前言

 

　　预应力混凝土管桩因其具有桩身强度高、沉桩能力强、单桩承载力高、施工周期短、造价低等优点而被广泛应用，尤其是自2007年在曹妃甸地区大面积推广后，为曹妃甸快速发展做出了巨大的贡献。传统的预应力管桩接桩方式为电弧焊焊接，但因其焊接速度较慢，影响了管桩的整体施工速度。

 

　　针对以上特点，我项目部在施工唐山北方瓷都陶瓷集团有限公司工程中，试验了二氧化碳气体保护焊的焊接方式进行接桩，大大提高了施工速度，保证了施工质量。

 

　　适用范围

 

　　本工法适用于设计桩基长度超过最大单桩长度时，预应力混凝土管桩需进行接桩施工，尤其适用于工期紧的工程，但空旷的场地需设置防风措施。

 

　　工艺原理

 

　　二氧化碳气体保护焊采用可熔化的焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，同时，向焊接区域内连续输送二氧化碳气体，以保护焊接电弧、焊丝熔滴、焊接熔池及熔池周围的热影响区，免受周围空气的侵袭。焊接过程中，焊丝连续不断地送入、熔化并过渡到熔池内，与熔化的母材金属融合形成焊缝，从而使焊件达到连接。

 

　　本工法主要是将二氧化碳气体保护焊这种工厂化焊接方法利用于工程施工现场中，替换传统的电弧焊施工，在不影响管桩其他施工工艺的情况下，充分发挥气体保护焊的优点。二氧化碳气体保护焊焊接过程操作方便，没有熔渣或很少有熔渣，焊后基本上不需清渣，电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小，并且焊接成本低于电弧焊。

 

　　施工工艺流程及操作要点

 

　　4.1施工工艺流程（见下图4.1）：

 

　　图4.1

 

　　4.2操作要点

 

　　4.2.1测量定位：

 

　　一般一个区域内根据每天施工进度放样20～30根桩位，在桩位中心点地面上打入一支φ6长约30～40cm的钢筋，并用红油漆等标示。

 

　　4.2.2打桩：

 

　　打第一节桩时必须采用桩锤自重或冷锤（不挂档位）将桩徐徐打入，直至管桩沉到某一深度不动为止，同时用仪器观察管桩的中心位置和角度，确认无误后，再转为正常施打，必要时，宜拔出重插，直至满足设计要求。

 

　　4.2.3焊接接桩：

 

　　4.2.3.1采用二氧化碳气体保护焊焊接接桩，电焊工必须持证上岗，不得允许不懂操作规程、没有电焊操作证的施工人员接桩。

 

　　4.2.3.2下节桩的桩头处宜设导向箍以方便上节桩就位，接桩时上下节桩应保持顺直，中心线偏差不宜大于2mm，节点弯曲矢高不得大于1‰桩长，结合面之间的间隙不得大于2mm。

 

　　4.2.3.3焊接前，桩头埋设铁件必须除锈，露出金属光泽，风速大于1m/s时应采取防风措施。提前检查送丝是否顺畅，是否稳定，丝轮是否压紧；检查CO2气瓶的工作压力是否已调到0.1-0.2MPa（因为满瓶CO2气压力约在5-7Mpa），如气瓶内压力已降到0.98Mpa就严禁使用。

 

　　4.2.3.4焊接施工：

 

　　焊接程序：启动→提前送气（1-2s）→(送丝+供电)开始焊接→停止焊接（停丝+停电）→滞后停气（2-3s）

 

　　（1）焊前将焊丝端部剪切去一小段后再焊，避免在坡口内点固。

 

　　（2）环缝采用退焊重熔法（即向前焊20mm，再回焊到原点，再按正常速度向前焊接），引弧采用直接接触法引弧。使焊丝端与焊件接触，形成短路而引燃电弧。要压住焊枪，保证焊丝与焊件距离。

 

　　（3）焊丝伸出长度为焊丝直径10倍，一般应小于15mm，尽量保持焊丝伸出长度不变，伸出过长，不仅使焊缝成形恶化，而且电弧变得不稳。

 

　　（4）气体流量：焊丝直径Ф不大于1.2mm，流量为8-15L/min，焊丝直径Ф大于1.2mm，流量为15-25L/min。

 

　　（5）焊接时由两个电焊工在成180°角的方向同时施焊，先在坡口圆周上对称点焊4～6点，待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊，每层焊接厚度应均匀。

 

　　（6）焊接层数不得少于两层，最好是两层三道（如下图4.2.4.1所示），焊缝应饱满连续，不得有夹杂、气孔等缺陷，速度不要太快，半自动焊不超过0.5m/s。

 

　　图4.2.5.1

 

　　4.2.3.5焊接完成后，根据国家标准《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）表5.2.5和表5.4.5规定电焊结束后停歇时间＞1.0min，自然冷却后才可继续锤击，严禁用水冷却或焊好即打。为防止焊缝附近桩身混凝土被烧伤或急速冷却使混凝土疏松，停歇时间不宜太短，最好将停歇时间控制在不少于3min。

 

　　5．材料与设备

 

　　5.1材料选择

 

　　焊接材料主要包括：CO2气体及实心焊丝，材料应符合设计及规范要求。

 

　　5.1.1CO2气体质量要求

 

　　焊接用的CO2气体纯度必须满足：CO2>99.5%、O2<0.1%、HO2（CO2气体湿度）<1-2g/m3。焊缝质量要求越高，作为焊接保护用的CO2气体纯度要求也越高，其纯度（体积分数）应不低于99.8%，露点低于-40℃。

 

　　5.1.2实心焊丝质量要求

 

　　5.1.2.1焊丝中的含C量不宜太高，因CO2气体保护焊过程中，C容易被氧化成CO气体，是造成焊缝出现CO气孔和产生焊接飞溅的重要原因。

 

　　5.1.2.2焊丝中Si、Mn等脱氧元素含量要适当，通常Mn和Si的配合比在2.0-4.5之间为宜。

 

　　5.1.2.3为确保不同的母材焊接接头的强度要求，焊接不同母材所用的焊丝中合金元素含量要适当。

 

　　5.2主要机具

 

　　主要施工机具包括：一台预应力管桩桩机需搭配二氧化碳气体保护焊焊机两台、水准仪一台、经纬仪两台。

 

　　5.2.1管桩施工采用锤击法，锤击法包括柴油锤及液压锤两种，因不存在扰民问题，曹妃甸地区基本全部采用柴油锤施工。桩机选好后，根据桩径大小匹配桩帽及桩垫。

 

　　5.2.2焊机根据焊丝直径选择型号为NBC-500S的半自动CO2保护焊机（焊接系统如下图5.2.2），该焊机焊丝直径1.2-2.0mm，送丝方式为推丝，送丝速度为8m/min，可焊接低碳钢和不锈钢。

 

　　图5.2.2

 

　　6．二氧化碳气体保护焊常见缺陷及防止措施

 

　　6.1焊缝成形不良：表现为焊缝弯曲不直，成形差。

 

　　主要原因为：a.电弧电压选择不当；b.电流与电压不匹配；c.电感值不合适；d.送丝不均匀，送丝轮压紧力太小，焊丝有卷曲现象；e.导电嘴磨损严重；f.操作不熟练。

 

　　防止措施为：合理选择参数；检查送丝轮并做相应的调整；更换导电嘴，提高操作技能。

 

　　6.2飞溅：产生飞溅的原因很多，主要有：a.短路过渡焊接时，直流回路电感值不合适，太小会产生小颗粒飞溅，过大会产生大颗粒飞溅；b.电弧电压太高会使飞溅增多；c.焊丝含碳量太高也会产生飞溅；d.导电嘴磨损严重和焊丝表面不干净也会使飞溅增多。

 

　　防止措施为：选择合适的回路电感值，调节电弧电压，选择优质的焊丝，更换导电嘴。

 

　　6.3气孔：产生气孔的原因有：a.气体纯度不够，水分太多；b.气体流量不当，包括气阀、流量计、减压阀调节不当或损坏，气路有泄露和堵塞，喷嘴形状或直径选择不当，喷嘴被堵塞，焊丝伸出太长；c.操作不熟练，焊接参数选择不当；d.周围空气对流太大；e.焊丝质量差，焊件表面清理不干净。

 

　　防止措施：彻底清除焊件上的油、锈、水；更换气体；检查或串接预热器；清除附着喷嘴内壁的飞溅物；检查气路有无堵塞和折弯处；采取挡风措施减少空气对流。

 

　　6.4裂纹：产生原因有：a.焊件或焊丝中P、S含量高，Mn含量低；b.焊件表面清理不干净；c.焊接参数不当；d.焊件结构刚度过大。

 

　　防止措施：严格控制焊件及焊丝的P、S等的含量；清理焊件表面；选择合理的焊接参数；焊前预热，焊后消氢处理。

 

　　6.5咬边：产生的原因有：a.焊接参数选择不当；b.操作不熟练。

 

　　防止措施：选择合理的焊接参数；提高操作技能。

 

　　7．效益分析

 

　　7.1焊接质量好

 

　　二氧化碳气体保护焊抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性好。另外，气体保护焊是明弧焊接，焊接过程中电弧可见性良好，容易对准焊缝和控制熔池熔化以及焊缝成形，对于曲线焊缝的焊接非常有利。唐山北方瓷都陶瓷集团有限公司工程共计进行低应变桩身完整性检验136根次，全部合格，没有发现接桩处断裂的问题。

 

　　7.2接桩速度快，提高桩基整体施工进度

 

　　二氧化碳气体保护焊由于焊接电流密度较大，所以，焊丝的熔化系数大，母材的熔透深度增大，焊接速度得到提高。另外，焊接过程中基本没有焊渣产生，因此，焊后不用清渣，从而节省了许多辅助时间，焊接生产率比焊条电弧焊高1-3倍。以直径400mm预应力管桩为例，两台普通电弧焊接桩时间平均为15min，而两台二氧化碳气体保护焊接桩时间平均为5min，施工速度显著提高，从而保证了桩基整体施工进度。

 

　　7.3施工成本低，节约能源

 

　　二氧化碳气体来源广泛，价格低，焊接过程中消耗的电能也少，其焊接成本仅为焊条电弧焊的40%-50%。

 

　　8．应用实例

 

　　唐山北方瓷都陶瓷集团有限公司工程，施工地点唐山市曹妃甸工业区，为工业厂房工程，开工时间2009年9月4日，因工程迁址停工时间2009年10月19日，厂房为桩基础、承台、钢结构形式，预应力管桩桩长28米，型号为PHC－AB400－95－X，共计28924延米。通过采用二氧化碳气体保护焊接桩施工工法，施工速度得到了明显的提高，为了下步工序争取更多的时间，施工质量和施工成本得到了良好的控制，为本工程创造了更高的经济效益和社会效益。

 

　　参考文献：

 

　　《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002；

 

　　《预应力混凝土管桩》，中国建材工业出版社2000。

 

　　《CO2气体保护焊技术》，机械工业出版社2009.2。