技术论文
法兰克福机场工程制造工艺
2016-09-12

法兰克福机场工程制造工艺

浙江杭萧钢构股份有限公司 舒旭春 申文志

       摘要  针对法兰克福机场项目所使用的特殊材料、异型构件及专项要求,通过对焊接构件的材料分析、截面结构分析等,拟定了控制焊接裂纹、焊接变形等一系列措施,并在制作过程中进行比较试验及改进,最后形成了一套完整可行的控制特殊材料及异型构件焊接裂纹、焊接变形的工艺,使构件质量达到验收规范的要求。

       关键词  厚板  特殊材料  裂纹  异型构件 工艺

       前言

       公司承接的法兰克福机场项目,其材料特殊、造型独特、结构复杂,其主体结构为异型--亚型柱梁+桁架空间结构,其中大截面异型焊接结构占工程总量的80%以上,主体结构的材料为欧洲标准材料S355K2、S355N、S460M,壁厚为20~120mm,以60~80 mm的板厚为主,最大单体重量58.48吨,构件大部份是结构复杂的厚板空间异型结构,材料有很高的冲击韧性要求,构件的焊接裂纹倾向很大,单件制造完成后需进行预拼装保证空间安装尺寸,针对这一困难,我们进行了详细的工艺设计,进行严格的工艺评定试验,并在生产过程中,实行全方位的焊接监督管理机制,对出现异常情况进行跟踪调整,最后摸索形成了一套完整可行的控制特殊材料厚板异型构件焊接裂纹及焊接变形的工艺,实现了对特殊材料厚板异型构件的质量控制的目标。

       1. 材料分析

       本工程所用材料全部为欧洲标准特殊材料,材料生产厂家需通过欧洲CE认证并打上CE标识,具体特殊材料牌号为S355K2、,S355K2+N、 S355K2+N+Z15、S355K2+N+Z35、S355N、S460M等,材料全部按EN10025标准进行制造,并按EN10204标准3.1 条款进行验收,特殊材料钢板按德国标准DIN18800-7标准要求严格控制C、Si、Mn、P、S、Lu、N、Gr、Mo、Cu、Ni、Ti 等十四种元素,严格控制碳当量Cev,≥30mm的所有特殊材料钢板需按德国标准进行焊接弯曲试验合格后方可投入使用,所用焊接材料需全部符合相关的欧洲标准。

       钢板壁厚范围为20~120mm,以60~80 mm的板厚为主,≥60mm的钢板约占60%。

       本工程所用钢板有很高的冲击韧性要求,具体要求见下表:

 

       本项目特殊材料钢板主要有以下特点:

       1) 钢板的碳当量Cev=0.40~0.46,相对较高;

       2) 所用钢板有很高的冲击韧性要求,同时焊缝的冲击韧性不应低于母材;

       3) 所用钢板以≥60mm的厚板为主,厚板带来的高的拘束度对材料的抗裂性是一个严峻的考验;

       4) 所用钢板为低合金高强钢,国内钢厂虽按欧洲标准生产,但对此高等级特殊材料钢板大多是第一次生产,钢厂经验不足导致材料的不均匀性将会给后续的制造带来较大的难度。

       2. 结构分析

       本项目主体为异型--亚型柱梁+桁架空间结构,其异型构件结构特点为:

       1)亚型柱梁构件大而厚,构件截面外形尺寸大多大于500mm,最大板厚120mm,且以全焊透结构为主,焊缝的焊接裂纹倾向非常大;

       2)部份异型构件扁平,翼板与腹板的宽度比最大为3.5:1,翼板与腹板厚度比为1: 1.5,且焊缝在腹板上,造成焊接填充量大,焊接变形量大,如图1;

图1   扁平件

       3)部份异型构件的长宽比达到了60:1构件长而细,同时由于腹板很厚,造成焊接填充量大,极易变形,如图2;

图2   细长件

       4)部份异型构件为H型叠焊结构,其中腹板的叠焊焊缝总厚度达到了760mm,翼板与腹板的宽度比最大为4.35:1,翼板与腹板厚度比为1: 9.5,单侧焊接造成的应力集中,导致焊缝及热影响区的裂纹倾向非常大;

       5)部份异型构件桁架由于弦杆与主杆焊接角度非常小,仅29度,板厚达到80mm,拘束度非常大,导致小角度拐角焊难度非常大,焊缝熔合线及热影响区的裂纹倾向非常大;

       3.制造工艺及试验

       根据以上材料及结构特点及分析,我们拟定了以下工艺,以控制焊接质量。

       3.1焊接工艺方法

       3.1.1采用富氩混合气体保护焊;

       3.1.2为了保证异型构件较小的焊接变形,规则构件全熔透焊缝采用富氩混合气体保护焊打底并过渡+埋弧自动焊过渡并盖面的组合工艺;不规则构件全熔透焊缝采用富氩混合气体保护焊打底并过渡盖面的组合工艺。

       3.1.3小角度异型构件桁架拐角焊缝采用低氢特殊焊条手弧焊工艺,以防止出现焊接裂纹;

       3.2焊接材料

       3.2.1气保焊焊接材料选用G424MG3S1;

       3.2.2埋弧自动焊焊接材料选用S42 4 AB S3;

       3.2.3手弧焊焊接材料选用低氢特殊焊条;

       3.3异型构件全焊透焊接坡口试验确认

       由于60mm以上的钢板所占比重很大,所以选择坡口的时候一是要尽可能减小坡口,减少焊缝的填充量,减少焊接应力和变形以及提高效率;二要考虑焊枪能够在根部有足够的摆动空间以保证根部焊缝的良好焊接条件;图3为对不同坡口角度(30°,35°,45°)和不同间隙(5mm,6mm,7mm)组合的实验的试样图。

       经综合比较,异型构件全焊透焊接坡口最终选择了图4所示的坡口。

图3 坡口实验

图4  构件坡口图

       3.4工艺评定试验

       根据以上材料、结构特点、分析及试验,对各种异型--亚型柱梁+桁架空间结构,我们拟定了以下一揽子工艺评定方案:

       3.4.1对亚型柱梁采用严格控制焊接工艺+反变形+部份刚性固定工艺;

       3.4.2对扁平件采用反变形+局部工装固定工艺;

       3.4.3对细长件采用跳焊工艺;如图2

       3.4.4对叠焊结构件采用反变形+局部工装固定+分次热处理工艺;

       3.4.5小角度异型构件桁架拐角焊缝采用低氢特殊焊条手弧焊工艺,以防止出现焊接裂纹;

       以上工艺,皆制订工艺评定方案,焊前严格控制预热温度及层间温度,焊后保温等措施,并制取1:1试件或模拟试件进行试验,合格后用于生产。并在实物上监督实施,在实施过程中按情况进行适当调整。

       4.试验结果

       4.1 二支60/80mm亚型柱构件焊接后,焊缝经100%超声波探伤及磁粉探伤,未发现不合格缺陷;

       4.2 一支扁平构件焊接后,焊缝经100%超声波探伤及磁粉探伤,未发现不合格缺陷;焊接变形经适量矫正后,控制在标准范围内;

       4.3 一支长细构件焊接后,焊缝经100%超声波探伤及磁粉探伤,未发现不合格缺陷;焊接变形经适量矫正后,控制在标准范围内;

       4.4 一支叠焊构件焊接后,焊缝经100%超声波探伤及磁粉探伤,未发现不合格缺陷;但三块板叠焊后,出现起拱1~2mm;

       4.5 一支小角度桁架构件拐角焊缝,经100%磁粉探伤后,发现部份焊缝出现焊接裂纹;

       5.工艺改进

       对上述4.4及4.5类型构件,根据异型构件焊接变形及焊接裂纹情况,我们对焊接变形及焊接裂纹的原因进行了仔细分析:

       叠焊构件的起拱原因是:构件的宽度比太大,且焊缝为单侧焊缝,第一块板焊后,构件刚性较差且焊接应力未消除,加上辅助刚性固定强度不够,焊第二及第三块板后,引起的收缩变形所致。

       小角度异型构件桁架拐角焊缝焊接裂纹的发生原因是:板厚厚引起的构件的拘束度非常大,加上弦杆与主杆焊接角度非常小,加上焊接位置为横角焊且焊工的准备不足,是造成焊接裂纹的主要原因。

       并按以下方案进行了调整:

       1)对叠焊构件对第一块板焊后马上进行一次热处理,消除焊接应力,并在原来的基础上增加刚性固定措施。

       2)对小角度桁架构件拐角焊缝,手弧焊焊接材料改选用超低氢特殊焊条,并对焊工进行专项培训,焊前焊接模拟试件合格后,方可进行产品焊接,焊接位置调整为平焊位置。

       后续构件按上述要进行控制后,其焊接变形及焊接裂纹均得到了有效控制。

       6.结论

       1)对S355K2等特殊材料的厚板异型焊接结构件,选择合理的焊接工艺是控制其焊接裂纹及焊接变形的关键;

       2)对厚板异型焊接结构件来说,合适的坡口既减少焊缝的填充量,又减少焊接应力和变形,并能保证焊缝的质量及提高生产效率;

       3)对S355K2等特殊材料的厚板异型焊接结构件,当采取合适的工艺及附加工艺措施后,其焊接裂纹及焊接变形可得到有效的控制。

 

 


2010年3月20日