0 引言

　　钢管柱在全逆作法施工阶段起临时竖向支撑作用，到后期同外包混凝土正式作为地下室永久性竖向承重结构^[1,2]。考虑到高层建筑钢管柱入土深度大，需对钢管采取现场接长，而钢管接长的质量好坏将直接影响到“一柱一桩”施工质量，因此，钢管柱接长是建筑工程施工质量控制重点^[3]。

　　目前，已有一些学者开展钢管柱接长工艺研究。黄永生等^[4]在青岛地铁2号线台东站采用逆作法施工钢管柱，钢护筒采用法兰式连接，但作者指出，在施工时存在地下水通过法兰接缝渗入孔内的现象。罗哲等^[5]在南京青奥中心双塔楼和裙房工程均采用钢管柱逆作法施工，由于钢管柱长度大多达23m，需分2段预制，因此钢管柱采用二氧化碳气体保护焊。宋中华^[6]研究了长沙地铁6号线车站盖挖逆作地铁车站永久钢管柱施工工法，钢管柱上、下2节在地面定位平台定位后采用焊接法接长。刘锦龙等^[7]研究了沈阳北站新建高架桥候车厅钢管柱工艺流程，钢管柱采用分段对接，先将分段后单节管连接在一起，管环缝采用悬臂自动焊方法在水平位置焊接。

　　本文以湖南旺旺医院(二期)———医疗大楼扩建工程(以下简称“湖南旺旺医院(二期)”)为背景，考虑到用于“一柱一桩”施工的钢管柱质量大，对钢管接长的整体性、密闭性、直线度要求高，利用钢管断面圆弧形特性进行专项工艺设计，采用走轨式电动滚轮架、十字焊接操作中心组成专业钢管自动焊接技术，保证了钢管柱通长直线度，确保了一级焊缝质量。

　　1 工程概况

　　湖南旺旺医院(二期)项目为1座集医疗、住院、停车一体的综合性大楼，总建筑面积约18万m²，其中地上约12万m²，地下约6万m²。地上20层、地下7层。基坑开挖深度32m，开挖量约30万m³。本工程框架柱及剪力墙四角部位“一柱一桩”逆作施工采用钢管柱劲性混凝土受力，钢管柱长27.0～30.1m，所需钢管柱长度超过周边环境最大运输长度(12m以下)及加工能力，钢管柱必须现场接长。

　　2 工艺原理

　　走轨式电动滚轮架、十字焊接操作中心自动焊接工艺原理如下。

　　1)采用走轨式(24kg/m轻轨)电动滚轮架(承载能力25t，带行走与主动、丛动滚轮功能，每根钢管2个支点)解决对焊接长时钢管支撑、调直、调缝问题，通过主、丛动滚轮架带动钢管转动，从而实现将立焊、仰焊转换为水平焊。

　　2)采用十字焊接操作中心整合氧乙炔切割焊枪调节机构、MIG气体保护焊接系统、埋弧焊焊接系统于一体的十字机械臂及1套电气控制系统，通过电动行走台车、电动回转机构、立柱、横臂、升降、伸缩机构与滚轮架主动电机实现同步运动，控制滚轮回转线速度(100～1 000mm/min)与焊接速度相匹配，从而实现自动焊接。

　　3 关键施工技术

　　3.1 施工准备

　　施工前安装钢轨(精平)，布置钢管对焊施工车间;施工人员进行技术、安全交底。进场钢管柱原材料(Q345B)要有出厂合格证，并按规定进行见证取样检验，无缝钢管必须进行直线度、直径、壁厚、圆度等进场质量验收，应符合GB/T 8162—2008《结构用无缝钢管》等现行规范的相关要求。

　　十字焊接操作中心、电动滚轮架成套专机由HJ-2000×2000十字焊接操作中心(见图1)、移动式焊接滚轮架(2套全主动滚轮架称主动轮、4套被动式滚轮架称丛动轮，见图2)组成。

　　图1 十字焊接操作中心  

　　图2 电动滚轮架 

　　3.2 吊放钢管、自动坡口切割

　　利用QUY180型履带式起重机将3根待接长钢管依次吊放至电动滚轮架，并调整钢管位置。

　　在坡口切割前，应进行测量划线。大口径无缝钢管对接采用Y字形坡口焊接，利用由三维调节丝杆及滑板组成的氧乙炔切割调节机构，通过割枪上下、左右、前后角度调节，实现管件接长端坡口的自动切割，最后利用磨光机磨平。如壁厚30mm管件、坡口切割成55°，如图3所示。

　　图3 钢管连接端坡口切割示意  

　　3.3 安装接头内套、对正调直

　　将第1节钢管接口处一端焊接内径4mm、外径6mm内衬钢管，内套与钢管间有2mm间距差，内套长200mm，如图4所示。

　　将第2节钢管通过内套与第1节钢管连接对正，并通过滚轮架行走装置调整对接焊缝位置，使2节钢管之间焊缝底部预留9mm宽，再采用打码与液压千斤顶进行调直，保证钢管通长直线度(各种构件校正好后方可施焊，并不得随意移动垫铁和卡具，以防造成构件尺寸偏差)，在坡口处临时加焊，采用等强度坡口电弧焊。

　　图4 钢管接长焊接坡口位置示意  

　　3.4 气体保护焊打底

　　钢管对接设计为一级焊缝，其焊缝首先采用气体保护焊打底，再采用埋弧焊盖面。通过十字焊接操作机MIG气体保护焊焊接系统与主动轮滚轮架电机联动转动，采用气体保护焊自动打底打磨。数字化500A气体保护焊机(配套500A自动水冷焊枪)如图5所示。

　　图5 数字化500A气体保护焊机  

　　气体保护焊采用的工艺参数如下:

　　1)电源极性采用CO₂气体保护焊焊接钢管时，采用直流正接。

　　2)焊丝直径母体钢材为Q345B，钢管厚度(16～30mm)均>4mm，焊条采用ER50-6。

　　3)电弧电压和焊接电流钢管对接采用1.2焊丝，相应选用短路过渡焊接(采用较低电弧电压、较小焊接电流焊接，焊丝熔化所形成的熔滴将母材与焊丝连接)。为使焊缝成型良好、飞溅及焊接缺陷减少，电弧电压和焊接电流要匹配，通过改变送丝速度来调节焊接电流。1.2焊丝飞溅最少时的典型工艺参数和生产所用工艺参数如表1所示。

　　表1 焊接典型工艺参数和生产所用工艺参数 

　　表1 焊接典型工艺参数和生产所用工艺参数

　　4)气体流量CO₂气体流量应随焊接电流的增大、焊接速度的增加和焊丝伸出长度的增加而加大，控制在8～25L/min，有利于保护熔池和熔滴，避免出现渣层及气孔等缺陷。

　　5)焊接速度随着焊接速度增大，焊缝宽度、余高和熔深均相应减少。如焊接速度过快，气体保护作用受到破坏，同时使焊缝冷却速度加快，降低焊缝塑性，而且使焊缝形成不良。反之，焊缝宽度会明显增加，熔池热量集中，容易发生烧穿等缺陷。

　　6)焊丝伸出长度焊丝伸出长度控制在8～14mm，以减少飞溅、堵塞，增强焊接质量。

　　7)直流回路电感在焊接回路中，为使焊接电弧稳定和减少飞溅，一般需串联合适电感，当电感值太大时，短路电流增长速度太慢，会引起大颗粒金属飞溅和焊丝成段炸断，造成熄弧或使起弧困难;当电感值太小时，短路电流增长速度快，造成细颗粒金属飞溅，使焊缝边缘不齐，成型不良。另外，盘绕的焊接电缆线相当于1个附加电感，一旦焊接稳定后，不可随便改动。

　　3.5 自动埋弧焊盖面

　　埋弧焊接系统由逆变1250A埋弧焊机、焊头十字滑板、埋弧焊机头、焊丝盘、焊剂斗等组成，如图6所示。

　　图6 埋弧焊焊接系统  

　　钢管柱接长对接焊缝如图7所示。通过十字焊接操作机埋弧焊焊接系统与主动轮滚轮架电机联动转动，采用引燃电弧、送丝、电弧移动及焊接收尾等过程，控制滚轮回转线速度(100～1 000 mm/min)与焊接速度匹配，实现对钢管全自动水平埋弧焊盖面。依次对钢管接长进行第1,2，…，16道焊缝自动埋弧焊施焊。其中，第1～3道焊缝为气体保护焊，第4道焊缝为气体保护摆动焊，第5～16道焊缝为埋弧焊。第1道焊缝焊前采用氧割枪进行预热，第1～4道每道焊缝焊后进行打磨，第5～16道每道焊缝焊后进行清渣。

　　1)根据母体钢材Q345B，选择焊丝H10Mn2Si A+焊剂SJ101，焊丝规格为4.0。此种组合在焊接工艺上要比选择焊丝H10Mn2+焊剂HJ431组合差，但低温冲击韧性力学性能要比后一种组合好。

　　图7 钢管柱接长对接焊缝示意  

　　2)焊丝表面最好镀铜，镀铜层既可防锈，也可改善焊丝与导电嘴电接触状况。焊丝应使用盘丝机整齐盘绕在焊丝盘上，使焊接过程稳定并减少焊接辅助时间。焊丝应严格控制S,P元素含量≤0.04%，避免焊接过程中形成“液态薄膜”。

　　3)焊剂使用前在350～400℃温度下烘干1～2h。

　　4)焊丝外伸长度40～50mm，对于下调量不够的焊缝，可采用加长导电嘴实现下调。

　　5)焊接堆散高度为25～40mm，焊丝倾角应垂直。

　　6)环缝埋弧焊时，焊件不断旋转，熔化的焊剂和金属熔池由离心力作用倾向于离开电弧区而流动，因此，为防止熔化金属溢流和焊道成型不良，应将焊丝逆焊件旋转方向后移适当距离，使焊接熔池正好旋转至中心位置凝固，偏移量为60～70mm。将钢管置于焊接滚轮架上，移动操作机平台至合适位置，环缝焊接通过焊接轨道式滚轮架和伸缩臂实现焊接位置的调整。

　　3.6 焊缝探伤检测、验收

　　检查管件焊缝表面焊缝质量，Ⅰ级焊缝表面不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、咬边、未焊满等焊缝缺陷。

　　由专业焊缝探伤人员利用A型显示脉冲反射式探伤仪对管件对接焊接部位进行超声波探伤检测，工作频率控制在2～2.5MHz，并做好焊缝超声波探伤报告和记录。一级焊缝要求满足GB 11345—89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》B级检验的Ⅱ级及以上要求，对符合要求的钢管标明型号、探伤日期，焊工进行验收。

　　重复上述工序完成第2,3个接头，即完成钢管对接工艺。

　　4 结语

　　采用走轨式电动滚轮架、十字焊接操作中心组成的气体保护焊打底与埋弧焊盖面一体的先进自动焊接工艺，完成了湖南旺旺医院(二期)项目2 000t钢管柱现场对焊接长工作。主要结论如下。

　　1)走轨式电动滚轮架、十字焊接操作中心组成气体保护焊打底与埋弧焊盖面一体的先进自动焊接工艺，具备对管件支撑电动回转、管件电动移位、管件坡口切割(氧乙炔)、MIG气体保护焊打底焊(摆动焊接)、埋弧焊盖面功能，解决了对焊接长时钢管支撑、调直、调缝等问题。

　　2)利用电动滚轮转动钢管将立焊、仰焊转换成水平焊接，焊接质量好，钢管柱接长焊缝满足一级焊缝质量要求。

　　3)该工艺采用机械化自动焊接技术，焊接电流较大，焊接时形成的熔池熔深较大，受人力因素影响少，焊接成型美观，形成的焊接质量稳定，适用于高规格壁厚钢管焊接生产，有利于节约成本、缩短工期。