建筑钢结构厚钢板现场焊接技术
【摘要】本文通过分析目前国内建筑钢结构厚钢板的使用情况及现场焊接的特点，介绍了常用的现场厚板焊接工艺及质量保证措施。
一、建筑钢结构厚板现场焊接的概况
目前国内钢结构建筑大量出现，建筑钢结构的用量占全国年钢产量的比例不断增大，2005年建筑钢结构的用量为1580万t，预计2010年达到2600万t。在许多超高层建筑和大跨度建筑中，为满足建筑造型和结构设计的需求，大量使用到厚钢板(一般指30～60mm以上)及超厚钢板(一般指60mm以上)。如1986年施工的国内第一座超高层钢结构大厦深圳发展中心，其钢柱最大厚度达到130mm(见图1)；1994年施工的深圳地王商业大厦钢板最大厚度100mm；2007年封顶的上海环球金融中心使用的钢板最大厚度为100mm，其中40mm以上钢板用量占钢结构总量的60％以上；在建的央视新台址工程最大钢板厚度达到110mm，其外框筒结构中大量使用到60～100mm钢板，厚板约占钢结构总量的70％。
由于受现场垂直运输设备的起重能力以及运输条件的限制，大量钢结构构件如重型钢柱、超长钢梁、大型桁架等都需要分段分节后以散件的形式运到现场，然后在现场对这些构件进行组装，在分段对按的位置就产生了大量的厚板现场焊接。相对于工厂焊接，厚板现场焊接具有以下特点：
(1)现场焊接的作业环境相对较差。由于现场焊接属于室外作业，而且一般工程施工的时间跨度较大，现场焊接作业需要经历冬季和夏季的转换，还可能遇到人风、暴雨和浓雾等不利气象条件的影响。尤其在超高层钢结构施工中，高空的作业环境湿度大、风力大、温度低。
(2)现场焊接位置受到周边环境的限制，焊接难度较大。因为构件一旦安装就位，焊接位置就不能改变，而且不能像在工厂焊接时，可以利用行车及焊接作业平台对构件进行翻转及换位。
(3)现场厚板焊接填充量较大。如一条1000mm长的焊缝，板厚100mm，采用CO
2气体保护焊，需要连续焊接6h。
近年来，现场厚板焊接普遍采用药芯焊丝CO2气体保护焊。药芯焊丝CO2气体保护焊兼有气保焊和手工焊两方面的优点，工艺性能好、易操作、施工效率高，是焊条电弧焊的3～4倍，冶金反应完善、工艺性能好、晶问腐蚀性能及低温冲击性能均较理想；特别是弧稳，飞溅少，焊缝成形光滑美观，熔敷效率高，一般可达75％～85％，而且适用于全位置焊。厚板现场焊接最为常见的焊接缺陷是层状撕裂和焊接裂纹，最常见的施工质量问题是焊按变形过大。
二、现场厚板焊接典型工艺流程及常用焊接工艺
1.现场厚板焊接典型工艺流程
为摔制厚板现场焊接的质量，要求按照图2所示的典型工艺流程进行施工。
2.钢梁厚板现场焊接常用工艺
建筑结构的钢梁一般采用箱形或H形截面在跨度大、受力大的部位，钢梁的上下翼缘板较厚，超过运输长度限制的钢梁需要在现场对接。钢梁厚板焊接时翼缘的焊接位置通常为水平位置，腹板的焊接位置通常为立焊。考虑到仰焊作业难度较大，而且厚板焊接的焊缝填充大，如无特殊要求，上、下翼缘均应采用平焊的焊接位置；若钢梁为箱形截而，可采用顶面开天窗或在腹板侧面开人孔的方式施焊下翼缘对接焊缝。
3．钢柱厚板现场焊接常用工艺
钢柱对接位置一般采用单边V形坡口，由于钢柱有安装垂直度的要求，所以在焊接过程中要注意采取对称焊接的方式施工。对于腹板、翼缘均较厚的H形钢柱，其版板宜采用双面坡口，焊接时先焊接腹板，再焊接翼缘。
三、现场焊接质量保证措施
1．焊工培训
厚板现场焊接的质量与操作者的水平和执行焊接工艺的能力有直接关系。由于每个工程的原材料和结构特点均不相同，在开工之前，即使是持有有效焊工证的焊工也必须进行针对性的焊接培训，以熟悉现场作业环境及母材的特性。
2．原材料质量
钢结构构件的原材料和焊接材料的质量是保证现场焊接质量的基础。由于厚板现场焊接接头普遍存在拘束应力大的特点，尤其是在T形、角接连接形式下(厚扳H形钢柱、梁，Box箱型柱、梁)层状撕裂现象尤为突出。除了对钢材质量等级A、B、C、D有要求外，还对材料的Z向性能提出要求(抗层状撕裂等级——材料断面收缩率Z15、Z25和Z35)。现场焊接前，施工单位应对焊缝坡口两侧100mm的范围进行超声波探伤，以确保焊缝质量。
3．提供较为良好的作业环境
现场厚板焊接因填充量大，一般情况下应确保一条焊缝可以一次焊接完成，避免中途停顿，所以现场焊接操作平台及防护棚的搭发要求较高。要求在现场焊接部位采用特制型钢架或脚手架钢管进行搭设，平台底部满铺跳板，跳板上面覆盖防火石棉网，焊接操作平台周边设踢脚板，防止小件物体坠落。在焊接平台周边及顶部，用防火材料搭设防护棚，要求防护棚顶部不透风、周边不漏水，还能承受一定的外部荷载。
4．严格执行焊前、焊后的热处理工艺
对于Q345级别及以上的钢材，在板厚超过30mm的情况下，要求严格执行JGJ81—2002规定的焊前预热及焊后热处理要求。在条件许可的情况下，应优先选用电加热技术进行焊前、焊后热处理。
5．采用合适的焊接顺序
由于厚板焊接热输入量大，焊接收缩量也较大。对于独立的构件如单独的钢柱，宜区采用双人对称焊接的方式进行，防止钢柱焊后垂直度超出规范要求。对于复杂的桁架现场焊接，要求在桁架整体拼装完成后开始焊接，总体的焊接顺序宜从中间向四周展开，尽量避免在周边形成约束的情况下进行焊接。如上海环球金融中心周边带状桁架采用如图3所示的焊接顺序进行焊接：上弦对按节点1→节点2→节点3→节点4，其次进入下弦：对接节点1→节点2→节点3→节点4，腹杆从中部向两端施焊，且腹杆上下两端不同时焊接。
6．加强焊接过程中的变形监测
焊接变形虽然会影响构件的安装质量，但也是可以利用的。在现场焊接作业前，焊工应提前了解构件的安装误差，适当地利用焊接变形消除部分安装误差。对于比较重要的构件，为避免焊接完成后变形过大，在焊接作业过程中，应对焊接结构进行同步监测，一旦发现变形超标，应及时调整焊接顺序或焊接速度，以保证最终的钢结构施工质量。
四、结语
建筑钢结构厚板现场焊接质量对建筑结构的安全至关重要，在施工过程中容易出现质量问题。施工单位在焊接作业前首先应确保原材料的合格，做好焊接工艺评定试验，并针对现场的作业环境进行焊工培训，加强焊接操作过程的管理。在原材料合格的前提下，由合格的焊工按照经过评定合格的焊接工艺施工，厚板现场焊接的质量一定是可以得到保证的。
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