大型铸钢件安装焊接技术

大型铸钢件安装焊接技术

1、工程概况

我司承担的某体育馆钢屋盖为单层折面网格结构，由16个形状相近的结构单元构成，平面形状为圆形，平面尺寸半径为72m。钢屋盖最高点标高为36.140m，钢屋盖总重量约5800t。钢结构屋盖主结构采用Q345B圆钢管，直径为500mm～850mm，厚度为20mm～35mm。在主结构交汇的节点采用铸钢件，总共有96个，最大铸钢件单个重量为19t（见图1）。铸钢件材质为Gs-20Mn5N，端部最大厚度为60mm。

钢屋盖采用高空定点拼装，累积旋转滑移安装方案。即在节点处设置高空支撑胎架，先在东西两侧高空定点安装铸钢件，后安装主结构及次结构，对称分别安装完成1个结构单元后，对称顺时针旋转滑移22.5o。然后继续东西两侧对称高空定点拼装完成第2个结构单元，两个单元累积对称进行第二次旋转滑移22.5o。以此类推，总共拼装7次，滑移7次，最后补档，完成整个结构的安装。 2、高空安装焊接特点与难点

1) 铸钢件与Q345B钢管异种钢的大批量焊接，共有592个对接口，焊缝总长约1200m。 2) 铸钢件与钢管不等厚焊接。

3) 铸钢件与钢管为空间任意角度的高空对接，有水平、垂直对接，大部分为倾斜对接。 4) 铸钢件体积大，分支多，高空焊接作业平台较难搭设，使得焊接条件较差。 5) 深圳处于海边地区，高空作业风速较大。 3、焊接性分析 3.1 母材的化学成份

GS-20Mn5N铸钢化学成份（%）DIN17182－1985

钢号 GS- 20Mn5N C 0.17 ~0.23 Si ≤ 0.60 Mn 1.00 ~1.50 P ≤ 0.020 S ≤ 0.015 Cr ≤0.30 Mo ≤ 0.15 Ni ≤ 0.40 图1 铸钢件 Q345B化学成份（%）(GB/T 1591-1994))

钢号 Q345B C ≤ 0.20 Mn 1.00 ~1.60 Si _ P ≤ 0.040 S ≤ 0.040 V 0.02 ~0.15 Nb 0.015 ~0.060 Ti 0.02 ~0.20 3.2 焊接性度分析

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3.2.1 GS-20Mn5N铸钢件碳当量 根据国际焊接学会IIW碳当量公式，

Ceq（%）=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 ≈0.524% 3.2.2 Q345B钢碳当量

根据国际焊接学会IIW碳当量公式，

Ceq（%）=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≈0.43% 3.2.3焊接难度分析

根据《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81-2002的表2.0.1<建筑钢结构工程的焊接难度区分原则>分析，该焊接接头复杂件、板较厚铸钢件和碳当量较高，焊接难度较大。 4、焊缝接头装配工艺 4.1 采用带坡口的焊接垫板

为避免铸钢件端部与钢管端部

t2铸钢件40°坡口垫板钢管t1不等厚焊接时形成90o突变截面，本工程垫板采用带45o坡口的垫板，使得铸钢件端部与钢管较平缓过渡，如图2。通过带坡口的垫板，改善焊接接头性能，减小焊缝的应力集中。 4.2活动垫板

45°30图2 坡口垫板

本工程采用高空定点拼装工艺，先定位铸钢件后安装主结构。由于存在倾斜角度及钢管端面与钢管轴线不可能完全垂直的偏差，如果垫板完全固定在钢管上，钢管两端没有任

铸钢件圆钢钢管铸钢件圆钢钢管垫板垫板第一步：垫板缩进10mm 图3 垫板装配图 第二步：垫板移出10mm 何缝隙，钢管将无法顺利装入。只有钢管两端留有一定的间隙，钢管才能比较顺利装入两个铸钢节点之间。

在垫板外侧四个象限角焊接四根短圆钢，在钢管端部的四个象限角处，顺轴线方向开

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1010四个长为20mm的长槽。钢管吊装之前，握住短圆钢把钢管两头垫板往中间顺槽口方向推进10mm，钢管就位后，反方向把垫板拉出，与铸钢件端部对齐。 5、焊接工艺 5.1焊接方法

综合考虑工程的焊接质量要求、焊接难度、工期因素和焊工的操作技能， 本工程现场采用焊条手工电弧焊（SMAW）、实芯焊丝半自动CO2气体保护焊（GMAW）。 5.2预热与保温

当铸钢件距焊接接头70mm处厚度大于36mm时，焊接时要进行预热。采用柔性履带式电加热片预热，由温控仪通过热电偶自动控温。热电偶设在加热片的中间，距焊缝坡口边缘50mm处。预热温度为120～150℃，层间温度120～200℃，预热范围为坡口两侧两倍板厚范围内，且不小于100mm。

预热过程中加热片紧贴于铸钢件及钢管的外壁上，加热片外覆盖保温棉，确保加热效果。预热应均匀一致。焊接完毕后，必须用保温棉覆盖好，缓冷。 5.3焊接顺序

1) 采用多层多道焊；层间或道间焊接接头应错开。 2) 采用手工电弧焊打底时，应采用φ3.2mm的小直径焊条打底焊1～2 层。

3) 每条环焊缝分6个小段由两名焊工对称施焊，如图4所示。 5.4焊接工艺参数 焊接 方法 GMAW SMAW 焊接材料 型号 ER50-6 E5015 规格(mm) φ1.2 φ3.2 φ4 电流(A) 150～200 90～120 140～160 焊工1A233图4 焊接顺序 焊接工艺参数 电压(V) 20～24 22～24 23～25 气流量(L/min) 15～20 / / 2焊1工B6、焊接缺陷

采用以上焊缝装配和焊接工艺，在现场安装焊接最初阶段B超检测过程中，发现焊缝主要存在四种类型缺陷： 1) 无规律零星或者密集型气孔。 2) 焊缝根部密集型气孔。

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3) 热影响区零星气孔。

4) 爬坡位零星气孔，缺陷位置约在东北角和西北角位置，如图5。 7、焊缝缺陷分析与改进

1) 经过全面分析，无规律零星气孔产生的原因主要

是：深圳市处于海边，又存在高空焊接，风力较

45°缺陷位置45°缺陷位置大，采用气体保护焊时，虽然焊接处用帆布进行包裹保护，但防风效果并不理想。改进措施：高空焊接全部采用手工电弧焊。

2) 焊缝根部密集型气孔产生的原因主要是：焊缝采

用活动垫板，垫板与钢管内侧有间隙，钢管内侧

图5 爬坡位焊接缺陷 铁锈焊前未清除干净。改进措施：清除垫板表面及钢管端部内表面的铁锈，钢管与铸钢件对口完成后，先把垫板与钢管之间的缝隙用小直径焊条焊接一道，并打磨。 3) 热影响区零星气孔产生的原因主要是：相对钢板来说，铸钢件的致密度较差，内部存

在小直径气孔。当气孔存在于靠近端部时，焊接时就会在热影响区产生气孔。改进措施：安装之前，对铸钢件端部进行超声波检查，把靠近端部的气孔有角向磨光机磨平，修补后，才进行安装。

4) 爬坡位气孔产生的原因主要是：钢管直径较大，而高空焊接作业平台由于受胎架位置

的影响不是很合适，致使焊接到爬坡位时，焊工操作位置没有及时转换，焊条与焊道的夹角没有及时调整，导致焊条与焊道夹角过小，焊道中的氢不易溢出，使焊缝产生气孔。改进措施：根据焊接的要求，在支撑胎架上搭设焊接操作平台，焊工焊接到爬坡位时，调整好焊条与焊道的角度。 8、改进效果

在第一批50个对接口焊缝，每条焊缝长度约2000mm，有16条焊缝存在约100mm～200mm长的焊缝缺陷， 超声波探伤一次合格率96.8％。经过改进后，第二批50个对接口焊缝，有3条焊缝存在不超过100mm长的焊缝缺陷，超声波探伤一次合格率99.7％。

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