一种特厚板单V型角接全熔透坡口的设计及焊接指导

于杰牛国福张汀

摘要：工程上，一般将4.5mm<t≤25的钢板称为中板，25<t≤100mm的钢板为厚板，t>100mm的特厚板，t为钢板厚度。深圳龙岗天安数码大厦的的厚板种类、角度、结构形式较多，其中Y形树杈节点的钢柱的特厚板（结构深度150mm）的焊接，是本工程的焊接难点和重点，也是整个塔楼的荷载传力的的关键点，其焊接质量关系到整个结构的安全。树杈节点的结构特征为：90mm厚的箱型牛腿与90mm厚的插板形成为37°的结构设计角度，要求现场地面立焊。针对本工程的Y型柱的树杈节点特征，其接头形式不能采用常规规范的角度坡口的施工方案，必须预先通过焊接的坡口设计，结合现场作业环境的实际模拟，拟定焊接作业的指导思想和原则，从而进行坡口的试验评定，才能保证此坡口的熔透焊的质量。

关键词：节点构造分析；坡口设计；焊接方法选择；焊接作业评定；减小焊接应力措施

1、背景

深圳龙岗天安数码新城5号厂房为200.25m高42层的超高写字楼，结构体系为交叉斜撑外框-核心筒结构，外框地下负一层构件采用Y型结构的箱型截面柱。Y型结构的负一层钢柱承受整个地上塔楼的竖向传力荷载，因此Y型结构柱的制造质量对整个结构体系的安全至关重要。

2、Y型结构的箱型截面柱的树杈节点特征

Y型的箱型截面柱位于负一层外框部位，柱四周设置H形钢梁牛腿，柱顶设置分叉箱型牛腿。箱型柱主体的截面规格为口1100*650*40，分叉箱型的牛腿截面规格为1100*650*90，上部两侧牛腿通过90mm厚的插板连接，牛腿与主顶为四面焊接。

3、Y形结构的箱型截面柱的树杈节点制造难点

3.1树杈节点的待焊钢板较厚，板厚为90mm，但由于上部牛腿和插板为倾斜锐角连接，故而实际形成的斜向板厚度为150mm，超厚板焊接难度较大。

3.2上部牛腿的箱体壁板与插板形成的结构角度为37度，即实际待焊部位可等效为焊接规范的相贯焊缝ABC三区中的根部C区焊缝，且设计要求焊缝为全熔透焊缝，故而小角度结构的焊接难度较大。

3.3锐角全熔透结构焊缝，因施焊条件有限，操作困难，焊缝深度较大，焊缝填充量较大，故而焊接应力交大，变形较大，如何保证最小的焊缝填充量、防止厚板层状撕裂、焊接作业环境的改善措施、以及变形应力的控制等，是本工程的制造难点，也是控制要点。

4、Y型结构的箱型截面柱的树杈节点的关键坡口设计及焊接方法的选择

4.1为了防止插板焊接层状撕裂，采用插板和牛腿壁板均开坡口的措施；

4.2为了减小焊接应力的产生，即减小焊缝填充量，采用小角度坡口、增大衬垫全熔透焊的间隙措施。

4.3为了提高现场作业焊的效率，结合二氧化碳气体保护焊和手工电条焊效率的比较，以及用时用工的人力成本，选用效率较高的二氧化碳气体保护焊的焊接方法。

4.4为了减小牛腿外壁的倾斜边的堆缝宽度，尽可能的减小牛腿壁板一侧的坡口角度，根据实际模拟情况，可做到牛腿壁板坡口面与插板竖向面平行的极限最小角度。牛腿壁板的竖向极限坡口和插板厚度居中坡口形成的坡口实际等效为规范的单V型坡口。

4.5为了更准确的掌握坡口设计尺寸，在电脑上采用CAD焊枪模拟实验法。为了减小焊缝填充量，同时又能满足坡口根部的最难焊接位置的焊接要求，选用2.0cm直径的小枪嘴的气保焊枪，焊枪干伸长度设定为20mm，进行坡口根部的两侧拐角部位的焊枪状态的电脑模拟。

本案例的实际模拟结果为：根部衬垫焊接间隙为26mm，坡口深度为150mm，牛腿壁板为竖直极限坡口（即牛腿壁板下料坡口为53°），为防止插板的层状撕裂，其厚度居中留根5mm钝边，并开设16°角度坡口（注：留根5mm钝边，以便装配划线定位放样，同时由于气保焊能够熔渗母材2~3mm，插板双侧坡口焊，故而5mm钝边不会造成厚板的层状撕裂现象）。最终理论上的焊缝成型坡口为16°，焊缝外口的成型直线宽度为77mm。根据模拟状态坡口和尺寸，初步判定设计坡口具有可焊性，同时满足最优坡口的理论要求。

5、树杈节点的焊接评定作业

5.1根据上述设计的坡口，对树杈节点的牛腿壁板、插板进行评定实验，证实焊枪模拟的坡口设计的合理性，以便后续类似非常规坡口的采用焊枪模拟法的推广和使用，从而避免了对每个节点设计评定实验。

5.2评定试板的制作和评定试样的装配。毛坯下料试板，评定的插板试样规格为PL90*400*300，评定的牛腿试板规格为PL90*400*420，采用铣边机铣出坡口。评定试验采用插板的单侧坡口（即仅做一侧的等效实验），评定试验坡口装配图。

5.3焊接器具：CV-500型的二氧化碳气体保护焊的焊机，2.0cm直径的小枪嘴焊枪，2.5cm直径的大枪嘴焊枪，预热用的烘抢，红外线测温枪，清渣凿子，焊接防护罩。

5.4焊接作业：

a.按评定试验图装配好实物体，试样背面采用钢板进行刚性固定，以减小焊接过程中的收缩变形。

b.采用烘抢对焊接试板进行预热，预热的加热区域应在焊缝坡口两侧，宽度应为各焊件厚度的1.5倍以上，且不小于100mm。并在试板烘烤背面用红外线测温枪测定预热的温度，Q390材质的90mm厚钢板的预热温度不得小于120℃。

c.调整焊枪干伸长度，选用2.0cm直径的小嘴焊枪，焊丝深入到根部两个拐角处进行实物焊枪预模拟，判定坡口根部是否均能满足施焊空间。先将焊枪嘴对中至坡口根部最深的一处拐角，根据焊接工艺指导流程卡进行正式焊接，每层每道焊接完成时，需及时清除干净焊缝表面的焊渣。焊接过程中，注意层间温度应控制120~230℃范围内。

d.待坡口根部底层焊道堆至坡口熔池宽度b>3.5cm，即满足3.0cm直径的大枪嘴焊枪时，可改用大枪嘴焊枪，以便利用大直径的枪嘴的焊枪更优的气体保护特性，提高焊缝的焊接质量。按照焊接工艺流程卡，进行多层多道焊。每道焊缝的焊渣清理完毕后，及时观察焊缝表面是否有缺陷，并根据缺陷情况随时修补，以防止已经发现的过程缺陷留置完工状态，导致增加最终返工难度和工作量。

e.焊接工艺流程卡

药芯焊丝牌号YCJ501-1，型号E501T-1.

6、质量检测及分析

6.1试板焊接完成后，清理干净其表面的焊渣，对焊缝进行超声波无损检测，并复测表面外坡口的焊缝成型宽度尺寸，判定焊缝收缩情况，以便为构件的配尺寸提供参考。本实验评定结果为：焊缝的无损检测结果为合格，焊缝最外口实际成型的焊缝宽度收窄1cm，厚板焊接未出现层状撕裂现象。

6.2分析：设计的坡口施焊、焊缝无损检测结果合格、无层状撕裂等检测结果，说明设计的坡口合理；焊缝成型坡口的焊缝宽度收窄，说明焊接变形需加强控制，除了试板焊接坡口的背面需要刚性固定、最小填熔敷金属填充量的坡口设计外，还应考虑反变形设置、变形之后进行火焰矫正等措施。

同时，结合具体构件的待焊部位分布情况，变形控制应采用全局把控的措施。本评定的插板节点部位采用单侧坡口焊接的实验，故而正式构件施焊时，需考虑结构对称焊，即分叉牛腿两侧采用双人对称同步调焊接，如图10的A1、A2位置处，而插板位置处的空间有限，则采用一人操作对插板两侧对称轮流焊，如图10的B位置处，（禁止插板一侧完全焊满后，再焊插板另一侧的施工方法）。最终通过施焊顺序减小分叉牛腿的角度变形，至于牛腿的长度焊接收缩减短，可借用与之相对应的上节相邻斜柱的直对接焊缝的间隙尺寸，进行安装调整，最终保证整个工程的装配、焊接质量。Y型结构的箱型截面柱的三维模型图。

结论

本文的坡口设计和实验方法具有很强的可操作性和推广性，为工程的特厚板的非常规构造坡口提供了一种方法，以及具体实施的方法指导和思想。

参考文献

[1]《钢结构质量验收规范》……………………GB50205-2001

[2]《钢结构工程施工规范》……………………GB50755-2012

[3]《钢结构设计规范》…………………………GB50017-2003

[4]《钢结构质量焊接规范》……………………GB50661-2011

[5]《深圳龙岗天安数码大厦的图纸总说明》