铸钢节点因其具有良好的加工性能、复杂多样的建筑造型等性能,目标在一些大跨度空间管桁架钢结构中开始逐步推广使用,特别是在处理复杂的交汇节点上,铸钢节点有着得天独厚的上风,然而,由于铸钢一般碳当量较高,杂质尤其是S、P含量难以控制,同时铸态组织晶粒粗大,铸钢节点导致铸钢的焊接性较差,对焊接工艺的要求很高,主要是减少残余应力,防止焊接裂纹的产生。
目前铸钢节点已在一些钢结构工程中成功使用,如广州会展中心巨型桁架铸钢支座,国家运动场(鸟巢)桁架柱铸钢节点,特别是天津经济技术开发区雕塑,创造了铸钢件焊接的板厚之zui,该雕塑是为天津开发区建区20周年纪念而建造的标志性建筑,是天津开发区2004年重点工程之一。设计采用双螺旋线构成的直纹曲面板,主体标高50米,雕塑主体分为7段在现场进行拼装,铸钢材质采用GS-20Mn5N(DIN7182),板厚由下至上逐渐变薄,zui厚150毫米,zui薄20毫米,厚度变化处渐变处理,总用钢量达350吨,该工程在铸钢特种结构的设计、安装及焊接方面形成了一整套技术新工艺,填补了国内超厚板铸钢结构的空缺,标志着我国在钢结构铸钢节点的焊接上达到了一个新的水平。
6、 低温焊接技术
目前,建筑钢结构的冬季施工越来越普遍,由于焊接作业环境对钢结构的焊接质量影响很大,冬季负温焊接技术对焊接质量的控制尤为重要。《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)规定:焊接作业区环境温度低于0摄氏度时,应根据钢材、焊材制定适当的措施;而日本建筑学会《钢结构工程》(JASS6)规定的zui低施焊温度为零下5摄氏度。
(1)环境温度对焊接造成的影响有以下几点:
①焊接接头冷却速度增加,冷裂纹敏感性也增加;
②预热效果变差,在低温环境下用相同的热源,相同的时间,不能达到应有的预热效果;
③焊接残余应力的作用加剧;
④环境温度对焊工的操纵带来不利的影响。
(2)低温焊接措施}
①优选焊材:在低温环境中,应尽量选择低氢或超低氢焊材,对焊材严格执行烘焙和保温措施; ②焊前防护:在焊接作业区域搭防护棚,使焊接区域形成相对封闭的空间,减少热量的损失,若无条件搭设防护棚,应该采取其他有效措施对焊接区域进行防护;气体保护焊时,焊接气瓶也应采取相应措施进行保温;
③预热与层间温度: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即是二倍钢板厚度且不小于100毫米范围内的母材,焊接层间温度不低于预热温度或标准(JGJ81-2002)规定的zui低温度20℃(两者取高值);
④加大定位焊时的热输进:适当加大定位焊的热输进,增大焊缝截面和长度,并采用与正式焊接相同的预热条件,不在坡口以外的母材上打弧,铸钢节点熄弧时弧坑一定要填满,可以有效减少由于定位焊接引起的收缩裂纹;
⑤采用公道的焊接工艺:尽量使用窄摆幅,多层多道焊,严格控制层间温度;
⑥焊接后热及保温:焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理,可以有效控制t8/5,利于扩散氢气的逸出,防止由于冷速过快而引起的冷裂纹,同时适当的后热温度,还可以适当降低预热温度。
总之,钢结构低温焊接施工前,一定要根据实际情况做好焊接工艺评定试验,必要时还要针对具体钢种进行低温焊接性试验,作出适合的焊接工艺指导书以指导实际焊接。在低温环境下,对焊工操纵的不良影响也应给予足够重视,一般环境温度不宜低于-15℃。
近年来,低温焊接技术在国内尤其是北方建筑钢结构中得到广泛应用,从普通低碳钢(Q235)到低合金高强钢(如Q345,Q420)都有应用,铸钢节点也积累了相当丰富的经验,极大丰富了我国钢结构的焊接技术。
7、 组合楼板栓钉穿透焊技术
高层建筑钢结构组合楼板的大量使用,使区别于普通栓钉焊的栓钉穿透焊技术得到了长足的发展,所谓穿透焊,就是焊接时通过电弧燃烧使栓钉穿透压型钢板焊于钢梁表面上,此时焊接栓钉起着两个作用,一是水平抗剪切,阻止组合楼板在钢梁上的水平位移;二是垂直抗掀起,阻止组合楼板脱离钢梁表面。
因此在钢结构特别是高层、超高层钢结构的抗震破坏中起着非常重要的作用。其焊接质量的好坏是关乎整个钢结构施工质量的关键之一。由于栓钉穿透焊焊接受到很多因素影响,包括压型板镀锌层、板厚、与钢梁表面之间的间隙以及水、锈、渣、油漆等,而且在施工现场,各种因素互相交织又不确定,因此,要获得良好的焊接质量,对焊接的工艺及施工要求很高,铸钢节点中冶团体建筑研究总院通过大量试验研究,并在实际施工现场收集了国内外数种栓钉焊机的上万个焊接参数,通过波型分析和实际焊接质量的对比分析,*次将栓钉穿透焊焊接过程分为四个阶段:起弧阶段、电弧不稳定燃烧阶段、电弧稳定燃烧阶段、熄弧顶锻阶段。并以此为基础提出了能量控制法,该方法在各大工程中已成功使用,如北京LG大厦,工程采用的闭口型镀铝锌压型板,镀层高达280克/平方米,板厚达1.5毫米,栓钉直径19毫米,使用能量控制法指导施工,一次合格率达95%以上,取得了良好的效果。
8 、采用陶瓷衬垫的焊接技术
陶瓷衬垫强制成型单面焊,施焊方便,背面成型良好,焊接质量稳定、可靠,在一些领域的焊接生产中已逐步取代钢制衬垫。在双面焊中采用陶瓷衬垫,由于可使用较大的根部间隙和较强的焊接规范,背面无须清根,不仅大大进步了生产效率,而且焊缝根部质量也轻易得到保证。铸钢节点由于陶瓷衬垫对坡口根部间隙不敏感,衬垫长度可任意接长、剪短,尤其适合于现场安装焊缝,因此近年来,在一些钢结构工程尤其是桥梁工程有所应用,由于在焊接时,衬垫也参与了焊缝熔敷金属的冶金反应,对根部焊缝熔敷金属化学成分及力学性能会产生一定的影响,尤其是对根部冲击韧性的影响,鉴于目前尚无相应的标准进行界定,因此在实际应用中应给予足够的重视。
9、 钢结构埋设件压力埋弧焊技术
随着大跨度钢结构公共建筑的快速增加,其钢结构柱子埋设件(钢筋)应用越来越多,因而,钢结构埋设件压力埋弧焊技术在工程实践中不断得到应用。其关键技术措施是:
①选定性能稳定安全适用的焊机或改造螺柱焊机;
②认真进行焊接工艺评定试验,根据钢筋直径选择相应的焊接工艺参数;
③根据焊接接头与母材等强的原则,选用性能良好交直流两用的焊剂。