矩形钢管柱的制作工艺

摘要：本文简要阐述了杭萧钢构制作矩形钢管柱使用的材料、结构形式、坡口构造及焊缝质量要求等

情况，并着重介绍了制作过程中的工艺控制要点。

关键词： 矩形钢管柱 材料 形式 质量要求 坡口构造 制作工艺 控制要点

1. 概述

我们杭萧钢构自2000年开始制作矩形钢管柱以来，已完成了杭州瑞丰大厦工程（两主楼分别为15层、24层，总建筑面积5万多平米）、近江五金锁具博物馆工程（四层，二万多平米）。湖南长沙会展中心部分矩形钢管柱（一千二百多吨），四川成都信息产业部29所工程（十九层，约二万平米）等。目前正在制作武汉证券大厦工程（68层，钢构件总重约一万多吨），该工程规模大，难度大，对我们杭萧钢构既是一个考验，又是一个锻炼。我们将坚持“保生存发展的质量，创杭萧钢构的品牌”的质量方针，来努力完成这个本年度全国最大的超高层钢结构工程。 2. 矩形钢管柱的材料

本公司所承担的几个工程，使用的板材均为Q345类材料，由于楼层总高度较低，板料较薄，一般≤30mm，因此设计规定为B级钢即可。由于其含碳量为≤0.20%，S、P含量≤0.040%，所以焊接性能良好。一般焊接中不会出现异常。而对于板厚＞30mm的柱板，特别是超高层建筑，考虑到层状撕裂的危险。我们选用武钢产的Q345C，这种钢的含硫（S）量低≤0.010%，专门用于高层建筑。这样就能大大降低含硫夹杂物。减少层状撕裂的危险，提高了材料的可靠性，也给焊接带来了方便。

焊接材料中，我们根据等强度原则，选用H08MnA的埋弧焊丝，ER50-6的

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CO2气保焊丝及电渣焊丝，通过各种相应的工艺评定试验，均获得了一 次通过的满意结果。特别是非熔化电极的电渣焊，目前国内还没有专用的焊剂，我们采用了日铁的优质焊剂，保证了焊缝具有优良的冲击韧性，提高了接头的质量。 3. 矩形钢管柱的形式

我们制作的矩形钢管柱的具体形式，有长方形和正方形，但一般多为正方形。我们制作的正方形管柱有：350×350，400×400，500×500……1200×1200，1400×1400等各种规格。而长方形的有300×600……600×1200等。柱板厚度也各不相同，通常所用的板厚为16~46mm，属中厚板，故焊接难度不大，只要能严格执行工艺的要求，质量是有保证的。 4. 矩形钢管柱的焊缝质量要求

矩形钢管柱的制作验收标准主要依据《钢结构工程施工及验收规范》GB50205-95，《钢结构工程质量检验评定标准》GB50221-95，《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98及设计要求。 一般焊缝质量的要求为：

4.1 柱与梁连接节点上下600mm范围内的四角焊缝必须采用全熔透，为一级焊缝，B级超声波探伤，100%检验。

4.2柱两端100mm部分四角焊缝必须采用全熔透，为一级焊缝，B级超声波探伤，100%检验。

4.3柱翼腹板的拼接焊缝，均为全熔透一级焊缝，B级超探，100%检验。 4.4与柱外梁翼缘对应的柱内隔板必须采用全熔透焊缝，为二级焊缝，B级超声波探伤，20%检验。

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4.5柱外四侧与短牛腿上下翼板的刚接，采用全熔透焊缝连接，为一级焊缝，B级超声波探伤，100%检验。

4.6其余焊缝为外观检查按二级焊缝要求，但不作超探检验。 5. 矩形钢管柱的坡口构造

矩形钢管柱的坡口构造，基本为以下类型： 5.1适用埋弧焊接的柱板坡口 5.1.1板厚t≤30mm的柱板坡口 5.1.2板厚t＞30mm的柱板坡口 半熔透焊缝坡口

全熔透焊缝坡口 5.2全熔透隔板坡口

5.2.1要求全熔透的CO2气保焊坡口 t≤20mm t＞20mm

3 5.2.2电渣焊缝坡口 隔板 16≤t≤25mm,W=20或25 t1=25 t＞25mm, W=25 t1=28

柱板垫板

5.3 CO2气保焊接刚接牛腿翼缘坡口

牛 腿牛 腿衬板矩 形 柱矩 形 柱 由于是工厂焊接,故可用水平 也可采用单面焊接，加垫衬板从 位置，双面焊接（不用垫板） 衬板处开始焊接，保证焊透。 背面碳弧气刨清根，保证熔透 （如上图） 为一级焊缝。（如上图）

5.4柱上与梁腹板栓接的连接板的焊接坡口

连接板

一般采用单面开坡口，双面CO2气保焊接，不作探伤要求

矩 形 柱

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6. 矩形钢管柱的制作工艺控制要点： 6.1焊接材料的准备

焊接材料的好坏，将直接影响焊缝的质量，因此对于焊接材料，不但要化学成分合格，机械性能符合标准要求外，而且其有关的加工质量也应满足要求。如CO2焊丝的挺度，镀铜质量（包括牢度、厚度、均匀度等）和线径尺寸，哪一项质量不佳，均会影响送丝和焊接质量。所以必须加强焊前验收和焊接中的检查。发现问题及时处理。又如埋弧自动焊用焊剂，有的厂家虽作了烘干，但并不都能符合国标要求，因此使用时，对熔炼焊剂必须进行250℃烘干,保温2小时后，冷却使用。才能保证焊接时不会因焊剂潮湿而产生气孔。所以制作矩形钢管柱必须选用优良合格的焊接材料。 6.2下料及坡口加工

矩形钢管柱的柱板下料为节省材料，提高利用率，宜用定宽定长的料为好。定尺要增加成本，但比较利用率的提高，还是合算的。板料的定长尺寸应考虑焊缝的收缩量，柱端面的加工量，以及安装后柱的弹性收缩量等。但余量不宜过多，以免造成浪费。

柱板的下料一般都采用直条气割，为防止板料变形弯曲，条板两边的气割应同时进行。根据板厚及可燃气体不同，选用合适的割咀和气压，以保证切割的质量。切割时，必须做到切割面平整光洁，尺寸准确，割渣、毛刺、氧化皮应除净。

柱板的坡口加工将直接影响装配和焊接质量，因此是一个至关重要的工序。加工坡口的常用方法为气割和机械加工（铣边或刨边）。气割速度快、效率高，两边可同时进行。但由于割咀的倾角调节难度较大，不够正确。加上板

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材本身的不平整等，往往影响切割的坡口质量，割出的角度不准，切割表面有沟槽，不光洁等时有发生，而机械加工要有大型设备，如铣边机或刨边机。其加工精度高，角度准，表面光洁，但效率不如气割。因此企业应根据生产进度情况，合理安排，但必须保证坡口加工的质量。

坡口角度的正确与否很重要，是因为坡口大，容易焊透，脱渣容易，但焊接量大，引起变形也大。坡口小，焊满快，但易引起夹渣、焊不透，底层埋弧焊脱渣困难。所以坡口过大过小都不合适。操作中必须探索出既能保证焊接质量，又能减少焊接量的合理的坡口角度。 6.3隔板的加工及组装

由于隔板装在柱内，对应四周的梁翼板是受力构件，故焊接时要求全熔透，很重要。为此，隔板的加工应予以特别强调，隔板四边尺寸的正确与否，对角线的误差大小，直接会影响矩形钢管柱的形状尺寸，所以隔板四边及坡口最好能用机械加工，这样隔板四边的尺寸及垂直度能得到有效保证，误差小，坡口角度也正确。柱子四板装配后，其矩形钢管的外形尺寸就精确、方正。焊接后也不易发生菱形和扭转等变形。

隔板有两边要电渣焊，在装配垫板条时，必须使用工装模具。使装配后的隔板组能保证尺寸一致，电渣焊孔大小一致。垫板与隔板的间隙应＜1mm，这样可以避免电渣焊时漏液等。 6.4 U型柱的装配：

U型柱的装配是矩形钢管柱制作中关键的一步，必须十分重视。 首先装配必须在平板或组立升降平台上进行。以一块柱翼板为底板进行划线。划线要有基准，通常以封板端为基准。

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然后开始划线，划线特别注意隔板的位置必须正确。以便和柱外梁翼缘一一对应。接着安装隔板，隔板应保证和底板垂直，隔板坡口朝向要放置正确，并做仔细复查，防止少装、漏装。电渣焊垫板要和底板贴紧，间隙小于1mm，否则二保焊接时，要进行焊补，以免渗漏。

再接着安装两侧腹板，坚持从基准端开始，向另一端进行组立、点焊，控制宽度尺寸，点焊前必须在隔板处夹紧两腹板，定位焊应以不妨碍后续工序为原则，采用强度等级与母材相同的焊条焊接，点固焊缝长约20~30mm，尽可能不在坡口内点固，注意点固质量，防止虚焊。

最后，在U型柱组成后，应在两侧腹板上引出隔板位置线及电渣焊孔中心位置线，再在两腹板上侧割出电渣焊方孔，除净孔内割渣、焊渣等。柱内腹板上下安装熔透焊缝衬板条，并贴紧，间断焊接。 由检验员检验认可后，转入下道工序。 6.5 CO2气体保护焊焊接隔板：

每块隔板有两条焊缝应用CO2气体保护焊焊接。焊接时，一般采用ER50-6，φ1.2焊丝，焊接电流I=250~300A，U=30~34V。CO2气体纯度为≥99.7%，含水量≤0.05%，气体流量为15~20L/min，当瓶内气压≤1Mpa后，不得再使用。

焊接t ≤20mm有衬板的隔板焊缝时 ，如图： 应从衬板处开始将柱板、衬板、隔板三者焊在一起， 衬板保证焊透，然后用多层多道焊法，将焊道焊满。 焊接t＞20mm，K型坡口的隔板时，如图： 一般宜采用两面交替焊接，第一道焊接一定要

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注意焊丝的指向，保证根部焊透。而第二道焊接 前，必须将前一道的焊渣等清除干净后再焊，保 证焊透。

在焊接隔板时，除保证隔板焊缝充分熔透无缺陷外，还应注意电渣焊垫板条端部与腹板间的缝隙，如果≥1mm时，必须在二保焊时进行焊补，将缝隙堵住。

隔板焊好后，应进行超探检验。不合格时，还需进行气刨、返修，直至合格。

6.6 装配成矩形柱：

隔板焊缝检查合格后，再在组立机或平台上装配上盖板。装配前，应先检查柱的变形情况。若柱有弯曲变形等，应用火焰矫正的方法，在隔板处进行矫正，使U型柱保持平直。将上盖板盖上，并从基准端开始，逐段进行压紧，两侧点固。点固应点在坡口底部，保证焊透，不得有缺陷，焊点不宜过高。

6.7 电渣焊焊接：

我公司使用的电渣焊机是引进日铁的，简易非熔化极焊机。它比熔化极电渣焊快二倍。该焊接法中，焊丝通过导管自动的按设定的送丝速度送进。焊接时导管不熔化，随焊缝的升高而自动提升。而焊接电流是预先设定，对一定的焊丝直径（如φ1.6mm）是不变的。

为了得到稳定的熔深，必须充分了解熔深与许多焊接条件包括焊接速度。导管及导电咀位置、焊接电压、焊丝送进速度、坡口横截面等的关系。具体

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如下：

6.7.1 熔深和焊接速度的关系：

大从左图可看出焊速快、熔深小；

焊速慢，熔深大。

熔深

小低焊接速度高 焊丝送进速度、坡口横截面与焊速的关系：

从下图可看出焊速与焊丝送进速度成正比，与坡口横截面成反比。 据上可见，焊丝送进速度和坡口横截面是决定熔透深度大小所必须控制的 两个工艺参数。焊丝送进速度快，焊速 焊丝送进速度快，熔深小。反之焊丝送进速度慢，焊 速慢则熔透深度大。同样坡口横截面大， 则焊速慢，熔透深度就大。反之坡口横 截面小，则焊速快，熔透深度就小。 6.7.2熔深和焊接电压 坡口横截面焊丝送进速度坡口横截面焊接速度 简易非熔化极电渣焊比熔化极电渣焊快二倍。 熔 深 是因为其焊接电压较高，输入热量就多。其 电源是一个足以提供大于53V焊接电压的恒压直流电源。所以电压越高，输入热量越多，焊接电压熔深越大，反之则熔深越小。 6.7.3熔深和导管及导电咀的位置：导管位置

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可位于A、B、C，但最佳的导管位置应靠近， 柱板A处，这样可以增加柱板侧*处的熔深，同时 焊丝在导电咀外的伸出应垂直，如若偏斜， 也会影响熔深。

综上只有明确了以上特点，并在操作中加以控制，就能焊出高质量的焊缝，防止焊不透，夹渣等缺陷。此外为了保证电渣焊的质量，其引弧端、引出端必须设置水冷铜垫帽口，以便焊后将两端质量不好的部分割去。当隔板厚度≥25mm时，导管还应顺隔板厚度方向作摆动，以增加两侧的熔深，使熔合线形状由圆变为椭圆。

为了防止因电渣焊引起柱子弯曲，焊接时每一隔板的两侧应同时同工艺参数进行焊接，以消除两侧焊缝收缩的不均匀性。

焊接中应防止突然中止的现象，万一遇上这种情况，应立即拔出导管，检查导电咀及送丝情况，并剪去焊丝端部，在渣池冷却之前尽快恢复焊接，防止渣池凝固，造成焊缝中断。

焊完后，用气割割去引弧、引出端帽口，并用碳弧气刨，刨出坡口，清理并除净所有割渣、刨渣、氧化皮等污垢。 在柱两侧面对电渣焊缝进行探伤，至合格。 6.8矩形钢管柱四角焊缝的埋弧焊接

矩形钢管柱的四角焊缝是最重要的焊缝，特别是全熔透部分，为一级，要100%超探，因此焊接时从一开始必须认真对待。

6.8.1要认真清理坡口内的焊渣、割渣、氧化皮及其它杂物，并吹净灰尘等。 6.8.2 安装引弧、引出板、连接处应焊平整，防止焊缝处烧穿，导致引、熄

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弧板不起作用。

6.8.3 烘干焊剂，检查焊机送丝、机头、焊剂输送回收、行走等，一切正常后方可准备焊接。

6.8.4 焊接时，可采用单丝，为提高效率可用双丝埋弧自动焊。一般Q345类母材，选用H08MnA，φ5焊丝。 焊接规范： I

前

=650~750A U

前

=30~34V I

后

=700~800A，

U后=34~38V V速=22~26m/h 。

6.8.5 为防止矩形钢管柱扭曲，我公司焊接时，采用两条焊缝同时、同向、同参数焊接。对于厚钢板，还应采取多层多道焊。并翻转矩形柱，交替焊接，以尽可能减少柱子弯曲变形。

6.8.6 焊接时，每焊一道，必须将焊渣清除干净，防止夹渣等。

6.8.7焊工在焊缝完工前，应进行自检，对于表面缺陷如咬边、凹坑等应进行焊补、打磨。使表面平整，符合要求。

6.8.8 对全熔透焊缝进行探伤检验。超标缺陷应用碳弧气刨进行清除，清磨。然后进行手工焊补，至合格。

6.9 矩形钢管柱焊接完成后，应检查柱的直线度，对超标变形必须进行矫正。矫正的方法主要用火焰矫正法，对柱身凸起部分隔板处进行750~900℃的加热，然后自然冷却收缩，使柱变直。

6.10 矫正后的柱，送至端面铣床，对封板端进行端面铣削。铣削时，必须保证柱身与端铣平面垂直，再将装配时预留的端面加工余量铣削掉。 然后以铣削端面为基准，划出柱长，将柱的另一端多余的量铣削掉。由于柱—柱对接时，焊缝要收缩，故端铣时，按柱的长度正公差要求加工，以保

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证柱—柱焊接后的标高能符合要求。倘若安装发现柱高偏差较大时，需要进行柱长修正，则应及时反馈给制作，以便在端铣另一端前，确定好需要加工的长度。

6.11 矩形钢管柱上牛腿、连接板、耳板的装配焊接：

6.11.1 以设计图确定的矩形钢管柱翼板面为基准面，作为N面，然后在1m

处划出各柱面的十字中心线。

6.11.2 根据基准端及十字中心线划出牛腿、连接板、耳板等位置线，并装

配。为保证连接板表面的摩擦系数，宜先抛丸，处理表面后，再装配。 6.11.3 检验各件位置的正确性，然后焊接。牛腿翼板要求全熔透，坡口侧

焊好后，背面略作清根，除净刨渣等，将焊缝焊透，清理打磨后，作超探检验。

6.11.4 矫正变形，检验柱子上各零部件及相关尺寸。 6.12 焊钉的焊接：

6.12.1 要焊焊钉的柱表面及焊钉不得有锈、氧化皮、油污、油漆等影响焊

接的污垢物。陶瓷环应干燥。

6.12.2 在要焊接焊钉的柱表面上划出焊钉的位置线。

6.12.3 按设备说明，根据焊钉的直径，确定焊接电流、焊接时间、提升高度、

凸出长度等工艺参数。（如φ19焊钉为：I=1600A，S=0.8sec，提升高度L=3.6mm凸出长度P=3.6mm）

6.12.4 焊接时，一般焊钉接负极，工件接正极（即直流反接）。

6.12.5 在焊枪上装入焊钉及瓷环，使焊枪整个基面与柱面垂直并接触，再按

按钮，进行焊接。抓稳焊枪，直至熔池冷却。

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6.12.6 垂直拔出焊枪，并顺时针转动结束焊接。

6.12.7 检验焊接的外观质量，焊钉四周有一个封闭的焊缝和发蓝灰色的圆环

表面，即为合格。

6.12.8 一个焊接合格的焊钉，应弯曲60°后焊接区无任何裂纹。（验收规程

规定，焊后弯曲30°，无任何裂纹就为合格。） 6.13 抛丸，涂装：

6.13.1 检验合格后的柱子方可进行抛丸。

6.13.2 埋入混凝土或外包混凝土的柱子可以不抛丸。 6.13.3 抛丸后的工件，其清洁度应达到sa2.5级要求。 6.13.4 抛丸后的柱子，应及时涂装，防止再生锈。

6.13.5 埋入混凝土内或外包混凝土的柱段不涂装。高强螺栓摩擦面及现场

要焊接的部位不得进行涂装，应贴纸保护。

6.13.6 钢柱的编号、十字中心线的标号、柱面方向号等应贴纸保护，以免

涂装后失去标志。

6.13.7 要涂防火涂料的柱子，所涂底漆材料，必须要与防火涂料相匹配。 6.13.8 底漆、面漆可分别在安装前后进行，并应保证相应的漆膜厚度。 6.13.9 检验。

6.14 根据发货清单，核对图号、数量、粘贴标签，一致后方可发货。

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