摘 要：CO2气体保护焊是钢结构工程的最常用的焊接方法之一，焊接质量的优劣是工程结构安全与否的基础。通过对大直径、厚壁铸钢和锻钢焊接难点的剖析，从预热温度、层间温度、后热温度及工艺试验多方面论证了工艺的可行性，制定了周密的焊接工艺措施，并成功应用于深圳大运中心主体育场工程，可为类似厚板钢结构工程焊接提供借鉴。
关键词：预热温度；层间温度；气体保护焊；深圳大运中心 引言
随着我国大型钢结构建筑的兴建，铸钢件越来越多地应用于以钢结构为主体的建筑工程中，锻钢件也在大型场馆建筑中得以应用。深圳大运中心主体育场钢结构主体中采用了大直径厚壁锻管，这是目前国内建筑工程中第一次使用，因铸钢件、锻钢件制造工艺不同，环焊缝处于应力集中区，且焊接区的拘束度大，现场施工作业条件差，焊后易出现焊接裂纹，故大直径厚壁铸钢管、锻管的现场焊接难度较大。
1 铸钢件锻件概况及难点分析
1.1 本工程主体育场有20组铸钢节点和锻管焊接，壁厚达200mm，锻管重16.2t-28.2t，节点重70.8t-95.5t。
1.2 构件验收严格按设计及深化图纸技术要求进行，不符合质量验收标准的构件不准进场。根据锻管长度设置好锻管下部的支垫高度，使焊口位置距操作架平台1.3米高，以有利于焊工工作，并进行垂直度校正。吊装相应的铸钢节点就位，拼接、校正并固定，经验收合格后交于焊接工段进行焊接。铸钢节点与下部锻管组合焊接（示意图1）应在每个单元安装位置就近进行，并应在对应吊车的起吊性能范围。肩谷组合节点最重为123.7t，采用750t履带吊进行吊装时应在以吊车的回转中心、半径48m范围内组合焊接。
图2焊接坡口和尺寸示意图 图3 焊接顺序
1.3 铸钢节点和锻管材质
铸钢管节点和锻管的材质牌号为GS-20Mn5N，选用德国标准DIN17182，具體熔炼分析化学成份见表1（单位为%）。当碳当量在Ceq=0.4%～0.6%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差。
直径1400mm，200mm厚壁铸钢GS -20Mn5N，交货状态为正火钢，其机械性能要求的机械性能为：屈服强度大于240MPa，极限抗拉强度为450-600MPa，延伸率≥20%，冲击功≥34J。GS -20Mn5N锻钢交货状态为调质钢，其技术要求屈服强度不低于310 MPa，极限抗拉强度490-650MPa， 延伸率≥20%，冲击功≥34J。
1.4 锻钢和铸钢焊接的难点
正火钢焊接热输入的确定主要依据是防止过热区脆化和焊接裂纹两个方面，一般要求热输入量较小。调质钢焊接不宜采用大直径的焊条或焊丝，应尽量采用多层多道焊工艺，最好采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。这样既可以使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，又能减少焊接变形。
2 预热温度和后热温度的保证
本工程所采用的铸造管、锻管壁厚达200mm，为保证焊接质量，避免出现焊接裂纹，焊接时必须进行预热及控制层间温度。
2.1 拘束度分析
如图1所示，节点自重较大，焊接时焊缝沿锻管纵向的焊接收缩拘束度较大。铸管锻管壁厚达200mm，其自身沿径向（直径方向）和环向（圆周方向）有较大的焊接收缩拘束度。经综合分析，铸钢管柱的焊接拘束度定为高级。
2.2 确定预热温度的方法
预热可以减小焊件与焊缝的温度梯度，降低焊接接头的冷却速度，减少温度差所造成的应力和淬硬组织，预热是防止冷裂纹有效措施之一。要求预热的工件，其层间温度不能低于预热温度，层间温度的最大值参照AWSD 1.1：2000（美国钢结构焊接规范2000版）附录XI选取的预热温度与层间温度，按化学成分计算裂纹敏感成份参数Pcm及敏感度指数Pw， CO2气体保护焊接含氢量低，为H1级，敏感成份参数和敏感度见表2。壁厚75mm以上的厚板不同拘束度下的最低预热温度和层间温度见表3。
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+V/10+5B=0.347
Pw=12Pcm+lgH=4.86 （取H=5）
故敏感度指数为E级。
表2 H1级含氢量敏感成份和敏感度
表3 大于75mm厚板的最低预热温度和层间温度（℃）
查表3得最低预热温度和层间温度为160℃，由此确定预热温度为160℃-170℃，层间温度不低于预热温度，不高于200℃。
3 确定坡口、焊接材料、工艺参数
经综合分析确定铸钢管、锻管口形式选用V型坡口，坡口形式及尺寸见图2，坡口向外开，由铸造厂加工。焊接材料和工艺参数的选用见表4。
表4 焊接材料及工艺参数的选用
4 焊接工艺评定
（1）因深圳大运中心工程大直径厚壁锻管目前国内建筑工程中首次采用，为确保焊接质量，获得适合本工程的各种焊接参数组合，按要求必须进行焊接工艺评定试验。
（2） 试验根据所选坡口形式、预热与后热温度及焊接工艺参数，组合后焊件尺寸采用800mm×500mm×200mm，严格按焊接工艺要求进行。
（3） 试件经力学性能试验检验，各项性能指标及宏观金相检验均合格，说明所选焊接工艺规范合理，各种组合条件满足施焊要求。
（4）焊接工艺评定试验的顺利通过，为最终确定铸锻件焊接施工工艺方案提供了依据。
5 焊接工艺要求
5.1 对于安装焊接这一关系到整体安装质量的特殊工序，在正式施焊前4-8小时提前进行防护。基本要求：上部稍透风、但不渗漏；中部宽松，能抵抗强风的倾覆，不致使大股冷空气透入；下部承载力足够3名以上作业人员同时进行相关作业，需稳定、无晃动，不因甲的作业给乙的正在作业造成干扰；可以存放必需的作业器具和预备材料且不给作业造成障碍，无可造成器具材料失控坠落的缝隙，中部及下部防护采用阻燃材料遮蔽。在整个焊接过程中，要有专人跟踪未来3天的天气情况，如可能有下雨的天气应提前做好防雨的措施，保证整个焊缝的焊接能够连续完成。
5.2 焊前清理。GS20Mn5钢具有淬硬倾向，因此在焊接前对钢的热切割面用角向磨光机进行打磨处理，打磨厚度2 mm，至露出原始金属光泽。同时对坡口加工造成的钝边、凹槽进行打磨处理，要求不留钝边和避免坡口面留有加工凹槽。
5.3 坡口形状控制。要求在加工及安装过程中严格执行深化图纸要求，坡口角度35°，间隙10mm。焊前进行坡口形状检查，项目为错边、间隙、焊缝原始宽度三项。
5.4 预热、层间温度及后热温度控制。GS20Mn5钢在150 ℃～200 ℃冷裂纹敏感性小。焊接前，用履带式电加热器对焊缝处进行预热，预热范围为焊缝两侧各150mm，预热温度至160～170℃后， 恒温1小时，层间温度不低于预热温度，不高于200℃。焊接完毕后，立即进行后热处理，后热温度250 ℃～300 ℃，后热时间3-4h后热完成，用岩棉包裹保温缓冷至环境温度。
5.5 测温方法。测温采用红外测温仪，测温点设置在焊缝原始边缘两侧各100 -150 mm处。使用红外测温仪时，需注意测温仪需垂直于测温表面，距离应不大于200mm。层间温度测温点应在焊道起点，距离焊道熄弧端300 mm以上。后热温度测温点应在焊道表面。当焊缝焊接温度低于要求時，立即加热到规定要求之后在进行焊接。当焊缝焊接温度高于要求时，缓冷到规定要求之后进行焊接。
5.6 使用高纯度的二氧化碳气体，其纯度应保证：CO2含量≥99.9%，水蒸气与乙醇总含量（V/V）不得高于0.005%，并不得检出液态水。实芯焊丝开盘后应连续用完避免受潮。
5.7 焊接顺序。把圆周分成三等份（如图3），预热温度达到后，由三名有两个以上工程厚板焊接经验的焊工保持同时、同速、对称施焊，并选择相同的焊接电流参数及每层的焊接厚度，保证相同的焊接热输入，使收缩趋于同步。
6 结束语
因准备充分，焊接过程控制严格，焊缝外观质量良好。焊接缓冷至环境温度24h后，经100%超声波检测和100%磁粉探伤，焊缝的内部质量均一次性达到一级焊缝标准，获得了十分理想的结果。通过对深圳大运中心主体育场大直径铸管锻管的焊接实践，丰富了现场异种钢材厚板焊接技术。
参考文献
[1]李久林，高树栋，邱德隆.厚钢板热加工及焊接方法[Z].中国：100493825C，2009.
[2]张汉谦.钢熔焊接头金属学[M].北京：机械工业出版社，2000.