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强磁场环境下钢结构现场焊接工艺研究

摘 要:针对某铝业公司新建钢结构厂房施工现场毗邻电解铝生产车间,存在有强磁场环境,引起CO2气体保护焊机送丝阀失灵,发生电弧磁偏吹现象,电弧剧烈摆动甚至熄弧,焊接熔池状态变化,熔池不对称,焊缝熔宽增加、熔深减小等焊接难题,并直接导致钢柱与钢梁对接、钢梁与钢梁对接的现场焊接受到影响,焊接质量不合格问题,改进设计了钢结构厂房的现场焊接工艺:采用手工电弧焊代替CO2气体保护焊,调整焊接规范,采用顺磁向焊接和右焊法;用钢板作为磁场屏蔽体,利用绕组线圈叠加消磁法,达到减弱磁场的目的。同时更改部分构件的连接设计:采用法兰高强螺栓连接。最终完成整个钢结构厂房的施工任务要求;经检测,符合设计规范和质量要求。

钢结构厂房具有优越抗震性、可装可卸的再利用性、工程施工快、车间有效使用面积大、空中吊运可设计吨位大等特点。钢结构厂房的制造通常分为生产车间的构件制作和现场拼接及焊接安装两部分,其中现场拼接及焊接安装是生产高质量钢结构厂房的关键。现场焊接是吊装作业中很重要的一个环节,但由于施工是在露天、高空、交叉作业等复杂环境下进行,且受到赶工时、催进度等其它因素影响,所以现场焊接也是钢结构总体质量保证中最容易忽视的一个环节。

1 强磁场环境钢结构厂房现场焊接问题

电解铝设备运行时产生较大强度的磁场,在施工工地上,越靠近电解铝车间磁场强度越大,能使机械手表停止转动、废弃电焊条与地面呈现45°角站立,导致钢柱与钢梁的现场焊接对接无法实施;但让电解铝车间停产以消除磁场的影响是不可能的。因此,必须对钢棚厂房的现场焊接施工工艺等作出改进设计。

2 强磁场对焊接施工的影响2.1 对CO2气体保护焊机的影响

现场焊接原设计采用CO2气体保护焊作业,但现场施工发现,在强磁场环境作业时,强磁场造成送丝机电磁阀失灵(见图),导致焊机出丝速度时快时慢,严重影响焊丝熔滴的过渡,使焊接无法顺畅进行。

2.2 对电弧和熔池稳定性的影响

焊接电弧由正、负离子组成,在焊接过程,在电弧力作用下,电弧呈现圆锥状。在外磁场作用下,电弧这个等离子体的导电性受到破坏,发生电弧磁偏吹现象,电弧剧烈摆动甚至熄弧,使焊接无法继续。由于电弧磁偏吹和液态金属运动状态的变化,导致焊接熔池状态变化;在强磁场作用下,焊接速度增加,熔滴大小及熔滴过渡方向发生变化,电弧偏吹,造成熔池不对称,使焊缝熔宽增加、熔深减小。    因此在强磁场作用下,现场焊接有焊缝成形困难、有效熔池难以形成,以及容易产生大量气孔、夹渣、飞溅、未焊透和焊偏等缺陷。

3 强磁场环境下焊接工艺设计

工程上常用的消磁方法主要有:锤击法、火烧法、屏蔽法、叠加消磁法等。锤击法和火烧法主要应用于消除构件或器具的剩磁,不适用于本焊接施工现场。

因此本工程综合采用屏蔽法和叠加消磁法,并结合改进焊接方法、焊接规范和部分结构连接设计,最终完成整个钢结构厂房的施工任务要求;经检测,符合设计规范和质量要求。

3.1 采用手工电弧焊代替CO2气体保护焊

CO2气体保护焊在高效、优质、节能等方面优于手工电弧焊是不争的事实,但在本工程中,只能用手工电弧焊代替 CO2气体保护焊,以解决送丝阀受强磁场影响送丝不畅的问题;另外,露天作业条件下 CO2气体保护焊受风干扰严重,用手工电弧焊恰能解决此问题。

3.2 调整焊接规范

选择由弱向强的顺磁向焊接,利用液态金属顺向凝固的特性进行焊接补偿;焊条角度采用磁偏吹反方向,使反向电流对强磁补偿,抑制高温铁液飞溅;根据磁性灵活调整焊接方向和焊枪与焊件之间的夹角,减小熔滴过渡长度;尽量采用右焊法,减小磁偏吹现象。

3.3 使用屏蔽体

为屏蔽或减弱强磁场,通常可设计一个屏蔽体;设计时要主要考虑周围电场波和磁场波情况,尽量远离磁场源,并选用导磁性好的材料。考虑焊接作业的特殊性:焊接时需要大量氧气、焊工需有适当操作空间以及焊接时放出大量热,现场屏蔽体应具有足够的空间广度。由于取材方便,本次选用钢板材料制作屏蔽体,现场设计了两种:一种是人和焊接设备都包括在内的小铁房子,另一种是只罩住焊接设备的小铁箱。第一种适合零部件较小的独立作业现场,所需作业空间不会太大,屏蔽体搭建较为方便;该方法配合绕组线圈使用,效果较好。第二种能够将手工电弧焊机完全包住,能够进一步减小强磁场对焊机设备的影响,减小焊接设备引起的焊接缺欠,进一步提高焊机工作的稳定性,提高焊接质量。

3.4 利用绕组线圈叠加消磁法

根据麦克斯韦电磁理论,通过绕组线圈产生外加磁场,控制电流调节磁场强度的大小;按安培定则,通过线圈电流方向判断磁场方向。如图所示磁滞回线,铁磁体B-H磁滞回线原理中,加反向磁场可使剩余磁感应强度减小,反向磁场强度值达到矫顽力时,剩余磁感应强度值减小为零。

因此,用绕组线圈缠绕在钢柱与钢梁对接坡口两侧形成电磁线圈,按安培右手螺旋定则确定电磁线圈的磁场方向,焊接时根据外部磁场情况作适时调整。线圈应尽量紧贴构件,缠绕线圈时不得叠压,使产生的磁场均匀,也利于通电线圈的散热。

此方法,在距离电解铝车间 80 m 内,焊接效果一般,单根焊缝上的合格率仅达60%。在80 m之外,对强磁场环境下焊接有明显作用;焊缝经超声波无损探伤,达二级质量要求。

3.5 更改部分构件的连接设计

1)为解决在距离电解铝车间 80 m 内的焊接问题,同时考虑到建筑钢结构厂房的质量,经设计院同意,把靠近电解铝车间的 5 榀钢柱与钢梁对接、钢梁与钢梁对接变更为焊接端板,用高强螺栓法兰连接;图4所示为钢柱、钢梁焊接连接,图5所示为钢柱、钢梁端板法兰高强螺栓连接,此5榀钢架返厂加工完成。

2)80 m外的其它构件为焊接H型钢翼缘板,出厂时每条腹板对接缝上都配有一幅固定夹板起固定作用,焊接后拆除。经过设计院同意,在翼缘板和腹板现场焊接完成后,把钢梁上的腹板焊缝磨平,用10.9S高强度螺栓替换普通螺栓,把原只作为固定功能的固定板永久性地固定在腹板上,对焊缝起到加强作用;图 6 所示为腹板焊接后磨平、加夹板以高强螺栓固定。

4 结束语

在强磁场环境下进行焊接作业,宜采用手工电弧焊代替 CO2气体保护焊,并在焊接中灵活调整焊接方向和焊枪与焊件之间的夹角,缩短电弧,减小磁偏吹现象,抑制高温铁液飞溅;可利用辅助钢板密封屏蔽,结合采用绕组线圈叠加消磁,并根据外部磁场调整线圈电流及通电方向,达到减弱磁场的目的,使焊接过程正常进行,保证焊接质量;此外,可根据强磁场环境特点进行改进设计,尽量采用焊接端板法兰连接,减少不必要的现场焊接。

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