1. 工程概况
新乡忆通壹世界6#楼项目是钢结构商住建筑,位于新乡市平原路与牧野大道交叉口西南角,与牧野湖一路之隔。本单体地下三层,地上二十六层,其中地下三层和地下一层为储藏室,地下二层为非机动车停车库,建筑物大屋面高度为75.35 m,主体结构采用钢框架–延性墙板结构体系,楼盖采用钢–混凝土组合楼盖。建筑效果见图1所示。
本项目地上结构包括裙房,一层局部为商业网点,一层至二十六层均为住宅,主要由箱形柱、箱形梁、H形钢梁、箱形斜撑、X节点、Y节点等组成,材质主要为Q420C,板厚为30 mm左右。主要节点形式见图2所示:
1) X节点:长2.0 m,高1.0 m,最大重量3.2 t,最大板厚达30 mm,板件多,焊缝密集,端部尺寸精度要求高。
2) Y节点:长1.8 m,高1.1 m,重量达2.1 t,最大板厚达30 mm,节点位置封闭成日字形箱体,焊缝密集,端部尺寸精度要求高。
3) 米字形节点梁:长3.1 m,高1.2 m,重量达2.5 t,最大板厚达30 mm,牛腿端部相对尺寸精度要求高,焊接量大,尺寸精度控制难度较高。
(a) X形节点
(b) y形节点
(c) 米字形节点
Figure 2. Node form diagram
图2. 节点形式示意
2. 工程焊接方法分析
本工程焊接质量要求高,焊缝质量等级I级,钢板厚度大(最厚达32 mm),且构件截面较小(最大口300 mm × 200 mm),施焊空间狭小,焊接难度大,焊接量大,焊接变形大。由于节点位置焊缝纵横交错,大量十字形、丁字形焊接接头纵横交错,因此如何保证焊接质量、控制焊接变形需要结合工地施工选用合适的焊接方法。
依据设计图纸中的节点布置情况和《钢结构焊接规范》GB50661-2011的规定 [1],需要对主要接头形式进行焊接工艺改进并进行试验,确保接头的性能满足要求:
3. 焊接工艺
从该工程中选择四种对接接头形式,加以改进并进行焊接试验和工艺评定(箱型中的隐蔽焊缝需要其它焊接方法):
A. 接头形式
1) 同材质等厚度对接接头形式,钢材用Q420C + Q420C,厚度25 mm,采用埋弧自动焊接,其坡口形式见图3所示:
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x11_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 3. Butt groove form of submerged arc welding
图3. 埋弧焊对接坡口形式
2) 异种钢材拼接(Q420C + Q355B),厚度25 mm,采用埋弧自动焊接,其坡口形式见图4所示:
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x12_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 4. Dissimilar butt groove of submerged arc welding
图4. 埋弧焊异种对接坡口形式
3) 同种钢板对接(Q420C + Q420C):选用CO2焊半自动焊接,其坡口形式见图5所示:
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x13_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 5. Groove form of CO2 welding semi-automatic butt welding
图5. CO2焊半自动对接焊接坡口形式
4) 同种钢材带衬板对接组合焊接方法(选用埋弧焊 + CO2焊),其坡口形式见图6所示:
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x14_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 6. Butt groove form of composite welding
图6. 组合焊对接坡口形式
B. 焊材选择
考虑到Q420C低合金高强度结构钢的抗拉强度 [3]、冲击韧性的要求,选择埋弧焊用焊丝为H10Mn2,直径为φ4.0 mm,焊剂为SJ101;二保焊用焊丝为ER55-G,直径为φ1.2 mm;点固用焊条为E5015 (J507),直径为φ3.2 mm。
1) 母材的焊接性分析
钢材的焊接性主要取决于它的化学成分,随着钢材强度级别的提高,钢中的合金元素含量越来越多,成分也越来越复杂,因此对焊接性的影响也更加复杂。Q420C化学成分和力学性能见表1和表2。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Chemical composition of Q420C steel (mass fraction) (%)
表1. Q420C钢的化学成分(质量分数) (%)
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Mechanical properties of Q420C steel
表2. Q420C钢力学性能
Q420C钢的冷裂纹敏感性:
碳当量 [4] Cev (%) = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15 = 0.42%。Q430C钢属于III类钢,焊接性较难,所以选择好焊接材料、焊接工艺和控制好线能量是焊缝性能的关键。
2) 焊剂的选择
焊剂的碱度对韧性能具有一定的影响作用,金属中氧化物是降低冲击韧性的主要夹杂物,降低焊缝中氧含量可以提高其韧性,而焊缝的含氧量与焊剂的碱度有紧密关系,焊剂的碱度越大,焊缝中的氧含量越低,冲击韧性就越高。因此,酸性焊剂不适宜用于高强度钢的焊接中。豫林SJ101是氟碱性烧结焊剂,碱度约为1.8左右,呈灰色圆形粒状,粒度为10~60目(约2.0~0.28 mm),具有大热输入焊接,冶金效果好、焊缝和热影响区强度高、塑性和韧性配合的优点,豫林焊材公司SJ101成分见表3。熔敷金属力学性能见表4。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Basicity and chemical composition of SJ101 flux (%)
表3. SJ101焊剂碱度及化学成分(%)
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Table 4. Mechanical properties of metal deposited with SJ101 flux and wire H10Mn2
表4. SJ101焊剂配合焊丝H10Mn2熔敷金属力学性能
3) 埋弧焊丝的选择
埋弧焊丝的选择既要考虑焊丝成分的影响,也要考虑母材成分的影响。为满足所要求的焊缝熔敷金属成分和力学性能,故选用山东聚力JL-H10Mn2焊丝。H10Mn2焊丝化学成分及性能见表5。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. H10Mn2 welding wire chemical composition mass fraction (%)
表5. H10Mn2焊丝化学成分质量分数(%)
4) 二保焊丝的选择
CO2焊丝的选择主要是考虑焊丝成分和焊接工艺性,选用大西洋公司ER55-G,直径φ1.2 mm,焊丝化学成分及力学性能见表6。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 6. CO2 wire snow composition (mass fraction) and mechanical properties
表6. CO2焊丝幻雪成分((质量分数)及力学性能
4. 焊接工艺参数
1) 同材质等厚度埋弧焊对接:
焊接工艺参数不同,焊接热量输入也就不同,会导致焊接热循环发生变化,从而影响到焊缝金属组织和力学性能。25 mm厚Q420C钢板,焊丝牌号H10Mn2 + SJ101,焊丝直径为φ4.0 mm,及焊接道次见图7所示,采用双面埋弧焊,背面碳弧气刨清根,焊前不预热,焊后不热处理。焊接工艺参数见表7所示。
2) 同种钢板对接(Q420C + Q420C):CO2焊半自动焊接,其焊接道次见图8所示,焊接工艺参数见表8所示。
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x15_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 7. Layout and sequence of weld layer and pass
图7. 焊层、焊道布置及顺序
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 7. Process parameters of submerged arc welding
表7. 埋弧焊工艺参数
![](//html.hanspub.org/file/4-2751306x16_hanspub.png?20211227082007761)
Figure 8. Weld pass layout and welding sequence
图8. 焊道布置及焊接顺序示意
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 8. CO2 welding process parameters
表8. CO2焊工艺参数
5. 实验结果
1) 射线(RT)检验
试件焊好后,清理干净焊道表面焊渣及毛刺,经目视检测,表面无可见缺陷后,经48 h冷却后进行100%RT检测,检测标准按《金属熔化焊焊接接头射线照相》GB/T3323,合格级别II级。
2) 力学性能检验 [5]
力学性能检验按国家标准的规定取样,接头拉伸试样分层取2个,侧弯试样4个,进行力学性能试验、焊缝区和热影响区冲击试样各3个,力学性能试验结果见表9所示。
从试验数据可以看出,选用焊接工艺参数,对于焊接性较难的Q420C钢板,即便不预热和后热处理,焊接接头的力学性能能够满足设计要求,焊缝和热影响区的冲击吸收能量高于规范规定值。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 9. Mechanical properties of welded joints
表9. 焊接接头力学性能
6. 结束语
通过焊接工艺试验和焊接工艺评定,选用的自动埋弧焊方法,采用H10Mn2焊丝配合SJ101焊剂;选用CO2气体保护焊,采用ER55-G焊丝,使用合适的焊接设备和焊接工艺参数能够满足Q420C低合金高强度钢性能要求,用于工程的制作中,取得了理想的效果,具备一定的推广和借鉴价值。