总结出采用20%Ar和80%CO2的混合气体保护焊；选用E501T1-1药芯焊丝；采用氧、乙炔中性焰预热及电加热片后热等各项技术，有针对性的消除各项焊接缺陷，改善了焊接质量。
【关键词】太原南站；冬施；厚板焊接；焊接缺陷；合格率
1工程概况
太原南站站房工程主体结构为局部地上两层，地下一层，总建筑面积202919m2。其中主站房钢柱体系中的花柱中截面规格最大为X2800*700*30，箱型钢柱截面规格最大为□1400*1400*50、□1200*1200*50；屋盖结构截面规格最大为□700*700*30；高架候车层钢桁架截面规格为□400*1000、□400*1200等箱型截面构件，壁厚有14、16、20、25、30、40、48、50等多种。由于受现场设备的起重能力以及运输条件的限制，大量钢结构构件如钢柱、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，在分段对接的位置就产生了大量的厚板现场焊接。又因为钢结构的工期时间段大部分分布在2009年11月至2010年3月份之间，造成此部分的钢结构现场安装焊缝需在低温状态下焊接。冬施状态下厚板一次焊接合格率控制技术减少了焊缝返修、降低了工程成本、加快了工程进度。
2技术难点
1）太原地区冬季的日常气温大多低于零摄氏度，并经常伴有4-5级西北风，这种寒冷的气候条件对钢柱、梁的焊接特别是厚板焊接质量有较大影响。
2）板材多为30mm-60mm厚板，母材可焊性不好，焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大，焊后应力和变形大；而且冬季施工过程中厚板焊接易产生裂纹与形变，焊接质量难以保证，焊接部位不合格要进行返修，需要耗费大量的人力物力，严重影响施工质量与工程进度。
3）由于焊接构件板厚过大、面缝过宽等原因造成根部与面层及进缝区与远缝区存在较大温差，在加上冬季气温低，焊接区域温度很难把握，对焊接质量存在一定影响。
4）施工质量要求严格，设计所有厚板焊接均为一级焊缝，依据《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》GB11345，必须100%进行超声波探伤。
3焊缝缺陷调查分析
对已焊接完成的厚板焊缝进行检查，先进行外观检查，然后进行超声波探伤。经检查发现缺陷焊缝占12%，合格率仅为88%。对这些数据进行统计分析，其中：焊接裂纹及气孔为最常见缺陷因素，分别占50%及20%，其余还有夹渣、未焊透、外观等缺陷。
造成太原南站冬施厚板焊接不合格最主要的缺陷是焊接裂纹及气孔等现象。通过对焊接缺陷的分析可得出影响焊接缺陷的原因有多种：
1）厚板在焊接前，钢板的板温较低，在开始焊时，电弧的温度高达1250～1300℃，厚板在板温冷热骤变的情况下，温度分布不均匀，易发生裂纹，焊前要充分预热。
2）经现场调查，部分作业人员进行厚板焊接时摆宽道，使得母材对焊缝拘束应力大，焊缝强度相对较弱，容易引起焊缝开裂或延迟裂纹的发生。
3）焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合都会影响焊接质量；焊丝随用随取，使用前未经过严格的烘烤，焊剂受潮。
4）焊接完成后接头部位存在残余应力，不进行焊后后热处理不能消除这种应力及骤冷骤热现象。
5）根据当地低气温、风力大气特点，应选用效率高、对风敏感低的低氢型药芯焊丝，焊接保护气体应选用质量更好的富氩惰性气体。
根据以上可以明确的概括出影响焊接缺陷的几个重要因素：施工环境、焊接材料、焊前焊后的处理、焊接手法方法、焊缝清理。厚板焊接合格率的提高需通过以上几个方面的过程控制来实施。
4合格率控制技术
4.1施工环境温度低、风力大的控制
为了保证焊接的环境温度在-5℃以上，需搭设防风保温棚，在保暖棚中放置适当的取暖器或碘钨灯，提高焊接的环境温度。高架层桁架、柱子、屋盖焊接时，将吊篮（焊接用）周围及其顶部用彩条布或三防布封闭为原则，达到保温的目的。钢柱焊接时，防风保温棚搭设方法如下图：
图3 防风保温棚搭设方法
搭设防风保温棚的同时，根据施焊作业层风速的变化，对气保焊的保护气体流量适当作调整，如下表所示：
表2 保护气流调整表
风速焊枪型号保护气体气压保护气体流量
≤2m/s500A或350A0.4MPa25～50 l /min
2～5.0 m/s500A或350A0.5MPa平、横焊50～70l/min
立焊60～70l/min
5.0～6.0m/S500A或350A0.5MPa平、横焊70～90 l/min
≥6.0 m/S防风枪0.5MPa90～100 l/min
注：风速测定位置为距施焊处1米以内焊缝坡口段部，风向为焊接前进的方向
4.2焊接方法、材料的控制
在太原地区的冬季，日常气温也大多界于零下，并经常伴有强劲的北风，且厚板焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，根据厚板焊接工艺特点采用CO2气体保护焊。为保证焊缝不产生冷脆，负温度下焊接用的焊丝，在满足设计强度的要求下，优先选用屈服强度较低、冲击韧性好的低氢型焊丝。本工程根据焊接工艺评定，在进行厚板焊接时选用E501T1-1药芯焊丝，而药芯焊丝能提供很高的生产效率，即单位时间内所熔敷的焊缝金属量高。药芯焊丝因有焊剂，它比实芯焊丝对母材污染有更大的容许。正是这个原因，使得药芯焊丝适合工地焊接。保护气体更换成20%Ar和80%CO2的混合气体，纯度更高的气体能更好的保护焊缝。
4.3焊前预热及焊后后热的控制
寒冷的冬季焊接施工，光有严密的焊接防护还不够，厚板由骤冷至焊接产生骤热，容易发生钢结构焊缝接头区冷裂纹现象。焊前加热消除焊缝两侧母材与焊缝区的强烈温差，最大限度地减缓钢材在板厚方向由热胀时压应力到冷缩时拉应力的转换过程，最大可能地促使焊缝接头均匀胀缩，这是保证超厚钢板焊接质量尤其是在寒冷地区焊接时的一个非常重要的环节。
所以当节点板厚度≥30mm时，焊接时要求进行预热处理。低温环境下的预热温度应稍高于常温下的焊接预热温度，加热区域为构件焊接区各方向大于或等于二倍钢板厚度且不小于100毫米范围内的母材，预热温度需要根据板厚及构件约束条件；焊接时热输入的大小；施焊环境温度来确定，现场采用氧、乙炔中性焰，热输入约为15～25kj/cm。
表3 焊缝预热温度表
构件板厚预热范围冬施焊接
预热温度
40～60mm≥100mm80～100℃
≤40mm≥100mm`70～80℃
图4 焊缝预热
经现场调查发现，定位焊也是厚板施工过程中容易出现问题的部位。由于厚板在定位焊时，定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，对材质造成损坏。所以在厚板定位焊时，需提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。这样能有效的消除钢材焊接时由骤冷至骤热引起的焊缝接头区冷裂纹现象，保证在寒冷地区厚板焊接的质量。
表4 定位焊缝尺寸
板厚（mm）定位焊缝长度（mm）间距（mm）
t≤2050～60300～400
20 t>4060～70300～400 太原南站施工现场存在许多超厚、超长板焊接现象，不可避免由于板厚过大、始端终端焊缝过长、面缝过宽等原因造成的焊接温差，对称作业的两名作业者由于焊接习惯、视力、运速、参数选择等不能绝对相同也可能导致温度差。要最大程度地消除这些差别，只有通过认真的焊后后热来完成。通过现场调查验证，决定使用两把烤枪对焊缝区域进行烘烤，于焊后立即进行，后热的加热范围为焊缝两侧各100mm，温度要求达到200～300℃，后热时间为1小时/每30mm板厚，焊缝后热达到规定温度后，按规定时间保温，然后使焊件缓慢冷却至常温，这一过程通过红外测温仪来测量控制。后热完成后须加盖至少2～4mm厚的石棉布，在钢柱接头焊接部位密封围护棚阻止空气流通，使其缓慢冷却，达到常温后，方可除去保温措施。 图5 电加热片加热 实施后有效的消除了骤冷骤热现象，冷裂纹现象得到明显改善。 4.4焊缝层间温度的控制 在厚板焊接过程中，现场调查发现因为厚板焊缝的坡口较大，单道焊缝无法填满截面内的坡口，摆宽道焊接造成母材对焊缝拘束应力大，焊缝强度相对较弱，引起了焊缝开裂或延迟裂纹的发生。所以决定严格实施多层多道焊，其有利的一面是：前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个“预热”的过程；后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个“后热处理”的过程，利于层间温度的控制。作业人员全过程地执行窄道焊、有规律地采用左、右向交替焊道。对最后一道焊缝，可在其焊缝上再施焊一条退火焊道。 表5 焊缝层间温度控制表 钢材材质接头最厚部件的板厚t（mm） 40 Q345100℃100～200℃ 焊接时，每个接头一次性焊完，作业人员随时利用红外测温仪观察层间温度，如发现低于规定的温度，立即采用加热烤枪对构件进行再加热，始终保持焊缝温度在规定的层间温度。次项控制有效地改善了焊接过程中应力分布状态及层间温度，保证了焊接质量。 4.5焊缝坡口附近及焊丝发生锈蚀，层间及焊跟清理不良的控制 焊接前如不对焊缝坡口附近锈蚀、油污等杂物清理干净，易造成焊接时焊口处于较强外应力状态从而引起焊接裂纹。需采取电动磨光机钢丝刷及砂布清理的方式。焊接前，作业人员用磨光机将焊缝坡口附近锈蚀出打磨光泽，对于小角度或磨光机无法打磨的地方用钢丝刷或砂布打磨处理，且打磨完成后腰立即进行焊接作业，确保焊口焊前光洁平整，严格控制焊前清理工作。现场焊丝实行专人保管，贮存在通风干燥的地方，禁止油污污染，采取垫高等防潮措施。焊丝实行专人发放的管理制度，严禁私自开箱取用，保管员须建立发放记录台帐。 5结语 1）通过本技术的实施冬季厚板一次焊接合格率由以前的88%提高到99.1%，大大减少了返修次数，不仅提高了工程质量，还节省了大量的人力、物力。焊接质量得到了有效的控制，且得到了各参建方的认可。 2）本技术在太原南站的成功应用不仅证明了该技术的可行性，同时也为太原南站的建设缩短了工期，用最短的时间、最低的成本完成了钢结构厚板焊接工作。 3）通过认真研究这一技术的施工特点、并对成本、经济效益进行分析比较，完成了钢结构的冬季厚板焊接工作。通过施工实践证明，这项技术具有良好的使用推广价值。 参考文献： [1]孔凡利，薛朋.焊接质量控制经验之谈.现代焊接，2006，（09）， 42. [2]何明.论钢结构施工中焊接质量控制.今日科苑，2008，（22）， 46. [3]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析.机械工业出版社，2010. [4]中华人民共和国建设部.建筑钢结构焊接技术规程.中国建筑工业出版社，2003.
