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摘要：随着国际标准化程度越来越高，海外电站钢结构从设计、材料、制造、安装、焊接等各环节多应用欧洲及美国等国际标准。本文以巴基斯坦某联合循环电站余热锅炉钢架焊接为例，从标准分析、工艺制定、质量控制等方面进行研究、验证，形成了一套基于AWS D1.1标准的钢结构焊接工艺，具有一定的现实指导意义。
关键词：AWS D1.1；钢结构；焊接工艺；质量控制
1 引言
巴基斯坦某二拖一燃气联合循环电站，配套设计两台GE生产的卧式、三压，9H燃机余热锅炉。锅炉前后6组12根立柱与横梁（H型钢）间设计以焊接形式连接，采用TC-U4b形式的坡口全熔透焊缝。上、下横梁翼缘板与立柱间各12个焊接接头，两台锅炉共48个接头。本文介绍了一套基于AWS D1.1标准的钢结构焊接工艺。
2 AWS D1.1标准分析
AWS D1.1《钢结构焊接规范》是由美国焊接协会AWS制定并由美国国家标准协会ANSI批准的常用碳素钢和低合金结构钢的任何类型结构的焊接标准，是钢结构焊接的旗舰标准，引导了超过130个标准及规则、实践介绍、指南或设计说明书等。
在《钢结构焊接规范》中，“WPS的免除评定”是规范中的重要组成部分，也是不同于其他类似标准的特殊内容。通常，承包商应根据焊接钢结构的具体情况进行焊接工艺评定，在评定试验合格的基础上编写焊接工艺规程（WPS）。编写者认为很多情况都已具有成熟的经验，已由“承包商或他人”经过彻底地试验，焊缝经长期使用证实其性能良好。因而，只要在工程的焊接过程中遵循规范的规定，就不必再进行评定试验，即可以免除评定。
3 焊接工艺制定
3.1 焊接方法
受上横梁焊接需高空作业、横梁下翼缘板焊接空间狭窄等因素影响，选用操作灵活、适应性强的焊条电弧焊进行焊接，同时满足规范AWS D1.1中免除评定对焊接方法的限制。
3.2 坡口制备
横梁翼缘板与立柱间焊缝接头，图纸设计坡口形式为TC-U4b，属于规范AWS D1.1中可免除评定的全熔透焊缝其中的一种坡口形式。“TC”代表T形或角接接头，“U”代表母材厚度无限制，“4”代表单面单边坡口。
还说明了焊条电弧焊根部间隙R=（0-1/8）英寸、钝边厚度f=（0-1/8）inch、坡口角度α=45°、装配公差范围、焊接位置及背面清根等细节要求。
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图1 免除评定的全熔透焊缝坡口形式细节
由此，现场坡口需按照规范要求进行制备，保持根部间隙和钝边厚度0-3mm，坡口角度45°，并严格控制装配公差在允许的范围之内。
3.3 焊材选用
立柱与横梁设计材料为ASTM A572 Gr.50，是规范AWS D1.1中免除评定WPS所批准的钢材种类，组别II。根据填充金属与母材等强度匹配原则，第II组别碳钢钢结构采用焊条电弧焊焊接时，可选用E7015、E7016、E7018等型号的焊条。
3.4 预热和层间温度
按照规范AWS D1.1“免除评定的最低预热和层间温度”的规定，最低预热和层间温度应根据钢材种类、焊接方法、焊条类别、母材厚度的不同进行选取。
横梁翼缘板有30mm、40mm和60mm等三个厚度等级，因此30mm翼缘板与立柱焊接时保持预热和层间温度不低于10℃，40mm和60mm翼缘板与立柱焊接时保持预热和层间温度不低于65℃。
3.5 焊接工艺参数
焊接过程采用焊条电弧焊的焊接方法，焊条直径、焊接电流、打底焊道厚度、填充焊道厚度等工艺参数需满足规范AWS D1.1表中“免除评定的WPS”对各种焊接变素的要求。
根据现场实际焊接情况，存在平焊和仰焊两种焊接位置，按表3中的要求：打底焊接和背面清根焊接时选用焊条直径不得超过4.8mm，填充和盖面焊接时选用焊条直径不得超过6.4mm；打底焊道厚度不得超过10mm；填充焊道厚度不得超过5mm；焊接电流可根据焊条制造商推荐的使用范围进行选择。
4 质量控制措施
4.1焊工资格评定
规范3.1“适用范围”中明确规定：按免除评定的WPS操作的焊工、焊接操作工和点焊工必须按照第4章进行资格评定。即焊接工艺规程可以免除评定，但是焊工资格的评定不能免除。
因此，焊工操作之前需按照第4章C部分进行资格评定，评定的焊接方法、焊材类别、焊接位置、焊接厚度、焊接方向、背面衬垫等重要变素的覆盖范围满足现场钢结构焊接需求。
4.2 控制焊接变形
焊接热循环过程中，由于温度场分布不均，焊缝、热影响区及母材的膨胀和收缩率不同，会导致焊件在焊接结束后产生焊接变形和焊接应力。焊接工艺的选取、焊接顺序、焊接热输入量、焊件的固定措施等因素都会对焊接变形产生影响。为防止较大变形量的产生，影响钢结构的安装质量，主要采取以下措施来控制焊接变形：
（1）刚性固定
对于立柱和横梁等大件钢结构，在没有反变形的情况下，利用外加刚度约束来固定构件，限制其变形。[3]例如，可以采用U型定位块点焊到待焊坡口两侧，刚性固定，以控制立柱和横梁产生焊接变形。
（2）双人对称焊接
对于同一个接头，两名焊工以焊缝轴向中心为界，从焊缝中心向两侧进行对称焊接，每道焊缝接头需错开30mm以上。同一横梁上、下翼缘板要保持同步焊接，焊缝处于待焊状态时应使用岩棉进行保温，再次焊接时需满足最低预热及层间温度要求。
（3）合理选择焊接工艺参数
焊接时应尽量选用小直径焊条，减小焊接电流、适当提高焊接速度以减少热输入量；焊缝宽度超过焊条直径的3倍时，应采用多层多道焊。
4.3 减少焊接应力
钢结构在焊接作业后，其产生的焊接应力是无法消除的，尤其是在刚性固定的情况下，会使得焊接应力增加。钢结构处于低温环境中或者承受了一定的动载荷后，残余应力会导致钢结构遭到破坏。[4]因此必须尽量减少焊接应力的数值，具体方法有以下几种：
（1）焊前预热
按规范要求进行预热，距离起焊点3in（75mm）全方向范围内进行测温，保证最低预热和层间温度达到规范要求。通过均匀地局部预热，可以减小焊缝与邻近母材之间的温度梯度，降低焊缝的冷却速度和焊接应力的产生。
（2）锤击消除应力
每一层焊缝焊接结束后，使用圆球形锤头进行锤击释放焊缝应力，锤击力以锤击痕迹深0.5mm左右为宜，锤迹要连续均匀分布，不得敲击熔合线及母材，不得出现尖锐凹坑。
（3）焊后缓冷
焊接结束后，将焊缝整体加热到300-350℃，用保温棉包裹缓冷。有利于加速扩散氢的逸出，同时部分消除焊接应力。
4.4 焊后100% NDT检测
为验证焊接工艺质量，确保焊接接头的良好使用性能，焊后按AWS D1.1规范中6.12或6.13的相关要求，对焊缝进行100%RT或UT检验。
5 结论
在满足规范AWS D1.1第3章的前提下，可以使用免除评定的WPS用于钢结构的焊接。影响钢结构焊接变形和焊接应力的因素较多，通过合理的焊接工艺和控制措施可以有效的减少焊接变形和降低焊接应力。
参考文献：
[1] 刘榴.WPS的免除评定简介.焊接，2004（09）.
[2] 任黎娜.谈建筑钢结构焊接变形的控制措施.陕西建筑，2008（11）.
[3] 刘晓斌.钢结构焊接质量及工艺探讨.技术研究，2008（07）.