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国家体育场钢结构埋设件压力埋弧焊新工艺的开发与应用

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    孙炼彬 芦广平 李海斌
    （北京城建精工钢结构工程有限公司）
    摘要：在埋设件钢筋T型接头的焊接方法中，通常采用压力埋弧焊技术，目前没有专用的压力埋弧焊机，用螺柱焊机取代压力埋弧焊接设备，是我们工作的基本思路。实践中我们对螺柱焊机进行了改造，同时对焊接工艺进行了研究和开发，并且成功的把此项技术应用于国家体育场的结构埋设件制作上，保证了焊接质量和工期。
    关键词：结构埋设件 焊机改造 焊接工艺 金相分析 工艺参数


    1．工程简介
    国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了"鸟巢"的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上。在主桁架柱之间有不规则分布的次结构柱，主桁架柱与次结构柱下部埋设件共有568个,焊接接头约有12000个，由于工作量大，焊接环境狭小，出于保证焊接质量和工期的要求，设计院规定：柱子埋设件在钢筋与地脚板和钢锚板之间采用压力埋弧焊焊接，实现钢筋全截面焊接。为达到设计要求，在保证质量的前提下加速工程进展，决定改造螺柱焊机，并研究开发一种新的焊接工艺。
    1.1 钢结构埋设件图如下所示：

    1.2 钢板材料全部为Q345B，钢筋为HRB400级钢筋。

    2．焊机改造
    由于普通钢筋没有铝制引弧结并且瓷套保护套只适用于较小直径（≤12mm）栓钉，所以不能直接用于钢筋的焊接，同时也不满足设计要求。为此做了以下改造。


    3．焊接工艺评定
    根据JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的有关规定对本次工艺评定作如下设计：
    3.1 焊接工序设计
    　　钢筋下料→钢筋端口打磨及倒角→钢板定位→焊机电压及电流的调整→钢筋上枪→调整钢筋伸出长度→调整提升高度→中心对正→焊剂填充→焊接→空冷→焊渣清除→力学实验（与母材等强为合格）
    3.2 焊接工艺参数的选择
    　　（1） 焊接材料的选用
    由于是Q345B钢板与HRB400的钢筋对焊，要求焊缝的抗裂良好，同时考虑到焊接接头应与母材等强的原则，选用碱性焊剂CHF101。
    CHF101是氟碱型烧结焊剂，碱度约1.8，呈球形颗粒，粒度10-60目，具有优良的焊接工艺性能，电弧燃烧稳定，焊缝具有成型美观，脱渣容易，焊缝具有较高的低温冲击韧性，可交流直流两用。
    (2)焊接方法：
    本焊接工艺参数主要为：电流、通电时间、钢筋伸出长度及提升高度。根据钢筋的直径不同以及被焊钢材表面状况选定不同的工艺参数。焊机进线为钢芯不得小于25?2,长度小于100m，长度大于100m应用35?2，φ20的钢筋选用以下焊接工艺参数。

    焊后平均缩短约9.4mm。

    焊接过程结束，维持4秒以上时间等待焊缝成型后方可打开焊剂盒，将T型螺纹钉的锚板移出焊枪夹持部位后方可打开焊剂盒，移开焊枪，回收焊剂（清理焊渣）待下次重复使用。整个焊接过程约2分钟。
    4．拉伸实验


    根据拉伸实验结果可知完全符合设计规范要求，达到与母材等强。
    5．焊缝宏观金相、金相组织分析
    为了近一步证实我们试验的可靠性，进行了宏观和微观金相。

    5.1 宏观金相：
    采取与焊接方向垂直的截面为试验面，将该试面冷加工磨削后，再手工精磨抛光，用硝酸水溶液腐蚀，经过观察焊缝与钢板之间无缺陷。

    5.2 微观金相组织：
    （1）焊缝区:大多为粒状贝氏体和针状铁铁素体交叉混合分布，还有部分方向性分布的粒状贝氏体和少量侧板贝氏体，所有的粒状贝氏体中的岛状相和侧板条贝氏体多数已分解。

    （2）钢筋侧热影响区
    精晶区：晶内多数为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布，还有一些自晶界向晶内生长分布的粒状贝氏体和侧板条贝氏体。粒状贝氏体中的岛状相和侧板条贝氏体大多都已分解。

    细晶区：组织没有根本变化，只是晶粒明显小于粗晶区。
    不完全重结晶区：铁素体、珠光体及少量保留有方向性粒状贝体和侧板条贝氏体的形貌组织，粒贝和侧板条贝氏体形貌的组织基本全部分解。
    （3）钢板侧热影响区
    粗晶区：晶内多数为方向性分布的粒状贝氏体和侧板条贝氏体，还有一些粒状贝氏体、针状铁素体交叉混合分布的组织；粒贝中的岛状相部分已分解。

    细晶区：晶粒明显细化，组织为铁素体、珠光体和仍保持方向分布的粒状贝氏体，粒贝中岛状相已全部分解。
    不完全重结晶区：多数为铁素体和珠光体组织呈带状分布，还残留有方向性粒状贝氏体形貌的组织，其中岛状相全部分解。
    6．工程应用：
    根据试验的结果，我们对焊接工艺进行了总结。

    国家体育场有500多个埋设件1万多接头全部按此焊接工艺进行指导焊接，施工过程中对T型接头进行抽检40多件，全部试验合格。目前国家体育场钢结构柱已经全部安装完毕，每根柱重量达700多吨，没有发生因埋设件焊接质量而引起柱子安装变形。
    7．结束语
    国家体育场埋设件压力埋弧焊速度快质量好说明了我们改造后的焊机和工艺是可靠的，经过本工程的验证，此焊接工艺能够保证T型焊的焊接质量而且工艺简单易操作，焊接速度快，适宜推广应用。后续工程大量埋设件将采用这项技术，建议生产厂家根据这次设备改造的经验生产出定型产品，以此来进一步推广应用钢结构埋设件压力埋弧焊新工艺。
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