箱形柱梁制作工艺

中冶京唐建设有限公司

前   言

本工法是为焊接箱形柱梁制作编制的。

近几年来，随着我国经济建设的发展，高层钢结构建筑得到了广泛应用，其中箱形柱梁在高层钢结构中又占有很大比重，而轧制型钢中目前箱形规格尺寸还满足不了施工的需要，因此，焊接箱形柱梁大量运用在各种高层钢结构建筑中。箱形构件的制作过程比其它构件形式的制作复杂，质量要求高，特别是箱形隔板的焊接在制作中往往因施焊位置的制约而影响焊接质量和进度，本工法在制作中采用箱形隔板非熔嘴电渣焊新技术解决了这一难题，使得箱形柱梁制作工艺更加先进、合理。

本工法的编制依据是《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001，并结合了同类工程的施工经验以及我公司的施工能力、技术装备等情况。

1. 特点 

1.1箱形柱梁的主材采用大板拼接，数控切割。

1.2箱形柱梁的四条主焊缝组对时加衬条留间隙，采用埋弧自动焊焊接。

1.3箱形隔板焊接使用非熔嘴电渣焊技术，隔板电渣焊焊缝不须开坡口，从而提高工作效率和产品质量。

1.4隔板组对后经机械加工，保证隔板尺寸，使箱形组对截面尺寸更加精确，减小偏差。

1.5箱形柱梁两端进行端铣，保证截面的垂直度。

2. 适用范围

本工法适用于各种截面尺寸及板厚的箱形柱梁制作。

3. 工艺原理

本工艺的核心原理在于箱形柱梁的制作过程中采用了先进的箱形隔板电渣焊技术；多次组装、既焊接与组装交替进行及合理的焊接顺序，防止焊接变形；采用精密的设备进行端部加工，从而保证各工序的制作质量和技术要求，体现出工艺的合理性。

4. 工艺流程及操作要点

4.1工艺流程

4.2操作要点

4.2.1 钢材检验

1）如钢板有豆角弯，波浪弯等，必须矫正平直，且矫正后的钢材表面不应有明显的划痕。

2）当钢材表面有锈蚀，麻点或划痕等缺陷时，其深度不得大于该钢材厚度负偏差值1╱2，且不得大于0.5mm,否则不得使用。

4.2.2 划线号料：

1）箱型柱梁的上、下翼缘板和腹板相互之间的对接焊缝不能设置在同一截面上，应相互错开200mm以上，并与隔板、加劲板亦应错开200mm以上。

2）主材采用大板接料，接料坡口形式如图4.2.1所示：

                            图 4.2.1

3）主材号料时长度方向必须留焊接收缩量，每根柱或梁不少于50mm，宽度方向留切割余量。

4）钢板边缘去掉，毛边料必须去净毛边，剪切边去掉不少于10mm。

5）所有零件板必须做出样板进行号料，隔板应留加工余量。

6）样板的允许偏差见表4.2.2-1：

表4.2.2-1   样板的允许偏差

表4.2.2-2   号料的允许偏差

1）所有主材采用数控切割或半自动精密切割；板厚≤12mm的零件板采用剪板机剪切，其余零件板采用半自动切割；主材切割时应采取防弯曲措施，坡口加工采用半自动切割机并且应两侧对称切割，减小变形。

2）切割前，应将钢材表面切割区域内的铁锈、油污等清除干净，气割后应清除熔渣和飞溅物。

3）气割时应控制切割工艺参数，见表4.2.3-1。

表4.2.3-1自动、半自动工艺参照系数

5）对切割后的钢板进行校平。使之满足每米不平度≤2mm工艺要求。

6）切割允许偏差见表4.2.3-2：

表4.2.3-2   切割的允许偏差

1）接料时必须在经过测平的平台上进行，平台的水平差不大于3mm。

2）接料前将坡口两侧30～50mm范围内铁锈及污物等清除干净。

3）接料焊缝两端需加入引入板和引出板，其材质与板厚和坡口形式应与焊件相同，焊接完毕用气割切掉并修整平直，不得用锤击落。

4）选用与主材材质相匹配的接料点粘焊条，焊条直径为4mm。

5）接料要求焊透，必须采用碳弧气刨清根，Q345材质的钢板焊后经24小时后探伤，Q235材质的钢板焊后冷却到环境温度时探伤，合格后再进行下一道工序。

4.2.4组装

箱形构件的隔板组对在专用的胎具上进行，胎具水平差≤2mm；其它组装程序均在专用的平台上进行，平台水平差≤3mm。

1）隔板组对

箱形隔板的焊接可四条焊缝全采用电渣焊，也可只有二条焊缝采用电渣焊，另两条焊缝采用手工焊,本工法介绍的是两条焊缝采用电渣焊，因此隔板在组对时必须保证两条手工焊缝的6mm间隙，并加衬条，以保证焊透。电渣焊的垫板在组对前应把氧化皮磨掉，隔板的边缘也应打磨，以保证电渣焊时没有杂质；隔板组对时长度和宽度方向各加5 mm的加工余量，机加工精度：︱L3-L4︱＜0.5mm，L1⊥L2＜0.5mm，隔板坡口间隙偏差±0.5mm，如图4.2.4-1所示：

4.2.4-1

2）盖板与隔板组装

箱形构件的腹板和盖板在组装前应按工艺要求修直、修平；隔板组装时必须考虑箱形构件四条主缝的纵向焊接收缩量，因此组装隔板的间距位置应每米加0.7mm的焊接收缩量。隔板与盖板的组合焊缝为电渣焊焊缝，因此组装时结合处必须夹严，以防止在电渣焊时由于缝隙不严而跑渣；如图4.2.4-2。

     4.2.4-2

2）U型组装

箱形柱梁的组合焊缝为全熔透焊缝，为了保证四条主缝的焊接质量，上下两块腹板单铲25°，并加衬条预留6 mm缝隙，为使焊缝更好的熔合，盖板两边也应铲15°的坡口，如图4.2.4-3（a）所示；衬条内侧应打磨光滑，组装时先将腹板中心线画出，然后以中心线为准两侧组装衬条并点焊，并在每侧加1mm的焊接收缩量，腹板的衬条组装后必须保证在同一直线，组装成U型后，交电焊进行隔板两道手工焊缝的焊接；如图4.2.4-3（b）。

4.2.4-3

3）箱形组对

隔板的两条手工焊缝探伤合格后，对焊接变形进行校正，校正方法可采用千斤顶将隔板焊接变形处顶出或采用火焰校正。如箱形构件存在侧弯及扭曲时，也必须进行校正，然后方可进行箱形组对，组对时同样保证电渣焊另一侧与盖板结合处夹严。如图4.2.4-4：

4.2.4-4

箱形构件组装后进行隔板电渣焊，然后进行四条主缝的焊接。

4）修理矫正

构件因焊接发生变形可以采取加热和机械方法矫正。机械矫正时不得损坏母材材质。火焰矫正时加热温度按下表4.2.4-1。

表4.2.4-1  火焰矫正时加热温度

箱形构件修理矫正符合要求后，划出两端的端铣线和50mm检查线，将构件放在端铣平台上，调整铣切量和铣切线及端铣的平面度，进行端铣，端铣垂直度≤0.3mm，两端如有坡口则选用半自动切割机加工。

6）零件组装

零件组装包括柱牛腿、柱底版、柱梁连接板等所有零件板的组装，组装前检查所有零部件的尺寸及外观，合格后方能进行组装；组装时在平台上将箱形柱梁四个面的中心线分出，以中心线为基准画出构件的连接板及其它零部件的组装位置；划线误差小于0.5mm，然后组装所有零部件并焊接。

4.2.5焊接

1）焊接方法的选择：所有接料焊缝、箱形的四条主焊缝均采用埋弧自动焊；箱形隔板其中两条焊缝采用非熔嘴电渣焊，另两条手工焊缝采用CO2气体保护焊；其余焊缝采用CO2气体保护焊或手工电弧焊。

2）箱形构件焊接顺序

A. 在组对时首先对隔板的两条焊缝进行一次CO2气体保护焊焊接。

B. 对隔板剩下的二条焊缝进行非熔嘴电渣焊焊接。

C. 四条主焊缝焊接。

D．连接板及其它零件焊接。

3）焊前准备

A.焊前应进行技术和安全交底。

B.焊接设备检验：焊接前必须保证焊接设备处于良好的技术状态。

C.焊前清理：焊前在焊缝区域30～50mm范围内清除氧化铁皮、铁锈、水、油污、杂质、矿尘和其他污物，要求露出金属光泽；焊接区域的除锈一般应在组装前进行，构件组装后应注意保护，如重新锈蚀或附有水份、油污等杂物应重新清理。

D.焊接坡口检查：焊接前认真检查焊缝坡口形式及几何尺寸是否符合设计要求。

E.焊接工艺参数的选择：根据相应的焊接工艺评定确定工艺参数。

F.焊前预热：施焊环境温度不低于 0℃，当Q235钢板δ＞40mm、Q345钢板δ≥ 25mm 时，在焊接坡口两侧 100mm 范围内进行加热。

F.0.1预热温度:

表4.2.4-2   焊前预热温度表

F.0.2预热方法:采用电加热或火焰加热两种方式，

G.焊材保管：碱性低氢型焊条在使用前必须烘干，温度一般采用350～380℃，烘1.5～2小时；酸性焊条应经75～150℃烘干1～2小时；烘干后的焊条应放在电焊条保温筒内，随用随取；自动焊丝要求除锈，焊剂要求在150～350℃时烘干1～2小时。

4）隔板非熔嘴电渣焊

A.工序如下所示：

    检查焊口→确认焊机→上下、左右、前后调整导管→矫正焊丝→焊丝位置确认→打开冷却循环水→确认焊接条件→安装引出板→再次检查焊接条件和导管位置→开始焊接→焊接结束。

B.非熔嘴电渣焊的几点注意事项：

B.0.1钻孔时，应核对隔板位置，划线的偏移量≤1mm，根据不同隔板厚度选择不同钻头形式。

B.0.2焊前应仔细清理焊口。

B.0.3 焊接引弧板下度≥20mm，上度≥40mm。

B.0.4调整电压时：a、起弧为52-55V  b、加入焊剂后54V  c、正常焊接后50-51V d、接近表面约10mm时降为46V。

B.0.5电渣焊采用左右对称焊接，同一隔板的两侧电渣焊焊缝两台焊机同时焊接。

5）箱形主缝焊接顺序

焊接顺序如图4.2.4-4所示，先焊焊缝1和2，焊至坡口深度的1/3时停止焊接。翻身焊接另一面焊缝3和4焊至坡口1/2深度时，再翻身180°，焊接前一面，焊完后。翻身焊接另一面焊缝至完毕。待焊缝冷却24小时后，进行超声波检测。

图 4.2.4-4

6）焊接过程的要求

A焊接引熄弧

A.0.1始焊时引弧应在引弧板上进行，焊接过程再引弧应在焊缝坡口内，不允许在非焊接区的母材表面上引弧，以防将母材划伤。

A.0.2收弧时应将弧坑填满，避免收弧时出现弧坑裂纹。在焊缝未端收弧时应在熄弧板上进行。

B对接焊缝

B.0.1要求熔透的对接焊缝，在一面焊接结束，另一面焊接前应彻底清除焊根缺陷至露出焊缝金属光泽，方可进行焊接，但采用埋弧自动焊并能保证焊透的情况下，允许不进行清根。

B.0.2采用背面钢垫板的对接坡口焊缝，垫板与母材之间的接合必须紧密，应使焊接金属与垫板完全熔合。

B.0.3对接焊缝，除特别指定以外，应使焊缝余高最小，余高值不得超过3mm，并平滑过渡至母材表面。

C贴角焊接：

C.0.1贴角焊缝的两侧焊脚不得有明显差别，对不等角贴角焊缝要注意保证焊脚尺寸，并使焊趾处平滑过渡。

C.0.2贴角焊缝一般成弧形圆滑过渡。

C.0.3贴角焊缝在构件的端部转角处应有良好的包角焊。包角焊缝的高度应为1.2倍的焊脚尺寸，包角焊缝的起落弧点应距端部10mm 以上。

7）焊缝完工的清理

焊工焊接完工后，应清理焊缝表面的熔渣及两侧飞溅物，检查焊缝外观质量，对所有要求焊透的焊缝应在规定的位置打上焊工的钢印号。

4.2.6 修整：

修整包括对组装、焊接工程产生的焊接疤痕、锤击痕迹等缺陷进行修补、打磨。

4.2.7涂装及标识

    按照设计要求对构件除锈刷油。并对构件进行标识，标识内容按工艺要求。

5. 材料

5.1钢材：

箱形柱梁选用材质应符合设计要求，所用钢材必须有材质证明书或材料代用通知单，做到专料专用；对于板厚≥40mm的钢板应符合《厚度方向性能钢板》GB/T5313-1985中Z15级的规定；所有钢材必须按设计及规范要求进行复验。

5.2焊接材料

5.2.1 箱形柱梁所用焊接材料要符合设计图纸和焊接规范的要求，必须有质量证明书，其中焊丝、焊条其机械性能和化学成分应符合国家现行标准。

5.2.2箱形柱梁焊接材料选用见表5.2.1。

表5.2.1 焊接材料选用表

6. 机具设备

表6  主要设备清单表

7.1劳动组织

劳动力配备情况

7.2 人员要求

7.2.1钢结构制作人员应具备所在作业岗位的技能和必要知识,应能理解和实施施工技术交底中的相关内容和要求;

7.2.2 钢结构作业人员应接受与其操作相应的安全教育；电焊工、气焊工、电工等特殊工种应持有有效的《特殊工种作业人员操作证》。

7.2.3钢结构制作人员均应持上岗证上岗。

7.3安全

7.3.1操作者必须严格遵守各岗位的操作规程，以免损及自身和伤害他人，对危险源应作出相应的标志、信号、警戒等，以免作业人员遭受无意的损害。

7.3.2安全用电的规定：

1）各种用电机械必须有良好的接地或接零；对于手电钻、手砂轮（或磨光机）等手持电动工具，必须装有漏电保护装置。

2）所有电动机械的工具，必须采用一机一闸制，严禁一个开关控制多个插座。停止工作必须立即拉闸断电。

3）配电箱（盘）制作应牢固，绝缘性能好，尺寸合理，防水防潮性强；配电箱（盘）内要保持清洁，开关防护罩齐全，保险丝使用合适；多开关的箱（盘）应对各个开关注明用途标记，以防错用造成事故；严禁在配电箱内或盘上放置工具、材料等杂物。

7.3.3施工机具使用的安全规定：

1）各种机具使用前必须认真检查，严禁机械带病作业。

2）各种机具必须按使用说明书或操作规程进行使用和保养，对有人机固定要求的机具，必须专人开机，非岗人员不得操作。各种机具严禁超负荷作业。

7.3.4钢构件的移动和翻身，只能听从一人指挥，不得两人并列指挥或多人参与指挥。起重物移动时，不得有人在本区域内滞留、停立和通过。

7.3.5组装大型构件，连接必须牢固、垫稳。

7.3.6所有构件的堆放、搁置应十分稳固，欠稳定的构件应设支撑或固结定位。

7.3.7索具、吊具要定时检查，不得超过额定荷载。焊接构件时不得留存起、吊索具。被碰损或磨损的钢绳，要按规定进行检定，超过规定的要进行更换。

7.3.8钢结构生产过程的每一道工序中使用的乙炔、氧气、电源必须有安全防护措施，定期检测泄漏和接地现象。

7.3.9所有制作场地的安全通道必须畅通。

7.3.10无论在车间，还是在室外现场操作，材料、工具和其它物品都要有秩序地安放，生产作业周围要有足够的空地，并保持整洁。

7.3.11吊装构件或材料时，必须正确把握好构件的重心，散装的扎紧捆好，现场工人不得站在吊运构件的下面，以免发生意外事故。

7.3.12各类油漆和其它易燃、有毒材料，应存放在专门的库房内，不得与其它材料混放。现场使用的油料，应存放于专用库房，并配必要的灭火器材。

8. 质量要求

8.1箱形柱梁制作质量允许偏差见表8.1

表8.1   箱形柱梁制作质量允许偏差

8.2焊接质量标准及技术要求

8.2.1翼缘板及腹板接料焊缝为一级质量标准，100%超声波检查。

8.2.2箱型构件四条主缝要求焊透，二级质量标准。 

8.2.3其余焊缝外观检查应符合二级质量标准。

8.2.4设计有特殊要求时，焊接质量标准相应按设计要求执行。

8.2.5焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。且一级焊缝不得有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。

8.2.6焊缝外观检查见表8.2.6： 

表8.2.6   焊缝外观尺寸允许偏差

8.3制作质量执行标准

《碳素结构钢》     GB700---88

《低合金结构钢》   GB1591---94

《钢结构工程施工质量验收规范》： GB50205---2001

《建筑钢结构焊接技术规程》：   JGJ81---2002

《热轧钢板和钢带的尺寸、外形和允许偏差》：    GB707—88

《优质碳素结构钢热轧厚钢板和宽钢带》：        GB707---88

《碳钢焊条》：               GB/5117---1995

《低合金钢焊条》：           GB/T5118—1995

《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》： GB/T5293—1999

《低合金钢埋弧焊用焊剂》：   GB/T12470---1990

《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》GB/T985—1988

《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》：   GB/T986---1988

《焊接材料质量管理规程》： JB/T3223---1996

《钢结构焊缝外形尺寸》：   JB/T7949---1999。

《碳钢、低合金钢焊接构件  焊后热处理方法》： JB/T6046---1992

《电渣焊通用技术条件》：  JB/T6967---1993

《气体保护焊用碳钢、低合金结构钢焊丝》：GB/T8110---1995

《碳钢药芯焊丝》：        GB/T10045—2003

《低合金钢药芯焊丝》：      GB/T17493—1988

《焊缝磁粉检验方法和缺陷磁痕的分级》     JB/T6061

《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB/T11345-19

9. 效益分析

箱形柱梁由于其刚性大、自重轻、强度高等优点，在钢结构建筑中被广泛应用。通过LG大厦工程中箱形柱梁的制作，我们进一步认识到箱形柱梁在钢结构建筑中所占的地位及应用范围。改进箱形柱梁生产能力及技术装备水平，提高箱形柱梁的制作质量对巩固钢结构建筑市场至关重要。

利用箱形隔板电渣焊焊接，能提高焊缝质量，加快施工进度，降低工人的劳动强度，提高工作效率，可获得可观的经济效益。以北京乐喜金星(LG)大厦工程中箱形隔板采用电渣焊焊接20mm厚钢板为例进行分析：

焊接20mm厚，长600mm隔板时，所需时间电渣焊为22分钟，埋弧自动焊为33分钟，CO2焊为41分钟，手工电弧焊为98分钟。可见，电渣焊焊接速度是埋弧自动焊的1.5倍，是CO2气体保护焊的1.8倍，是手工电弧焊的4.5倍。这样，高层钢结构箱形隔板电渣焊比普通自动焊可节约电费8.1万元，节约桥式吊车费7.2万元，节约材料费约5万元，合计共节约20.3万元。

此套技术具有一定的先进性、创造性，为今后类似工程的施工提供了科学依据及技术储备，并赢得了市场，非常值得推广。

10. 应用实例

工 程 之 一

工程名称：北京乐喜金星（LG）大厦工程

设计单位：韩国创造建筑设计事务所与北京市建筑设计研究院

工程地点：北京市朝阳区

工    期：2003.4.11～2004.4.30

工 程 量：约为16000吨

工程之二

工程名称：开元花园结构工程施工

建设地点：石家庄市中山东路南育才街西

工    期：2004.12～2005.9

工 程 量：约为7000吨

工程之三

工程名称：中国石油大厦

工程地点：北京东二环路东直门

工    期：2005.7.17～2006.2.7

工 程 量：约为22155吨

我公司箱形柱梁的制作技术，通过北京乐喜金星（LG）大厦工程、经过技术人员的共同努力，已经形成了一套先进合理的施工技术；以后又相继运用在石家庄开元花园工程、中国石油大厦等工程，均以产品制作优良而获得了用户的好评。