级住房和城乡建设厅组织的科学技术成果鉴定，关键技术国内领先。2.工法特点2.1采用光电控制晶体管脉冲钨极氩弧焊自动对接钢管技术，自行研制的自动对焊钢管成套设备性能先进，成本低、工效高、质量可靠、操作简单。2.2焊接过程中，自动焊接机床转盘控制组对钢管均速同步转动，焊口受热均匀，焊剂分布匀称。钢管端部开口60°坡度，用氩气保护，工件自动旋转焊接，焊液分布均匀，不易产生气孔，焊口表面平整光滑，机械化程度高，焊接质量好。2.3焊接中采用光电技术控制钢管焊口几何尺寸，克服了传统手工电弧焊质量不稳定和几何尺寸难控制的问题，防止了焊缝超焊。2.4可按工程施工实际需要长度焊接定尺钢管,能有效避免现场施工中将长钢管锯短和增加搭接的现象，节约扣件，使用方便，省工省料。2.5焊接钢管通用性好，符合建筑施工脚手架钢管材质要求。2.6短钢管对焊接长，可实现短料长用，以及废料再利用，符合国家节能减排政策要求。3.适用范围主要适用于建筑工程施工外脚手架和模板支撑架搭设用φ48×3.5㎜钢管的对接焊接；并可广泛用于壁厚、直径、材质均相同且可焊性好的金属圆管大批量对接焊接。4.工艺原理4.1光电控制的钨极氩弧焊自动对接焊接钢管由一系列新型设备组合而成，形成成套流水作业工序。脉冲钨极氩弧焊机控制气泵对自动焊接机床输入保护氩气，自动焊接机床上的自动程序控制装置可实现对焊枪、送丝机构、氩气流量、焊接工艺参数、工件转速等的自动控制，达到自动焊接目的，并且对钢管对焊环形焊缝起焊点有记忆功能，保证焊接终点与起点能自动重合，防止局部超焊。4.2自动焊接机床上装设一组光电开关，通过控制电路上装设的收光器接收发射电路发出的光信号，控制钢管焊口几何尺寸。施焊中，焊缝的几何尺寸小于或等于钢管直径时，电路畅通；焊缝大于钢管直径时，电路自动断开。采用脉冲钨极氩弧焊,在氩气保护下，使钨极端头、电弧和熔池金属不与空气接触，电弧燃烧稳定，热量集中，有利于形成致密的焊接接头，性能良好（熔化与非熔化极氩弧焊示意图如图4.2-1所示；自动焊接机床控制示意图如图4.2-2所示）。非熔化极/钨极氩弧焊熔化极氩弧焊非熔化极/钨极氩弧焊熔化极氩弧焊图4.2-1熔化与非熔化极氩弧焊示意图图4.2-2自动焊接机床控制示意图理图图4.2-2自动焊接机床控制示意图理图5.焊接工艺流程及操作要点5.1钢管对焊施工工艺流程钢管对焊施工工艺流程（见图5.1.1）选料选料除锈、矫直切割焊口端头V型坡口加工对接组对自动氩弧焊成品焊缝外观检验图钢管对接焊接工艺流程图5.2焊接施工要求技术准备1、焊接工艺评定及焊工培训、考核施工前参照现行《焊接工艺评定规程》DL／T868中有关规定进行焊接工艺评定，并根据评定结果编制焊接工艺说明书，指导焊工培训。焊工培训考试按国家质检总局颁发的《建筑钢结构焊接焊工考试与管理规则》的有关规定进行，考试合格后方可上岗施焊。2、施工前安全及技术交底施工作业前严格按照现行《氩弧焊安全技术操作规程》、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81和焊工特种作业安全管理规定等要求，对机操工、焊工等作业人员进行安全技术和环境及职业健康要求交底。钢管选料焊接钢管筛选：满足直径φ48、壁厚3.5mm。根据施工需用的钢管长度要求，选择两根短钢管总长度略大于所需长度，且2条组对钢管壁厚相同。钢管除锈、矫直采用脚手架管专用矫直机对筛选出的待焊钢管进行表面清理、除锈和调直。切割钢管焊口端头用金属圆锯机垂直切割待焊钢管的端部。锯切时，采用手工方式按所需切割的长度将钢管端头送入切割夹具，启动自动控制开关，由自动气缸控制刀具进行切割。须保证钢管焊接端口切平，切口平面与钢管中心线垂直。如图所示。图金属圆锯机自动切割短钢管端头坡口加工及检查1、用端面加工倒角机对切割好的钢管焊接端口开60°V型坡口，如图-1所示。3.50.53.50.50.560O钢管图5.2.5-1钢管对焊V型坡口示意图V型坡口大样钢管对接大样2、加工完的坡口应进行外观检查，要求切面光滑，不得有裂纹和分层，否则应重新切割并开坡口。3、坡口加工完毕，要对母材端面进行清理，焊口端部20㎜内和坡口面不得有油（油漆）、水、锈等杂质，防止焊缝产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷，如图-2所示。图-2用端面加工倒角机给钢管焊接端开60°坡口焊接工艺1、钨极氩弧焊二次输出回路采用直流正接。工件接正极，钨极为负极。阴极区发射电子，温度低，钨极不容易烧损，使用寿命长,可以使用较大的焊接电流。采用该焊接工艺，焊缝熔深大而熔宽窄，生产率高，工件的收缩和变形也小,形状保持良好，适合焊接碳钢等,能够形成稳定均匀的焊缝。2、TIG焊（钨极惰性气体保护焊）时，由自动焊接机床双卡盘带动一组对接钢管等速同步旋转，采用焊枪相对由焊件接缝的右端向左端移动的左向焊法，气体保护效果好，焊缝成型美观。3、钨极伸出喷嘴的长度，一般取1～2倍钨极直径；钨电极与焊件距离（弧长）一般取1.5倍以下钨电极直径；钨极氩弧焊喷嘴孔径为5～20mm，对应保护气体流量为5～25L／min，焊接碳钢可选用4～5﹟喷嘴。焊接电流增大，所对应的喷嘴孔径和气体流量取值也随之增大。4、钨极氩弧焊电极为纯钨或活化钨为材料，其特征在于电极的一端削尖，要求尖端部位位于电极的轴心线上。电极尖端部常加工为圆锥形，圆锥顶角的夹角为20～30°或90°,最大限度的消除钨极尖端形状对电弧稳定性的影响，提高焊接稳定性和焊缝质量，并延长钨电极的使用寿命。5、对于Q215脚手架用无缝钢管，通常壁厚δ=3.0～3.5㎜，选取相同壁厚钢管进行组对，对单面60°V型坡口对接焊应由基层开始向外分层焊接，保证对接焊缝完全焊透，表面平整，如图-1所示。图-1分层焊接顺序图60°123图-1分层焊接顺序图60°1236、钨极氩弧焊的规范参数值与被焊材料种类、板厚及接头型式有关。脚手架钢管对接焊接工艺参数的选择见表。表自动钨极氩弧焊接工艺参数表焊接电流（A）电弧电压（V）焊接速度（cm//min）氩气流量（L/min）提前送气时间（ss）滞后停气时间（ss）电流上升时间（ss）电流下降时间（ss）150～16013～158～125～100.5～51～120.5～41～5预通气0.5～5s高频引弧预置起弧电流5～20A预通气0.5～5s高频引弧预置起弧电流5～20A基值电流正常焊接频率1～200HZ电流缓升0.5～4s电流缓降1～5s滞后停气1～12s脉冲峰值电流15～400A脉冲基值电流15～峰值电流的40%图5.2.6-2焊接电流波形图脉宽8、选用小直径钨极，圆锥形尖端夹角30°，且选择短时大电流焊接脉冲（窄脉冲），可得到深宽比接近2：1的焊道；能将根部焊道或薄件熔透，并在焊接熔池明显下陷之前凝固。通过适当选择大电流脉冲高度（电流）和脉冲时间（脉宽）及小电流脉冲高度和脉冲时间的比例，可以把热影响区的尺寸减至最小。钢管对接组对使用自动焊接机床对待焊钢管进行焊接前组对定位，见图，要求组对钢管壁厚相同；两段钢管分别固定在焊接机床两边三爪卡盘上，保证2条对接钢。表自动焊接机床技术参数工作台焊枪调节范围送丝机构主机控制角工件夹持主轴转速上下前后左右适用直径调速范围Φ6～60㎜0.1～3转/分分无级调速50㎜50㎜50㎜Φ0.8～1.6㎜㎜0.2～2m/mmin无级调调速任意角度调控图用自动焊接机床三爪卡盘固定组对短钢管系统上电运行系统上电运行系统参数初始化选择工作焊枪焊枪头至工件距离设定检测电压信号与电流信号切换至PID控制状态满足要求1、自动接管专用机床与晶体管钨极氩弧焊机配合，通过自动机床上配置的智能化（焊缝自动跟踪调节系统）装置，可实现焊缝自动跟踪焊接，提高焊接自动化。同时机床具有脉冲检测功能，通过设置，即可实现任意焊接长度的自动焊接。2、自动焊接机床操作程序：开启焊枪冷却器1、自动接管专用机床与晶体管钨极氩弧焊机配合，通过自动机床上配置的智能化（焊缝自动跟踪调节系统）装置，可实现焊缝自动跟踪焊接，提高焊接自动化。同时机床具有脉冲检测功能，通过设置，即可实现任意焊接长度的自动焊接。2、自动焊接机床操作程序：开启焊枪冷却器→开启氩气、压缩空气→开启焊机电源→开启机床电源→开启机床控制面板电源→设置各项焊接参数→试焊→参数修正→转入成批自动焊接。见图-1。图-2用自动焊接机床焊接接长短钢管焊缝检验1、外观检测通过机床上的控制开关控制激光信号，对钢管焊缝的几何尺寸、表面平整度进行自动控制。焊接过程中，焊缝的几何尺寸小于或等于钢管直径时，电路畅通；焊缝大于钢管直径时，电路自动断开。焊缝在氩气保护下，钨极端头、电弧和熔池金属不与空气接触，形成致密的焊接接头，表面平整。如图-1所示。图-1焊接好的钢管接头2、抽样检验焊接的钢管接头按规范进行抽样，经拉伸、弯曲试验，压扁试验，磁粉检测，宏观酸蚀性试验等各项检测，结果证明焊接接头的各项性能均达到母材的水平。检验试件如图-2所示。图-2焊接接头弯曲试验5.2.10焊接施工环境条件1、焊接设备输入电源为380V，要求电压波动范围为±5%。2、环境温度范围：-25℃～40℃，并保证环境空气流通。3、钨极氩弧焊，要求风速应小于20m/min。4、空气相对湿度应小于85%。5、作业场地应平整，无严重振动，保证机床安装时床身平面尽量放平，最大允许误差0.15㎜。6、焊接场所应有防风、雨、雪措施。6.材料与设备6.1焊接材料钢管钢管材质应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700中Q235－A级钢的规定；钢管力学性能应符合现行国家标准《直缝电焊钢管》GB/T13793或《低压流体输送用焊接钢管》GB/T3091的要求；钢管长度不小于3000mm，外观尺寸符合现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130的要求。氩弧焊焊丝选用牌号：THT50-G，型号：GB-ER50-6实心焊丝（如：唐山神钢MG-51T），规格为φ1.6mm，且各种化学性能及技术指标与国内Q235材质接近。保护气体选用氩气，纯度Ar≥99.9%。钨极选用铈钨，规格为φ2.4mm×175mm耐高温钨棒。6.2机具设备脚手架钢管自动钨极氩弧对接焊接所需主要机具设备见表。表主要机具设备序号名称规格型号数量备注1脚手架管矫直机GJC-48A1台用于钢管的表面清清理、除锈、调调直2自动管焊机床WDGH-021台配合TIG自动氩弧焊焊可实现自动动管-管对接环焊焊缝焊接，提提高焊接精度度和生产效率率3晶体管脉冲钨极氩氩弧焊机WSM-2501台采用CMS集成电路QQH-ARCC160电弧控制系系统，高频引引弧系统，提提前送气、滞滞后停气等自自动程序控制制系统4液体循环冷却器WDYL-X1台氩弧焊焊枪专用冷冷却装置5金属锯切机ML-275ACC1台半自动金属锯切机机床，配Φ外≤275㎜，Φ内=32㎜锯片6端面加工倒角机DJ-50SQ1台人工送料，自动进进、退刀，速速度快，刀片片规格化，调调整方便；适适合Φ19㎜～50㎜圆管内外外倒角7锯片研磨机MSG-4501台用于金属圆锯机切切割片修复加加工8空压机FW800121台为金属切锯、端面面加工倒角机机提供气源7.质量控制7.1质量标准钢管对接焊接应符合现行《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81。抽检焊缝的磁粉无损探伤应符合现行《无损检测-焊缝磁粉检测》JB/T6061。产品试件拉伸、抗压、冷弯力学性能试验应符合下列现行标准：拉伸试验：《焊接接头拉伸试验方法》GB/T2651，抗压试验：《金属管-压扁试验方法》GB/T246、《焊接接头弯曲及压扁试验方法》GB/T2653。弯曲试验：《焊接接头弯曲及压扁试验方法》GB/T2653。焊接后的成品钢管应符合现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130。7.2技术措施严格按《建筑钢结构焊接焊工考试与管理规则》和《钨极氩弧焊技术规程》的有关规定进行焊工培训与考试，考试合格并熟练掌握钨极氩弧焊技能的方能上岗。焊前技术员应按工艺指导书的要求对焊工进行技术交底。严格按照焊接施工的各项技术要求进行施工。焊工施焊前应对焊件、焊丝表面进行清理，保证焊口组对质量。及时反馈焊缝质量检验评定结果，技术员应针对焊缝中所出现的缺陷认真查找原因，提出预防措施。焊机性能应满足焊接施工工艺要求。7.3管理措施各工序工作分工明确,落实到人。合理安排施工进度和焊接工作量，严格控制焊接质量，协调好焊缝检验与施工进度之间的关系。焊工应对焊机定期进行保养，确保焊机处于完好状态。严格控制作业环境条件，当环境条件不能满足焊接环境要求时，应采取一定的防范措施。8.安全措施8.1劳动力组织表劳动力组织情况表序号工种人数分工与职责1操作组焊工1负责自动机床上钢钢管组对氩弧弧焊接2调直机操工1原材料钢管调直、除除锈3切面机操工1焊口端面金属切割割4倒角机操工1焊口端面V型坡口口机械加工5电工1施工作业现场设备备用电操作6管理组技术主管1负责钢管氩弧焊接接工艺技术7质检员1根据技术规范和工工艺评定作业业指导书对焊焊接工作进行行全面检查监监督8安全员1对作业现场安全、文文明施工、职职业健康进行行监督9材料员1根据客户所需尺寸寸，确定原料料钢管尺寸配配对，并组织织材料转送至至加工现场合计98.2安全措施焊工上岗施焊应穿戴好劳动保护用品，防止电弧光中的紫外线和红外线灼伤、烫伤和触电事故发生。焊接手把的绝缘性能要经常检查。钨极氩弧焊接时，应加强焊接区的通风。在不能进行通风的局部空间施焊时，应戴供给新鲜空气面罩或防毒面具。焊机外壳要可靠接地，接地电阻不得大于10Ω；设立单独开关，拉合闸刀时要戴好绝缘手套，脸部侧向操作。施工现场不得有易燃、易爆物品。每次施焊工作结束后，应切断焊机电源，并检查操作地点，确认无火灾隐患后方可离开现场。9.环保措施9.1氩弧焊的引弧与稳弧措施应采用晶体管脉冲装置，不得用高频振荡装置，防止高频电磁场辐射。应定期对焊接工作场所进行电磁辐射检测，不得超过卫生标准规定的8小时接触允许辐射强度：20伏/米，并采取防电磁辐射措施。9.2氩弧焊电极不得用钍钨棒而用铈钨棒或钇钨棒，防止产生放射线伤害。9.3磨削电极钨棒应配备专用砂轮，砂轮机要安装除尘设备，砂轮机地面上的磨屑要经常作湿式扫除，并集中深埋处理。操作时应戴防尘口罩，磨削完毕后应以流动水和肥皂洗手，并经常清洗工作服和手套等。9.4焊接时选择合理、规范的参数，避免钨棒过量烧损，产生大量焊接金属粉尘；以及臭氧、氮氧化物、一氧化碳和氟化氢等有毒气体。应加强作业场所通风和个体防护，防止中毒。9.5待焊钢管端头切割后的余料和V型坡口加工产生的金属碎屑应集中回收；金属切割设备冷却液、机油等应防止洒漏，污染土壤；对洒漏油料应即时用砂进行收集处理。10.效益分析10.1如焊接钢管价格按新钢管价格70％计算，新钢管与焊接钢管相比较：新钢管单价5300元/吨；短钢管单价3710元/吨，焊接费用200元/吨；焊接钢管可节约1390元/吨。至今施工单位已完成短钢管焊接2802吨，创造经济效益669.678万元，取得了良好的经济效益（见表10.1-1、表10.1-2）。表10.1-1旧短钢管与焊接钢管经济效益对照表材料名称重量（吨）租赁产生经济效益（万元）备注单价（元/吨·月月）回收租金（万元）旧短钢管2802无无无长期库存积压焊接钢管2802100280.2280.2租金以10个月计计表10.1-2焊接短钢管与新钢管费用开支对照表材料名称重量（吨）焊接费用（元/吨吨）单价(元/吨)节省开支（元/吨吨）共节省开支（万元）备注新钢管2802无5300无无焊接钢管280220037101390389.478按新钢管单价700%计以上焊接钢管经济效益合计：280.2万元+389.478万元=669.678万元。10.2利用氩弧焊焊接技术对接钢管，可为用户提供满足各种施工层高要求的定尺钢管，减少接头扣件，避免现场钢管的切割，提高工作效率，其良好的接头性能和与母材同等的通用性，受到了用户的好评，取得良好的社会效益。10.3通过对大量闲置、积压短钢管以及部分废旧余料的对接焊接再利用，降低了材料报废率，提高了钢管单位重量利用率，符合目前国家节能降耗政策要求。11.应用实例目前施工单位累计完成φ48×3.5mm短钢管焊接2802t，成功应用于卓越时代广场（二期）、圣﹒莫丽斯C区花园、德阳深国投商业中心、前海豪苑（一期）、哈尔滨大厦、深圳职业信息技术学院Ⅵ标、奥特迅电力大厦、东莞美爵花园、深圳首创八意府、雍景湾等多项工程的外脚手架和内支模架搭设施工。经工程实践证明，焊接钢管性能良好、安全可靠，满足工程施工要求。11.1卓越时代广场（二期）工程概况卓越时代广场（二期）由深圳市祈年建业投资有限公司投资开发，工程位于广东省深圳市福田中心区6-2地块，是一座集高档商业、酒店、办公于一体的建筑综合楼。框剪结构，地下建筑3层，地上建筑22层(两栋塔楼)，总建筑面积111119.13㎡，建筑高度99.65m，结构层高