重庆西永综保区监管大楼焊接接头残余应力控制方案.docx
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重庆西永综保区监管大楼焊接接头残余应力控制方案
重庆西永综保区监管大楼工程钢结构复杂节点
焊接残余应力控制专项施工方案
重庆建工钢结构有限公司
2012年5月
目录
1.1焊接残余应力产生的原因3
1.2焊接残余应力对结构的影响3
1.2.1对静载强度的影响3
1.2.2对受压杆件稳定性的影响3
1.2.3对应力腐蚀裂纹的影响3
1.3本工程焊接结构分析3
1.3.1母材3
1.3.2结构特点3
1.4消除（减小）焊接残余应力的方法4
1.4.1消除（减小）焊接残余应力的原理4
1.4.2消除（减小）焊接残余应力的方法4
1.4.2.1、制定合理的焊接工艺4
（1）焊接方法的选定4
（2）坡口形式（详见《焊接工艺评定》及《节点工艺流程》）4
（3）焊接顺序（详见《节点工艺流程》）5
（4）焊前预热14
（5）道间温度的控制14
（6）焊后热处理14
（7）设置引入引出板14
（8）焊接过程中的矫正14
1.4.2.2、锤击法16
1.4.2.3、自然时效16
重庆西永综保区监管大楼工程钢结构具有钢板厚度大,焊接接头多，焊缝集中,节点构造复杂的特点。
因而焊接拘束大，焊接过程中容易造成残余应力集中。
焊接残余应力在某种程度上会影响节点结构的承载力和服役寿命，所以为保证焊接质量，消除（减小）焊接残余应力对结构承载力和使用寿命的影响，特编制本方案。
1.1焊接残余应力产生的原因
1、膨胀受制：
焊接加热过程中近缝区内因其受热膨时，刚性拘束阻止其膨胀从而产生焊接残余应力。
2、收缩受制：
焊缝区金属冷却收缩时，刚性拘束阻止其收缩从而产生焊接残余应力。
1.2焊接残余应力对结构的影响
1.2.1对静载强度的影响
焊接残余应力达到材料的抗拉强度时，局部首先发生开裂，最后导致钢结构整体破坏，因此，焊接残余应力的存在会明显降低脆性材料钢结构的静载强度。
1.2.2对受压杆件稳定性的影响
残余压应力和外载引起的压应力叠加之和达到材料的屈服点时，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，削弱了有效截面积。
这种压力的存在，使杆件的稳定明显下降，使局部或整体失稳，产生变形。
焊接残余应力对杆件稳定性的影响大小，与内应力的分布有关。
1.2.3对应力腐蚀裂纹的影响
腐蚀裂纹是指金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生延迟开裂的现象。
残余应力的大小对腐蚀速度有很大影响。
当焊接残余应力与外载产生的拉应力叠加后的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就越高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。
1.3本工程焊接结构分析
1.3.1母材
本工程桁架母材材质为Q345GJB，主要板厚34mm。
焊接厚度大。
1.3.2结构特点
1、整体结构复杂，各向刚性约束大。
GZ节点连接核心筒及相邻XG节点、腹杆、水平支撑，XG节点连接相邻GZ节点及腹杆、水平支撑，各向均为刚性约束，焊接残余应力大。
2、隔板多、隔板间距小，最小间距仅为500mm（含板厚）、隔板焊缝质量等级高（多为全熔透焊缝）。
箱型隔板目前只能采用电渣焊，焊接热输入量大，又因有刚性约束，固焊接残余应力大。
3、节点焊缝多。
焊缝多，导致焊接总体热输入量大。
1.4消除（减小）焊接残余应力的方法
1.4.1消除（减小）焊接残余应力的原理
通过对焊接残余应力产生的原因分析可知——近缝区、焊缝区受制出现拉伸应变（包括弹性和塑性拉伸应变），因此消除残余应力的原理即为产生拉伸塑性应变，实质就是将拉伸弹性应变转变为拉伸塑性应变的过程。
1.4.2消除（减小）焊接残余应力的方法
通过对消除焊接残余应的原理的理解，想要消除（减小）焊接残余应力，焊接前应该通过选择合理的焊接方法、坡口设计、焊接顺序规划、焊前预热等控制残余应力；焊接过程中，严格控制道间温度；焊后，采取热处理、焊道捶击、时效振动、自然实效等方法来消除参与应力。
1.4.2.1、制定合理的焊接工艺
（1）焊接方法的选定
为了保证焊缝层间稳定保持在一个最不易产生裂纹的温度区域。
焊接方法选用焊速高、熔深大、焊接质量易得到保障的方法——CO2气体保护焊
CO2气保护焊规范参数：
焊丝直径mm
焊接位置
电流（A）
电压（V）
气体流量（L/min）
Φ1.2
（实心焊丝）
平位
220±20
30±2
15～25
立位
130±20
22±2
15～25
仰位
160±20
26±2
15～25
（2）坡口形式（详见《焊接工艺评定》及《节点工艺流程》）
由于本工程中厚板（34mm）焊接工程量大、难度高，设计合理的坡口形式对控制焊接残余应力有重要意义：
坡口小，易形成窄而深的形式，焊缝成形系数偏小，影响一次结晶，容易产生区域偏析，在拘束力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生，并且坡口小，不利于焊枪操作，易导致未焊透现象发生；坡口大，焊接的热输入量大，焊缝的焊接残余应力也大大增加。
经过实验（焊接工艺评定）得出，坡口角度30~35°；间隙6~10mm。
防层状撕裂坡口设计：
p=0~2
b=0，p=0~2
（3）焊接顺序（详见《节点工艺流程》）
焊接顺序遵循从内到外、先焊收缩量较大的、后焊收缩量较小的、从上到下、先单独后整体、分解拘束应力的总体方针。
①、GZ节点
总体思路：
分部焊接制造，最后整体组装
分部焊接制造
将GZ节点分为桁架箱型接头1个、上段十字形柱接头1个、下段十字形柱接头1个、立面H型钢支撑接头1个、立面箱型支撑接头1个、平面H型钢接头2个，先分部组装焊接，再进行组合焊接。
A、桁架箱型接头焊接顺序
a、H型钢（主焊缝）焊接
箱型梁-H型钢
b、全熔透横隔板焊接（先焊竖向焊缝，后焊横向焊缝。
竖向焊缝：
先焊7与3之间的焊缝，后焊5与3之间的焊缝；横向焊缝：
从中间向两边对称施焊）
箱型梁-全熔透横隔板
c、部分熔透横隔板焊接（先竖后横，对称施焊）
图5.3.1箱型梁-部分熔透隔板
d、焊接箱型梁侧板（焊接侧板时，先焊竖向焊缝，再焊纵向焊缝）
e、电渣焊焊接箱型梁隔板立焊缝（对称施焊）
B、上、下段十字形柱接头焊接顺序
a、十字形柱接头-T型钢焊接
十字形柱接头
b、组合焊接十字形柱（先焊腹板焊缝，后焊四条主焊缝，主焊缝对称施焊）
十字形柱接头
C、立面箱型支撑接头焊接顺序（先焊2与4之间焊缝，再焊4与1、3之间焊缝，最后焊2与1、3之间焊缝）
立面箱型支撑接头
D、立面H型钢支撑接头、水平H型钢支撑接头焊接顺序（先焊3与1、2之间焊缝，再焊3与4之间焊缝）
整体组装顺序
a、下段十字形柱接头与桁架箱型接头（对称施焊）
b、上段十字形柱接头与桁架箱型接头（对称施焊）
c、立面箱型支撑接头与H型钢支撑接头（先焊中性轴左边的焊缝，左边焊缝少，如下图）
d、拼装水平H型钢支撑接头（对称施焊）
②、XG节点（中间桁架）
a、横隔板（全熔透焊接）的U型焊接（先焊3与盖板1、2之间竖向焊缝，由中间向两边施焊）
b、横隔板与侧板4、6之间的电渣焊（由中间向两边对称施焊）
c、盖板1、2与侧板4、6之间的主焊缝焊接（左右同时施焊）
d、立面支撑焊接顺序（按下图点焊组装好后，由内到外，左右两边同时施焊）
立面支撑H型钢翼缘板及筋板立面支撑H型钢翼缘板及筋板
e、立面支撑翼缘板焊接顺序（由中间向两边对称施焊，最后焊接翼缘板与侧板8、9、11、12之间的主焊缝，同时注意对称施焊）
f、水平H型钢支撑接头一焊接顺序（点焊组拼好后，先焊23与24之间焊缝，后焊22与24之间焊缝）
g、水平H型钢支撑接头一焊接至节点顺序（点焊固定后，先焊竖向焊缝，再焊横向焊缝，横向焊缝按从上到下的顺序焊接）
h、立面H型钢支撑接头二翼缘板及筋板焊接顺序（先将立面H型钢支撑接头二焊接成一个单元之后，再与节点焊接。
与节点焊接时，先焊竖向焊缝，再焊横向焊缝，横向焊缝按从上到下的顺序焊接）
i、水平H型钢支撑接头二翼缘板及筋板焊接顺序（先将立面H型钢支撑接头二焊接成一个单元之后，再与节点焊接。
四个水平H型钢支撑接头二与节点焊接时，用四个操作水平相近的焊工同时对称施焊，先焊竖向焊缝，再焊横向焊缝，横向焊缝按从上到下的顺序焊接）
③、XG节点（边桁架）
XG节点（边桁架）焊接顺序总体思路与XG节点（中间桁架）一致，不再赘述。
（4）焊前预热
预热能够减缓焊后冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的溢出，同时也减少焊缝及热影响区的脆硬程度，提高焊接接头抗裂性。
均匀地预热可以减少焊缝区域与母材的温度梯度，降低了焊接残余应力。
预热可以降低结构的拘束度，减少残余应力。
焊前预热及道间温度表
材质
焊接方法
板厚（mm）
预热温度（℃）
道间温度（℃）
Q345BGJ
手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊（包括定位焊）
≤30
不预热
5~200
＞30
80~120
80~175
备注：
1.上述板厚以组合中较厚板为准。
2.预热方法：
采用火焰预热。
3.加热范围：
焊缝及两侧80~100mm范围内，测温点距离焊缝中心50~80mm。
（5）道间温度的控制
见上表。
方法：
点温计测温，测温点距离焊缝中心50~80mm。
（6）焊后热处理
原理：
焊后热处理是利用金属屈服点的降低和保温过程中应力松驰，使弹性应变转变为塑性应变的，从而消除焊接残余应力。
方法：
用履带式加热器和火焰加热对焊缝及焊缝周边母材进行加热保温，保温时间t=板厚/25（小时）。
焊后热处理曲线见下页。
（7）设置引入引出板
焊前加装引弧熄弧板，有意识地延长焊工在进入正式焊缝前的调整和适应时间，有意识地迫使焊工将收弧段更有效地引出焊缝区。
引入引出板的使用，还极有效地延缓了接头温度散失的时间。
（8）焊接过程中的矫正
焊接过程中，严格控制焊接电流，从而控制热输入量，并且每焊完一道焊缝即对工件进行矫正，从过程控制焊接变形，从而减小焊接残余应力。
卡片编号
热处理工艺卡片
产品代号
零件号
零件名称
总工序号
工序名称
共张
GZ\XG节点
热处理
1
零件图
回火曲线
材料
硬度
上工序名称
下工序名称
Q345BGJ
焊接
焊接
技术要求
1.由于构件外形尺寸较大，采用整体+局部回火的方式；
2.需要回火的部位：
所有34mm厚钢板的连接焊缝
3.在加热区域放置热电偶，热电偶总数不少于4只；以升温速度最慢的热电偶达到去应力温度下限开始计算保温时间。
4.升温速度不超过升温速度55℃/h。
5.开始加热时，加热区域温度在200℃以下。
6.达到保温时间后，缓慢冷却至300℃，最后空冷至室温。
7.前道工序（焊接）所加之工艺拉筋等临时支撑进炉前不可拆除，待工件热处理之后方可拆除。
分工序号
分工序或工步
名称
设备
数量
装料
工艺规范
冷却
备注
工件数量
一个工具所装
的数量/件数
保温温度/℃
加热
保温
合计
介质
温度/℃
时间/min
1
去应力回火
履带式加热器
1
1
400~500
10
80
90
1.4.2.2、锤击法
锤击消除应力是用锤击使残余拉应力区产生拉伸塑性应变，从而消除焊接残余应力。
方法：
焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使其金属得到延展变形，以降低焊接残余应力。
工艺要点：
锤击时，掌握好打击力量，保持匀速、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。
另外，焊后要及时锤击，除打底层外，其余每焊完一道都要进行锤击。
1.4.2.3、自然时效
构件自然搁置也是消除残余应力的一种有效方法，自然时效利用环境温度的季节性变化和时间效应使残余应力释放，构件搁置时间越长（即时效周期），残余应力得到释放越多，从而也起到消残作用。
自然时效一般长达6~12个月左右，时间周期较长，不利于工程整体进度。
为节约工期，拟将各节点自然搁置2个月左右，然后进行无损探伤，探伤合格后方能发送现场。
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