大型钢结构件制作中焊接变形控制技术.pdf

钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 大型钢结构件制作中焊接变形控制技术 费新华 高国兵 （上海冠达尔钢结构有限公司 上海 201900） 摘要大型钢结构由于结构跨度长、截面大及钢板厚等特点，构件焊接后的焊接变形复杂且矫 正困难，定量地对焊接变形进行计算分析并采用合理的焊接工艺和技术，有效地控制大型构件 的焊接变形，是大型构件焊接加工成败的关键。 关键词大型构件 焊接变形 控制 Abstract For large scale steel structure, considering its characteristics of longer in spanning, larger in section size, and thicker in plate thickness, etc, it will be difficult and complicated in straightening to distortions from structural welding, so, it is a key to success of structural welding for large scale steel structure by means of quantified calculations and analysis to welding distortion, and adopting rational welding processes and techniques so as to achieve a effective control in welding distortion. Key words Large scale structural member，Welding distortion，Control 0 前言 构件的焊接变形源于构件或构件中的接头不均匀焊接受热。在大型钢结构中，焊接变 形主要表现为焊接后引起构件的挠曲变形、角变形及构件尺寸收缩。若对焊接变形的认识 不足或对焊接变形的考虑不周，轻者导致构件的尺寸超差，矫正工作量巨大；中者造成构 件的解体和返修；严重的变形会直接引起构件的报废。焊接变形直接影响大型构件的制作 质量，因此焊接变形的控制技术也成为钢结构加工的关键技术。 本文通过对几类典型构件降低焊接变形的实例，结合三种焊接变形计算经验公式，浅 析焊接变形控制技术在大型钢结构焊接中的应用。 1 不对称构件挠曲变形控制 对于大型不对称构件，焊接后构件的挠度变形控制极为关键，变形后的矫正极为复杂， 焊接控制不当会给构件制作质量带来极大的困难。因此，在制定焊接工艺前，应精确计算 构件的中性轴位置，并根据焊缝相对于中性轴的位置，确定焊缝焊接截面积及焊缝焊接顺 序。 构件焊接后引起挠度变形数值大小与构件的长度（L） 、构件惯性矩大小（I） 、焊缝截面 积（A）大小及焊缝相对于中性轴的距离（Du）有关，计算公式见式（1） 2 u 0.005A DL I ∆ （1） 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 142 IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 1.1 焊缝平衡控制法 在制的上海环球金融中心工程中采用了较多的三角形钢柱，三条焊缝的分布对任何三 角形的中性轴都呈不对称分布，焊接后引起的任何方向挠曲变形矫正都非常困难。为此在 焊接前应针对构件的尺寸，合理地分布焊缝的截面积并制定焊接顺序，确保焊接挠度变形 控制在公差范围内，减少矫正工作量。图 1 为三角形钢柱的截面尺寸示意。 图 1 三角形钢柱截面示意 该三角柱构件长度为 10 500mm，截面惯性矩Ix1.4376109mm4，焊缝A1面积为 915.8mm2，焊缝A2的截面积为 1046.7mm2，焊缝A1、A2对Ix距离为Du1、Du2109mm，按公式 （1）计算，A1、A2焊接完成后将引起三角形构件下挠 83mm。 焊缝A3相对于Ix距离为Du3139mm，为平衡构件的下挠变形并使构件的变形最小，焊缝 A3的截面积经公式（1）计算得 1539 mm2 。 根据上述计算结果，制定焊接工艺顺序如下 1）三条焊缝采用CO2气体保护焊打底焊 2 道。 2）采用埋弧焊焊接焊缝A3至焊脚尺寸 25mm。 3）采用埋弧焊同步焊接完成焊缝A1、A2。 4）焊接A3至计算所得尺寸（图 1 中表示尺寸） 。 采用上述焊接工艺焊接工程中同类三角形钢柱 50 余根，构件的挠曲变形公差值基本控 制在3mm 范围，减少了变形矫正工作量，提高了生产效率和质量。 1.2 辅助矫正控制法 浙江玉环电厂 100 万 kW 电站锅炉大板梁结构由图 2 所示的两个极不对称的工字形构 件叠合而成，长度为 42m，制作时上下各分三段，长度分别为 16m、13m、13m，上下分段 错开。 由于构件严重不对称，若按普通的焊接工艺方法进行焊接，上下两个工字形构件挠曲 变形方向相反，再加上叠合板的角变形火焰矫正引起的挠曲变形叠加，将使中间叠合板无 法进行高强螺栓连接。 对于单个工字形构件，构件截面特性及中性轴位置如图 3 所示。按一般 BH 进行焊接， 焊接后挠曲变形计算如表 1 所示。 143 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 图 2 大板梁截面 图 3 不对称 BH 中性轴分布 表 1 构件焊接挠曲变形计算 焊缝部位 构件长度 /mm 惯性矩 /mm4 焊缝面积 /mm2 焊缝距中性轴距离 /mm 焊缝焊后对挠曲影响 /mm 上部焊缝 16000 6.14924E11 644 812 -1 下部焊缝 16000 6.14924E11 644 2918 4 注 表示上挠，− 表示下挠。 制作时考虑到腹板与下翼板焊缝焊接后将引起下翼板的角变形，如在下翼板上采用火 焰矫正，受热冷却后将产生上挠效应，与焊接后的上挠进行叠加，会产生较大上挠。由于 上翼板较厚，一旦出现上述情况，矫正将十分困难。 下部工字形构件焊接后的变形情况正好与上部相反。 根据上述分析结果，为降低焊接变形，减少矫正工作量，保证构件加工精度，制定不 对称工字形构件焊接工艺如下 1）先装配腹板与下翼板（叠合板）成 T 字形结构，焊接完成腹板与下翼板纵缝。 2） 焊接完成的倒 T 字形件， 存在两种变形 翼板角变形和构件上挠变形 （计算为 6mm） 。 考虑到下翼板为上下工字形构件高强螺栓连接的叠合面，平整度要求高，对叠合板的角变 形采用翼缘矫正机进行机械矫正。 3）考虑到上翼板焊接后引起的 1mm 下挠及自重引起的下挠，对倒 T 字形件的上挠变 形进行轻度火焰矫正，将倒 T 形字件的上挠变形控制在 0～3mm 范围内。 4）将 T 字形上翼板装配成工字形，焊接腹板与上翼板纵缝，此时上部工字形构件的上 挠变形在 0～2mm 之间。 5）下部工字形构件制作的工艺方法同上部，惟一差别是在下部工字形件腹板下料时预 制 6～8mm 上挠值，以补偿自身和上部构件重量引起的下挠。 采用上述焊接工艺方法制造的 8 根叠合形工字形大板梁制作周期短，尺寸精度符合公 差要求，极大地提高了生产效率，减少了矫正工作量，提高产品质量。 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 144 IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 2 焊接角变形的控制 在焊接结构中，T 形接头无论是角焊缝、部分熔透坡口焊缝和熔透坡口焊缝，焊接后均 不可避免地引起翼板的角变形。 对于一般的 BH 形构件的角变形可以采用翼缘矫正机进行机 械矫正，方便快捷，是一种较好的角变形矫正方法。但对于箱形构件或大型构件则应采用 其他方法进行控制，以确保加工精度要求。 T 形接头焊接后引起翼板角变形数值大小与构件的宽度（B） 、翼板厚度（T） 、焊缝尺 寸（S）有关，如图 4 所示，经验计算公式见式（2） 2 3 . 1 2 . 0 T SB ∆mm （2） 图 4 角变形 根据上述的经验公式（2） ，可以定量计算出 T 形接头焊接后翼板伸出段的角变形数值， 再根据计算数值采取不同的方法进行工艺控制，以减少矫正次数和矫正工作量。 中央电视台新台址钢结构工程中，钢柱较多地采用了如图 5 所示的截面形式的单体、 双体和三体箱形结构，由于翼板伸出 100mm，箱形柱纵缝为全焊透坡口焊缝，所以焊接后 造成翼板的角变形给制作的尺寸精度控制带来难度。为此，针对不同的翼板厚度及结构形 式，制定焊接工艺以解决角变形。 图 5 翼板伸出箱形结构 2.1 反变形控制法 对于单体箱形结构，根据公式（2）计算焊接后可能造成的角变形数值，供翼板设置反 变形使用。根据装配尺寸和压力机的工装特点，制定如下单体箱形结构焊接加工工艺 1）根据考虑了横向收缩值的箱体尺寸，装配箱体结构并进行定位焊和气体保护焊打底 焊。 2）采用埋弧焊同向对称焊接两两纵缝至约 1/3 坡口深度，停止焊接。 3）由于焊接后的翼板反变形设置区域处于焊接余热状态（温度为 150～250℃） ，对箱 145 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 体的伸出翼板在压力机上采用专用模具设置规定数量值的反变形（见图 6） 。 图 6 翼板反变形设置结构 4）用埋弧焊焊接 4 条纵缝至坡口平齐，观察翼板角变形的变化情况。 5）根据反变形的回落情况，当反变形回落超过时，从坡口面向翼板侧方向焊接坡口焊 缝的加强焊缝；当反变形回落不足时，从翼板侧向坡口面方向焊接坡口焊缝的加强焊缝。 2.2 角变形平衡控制法 对于图 5 所示的双体和三体箱形结构，翼腹板板厚均为 100mm，根据角变形产生的原 理，中间翼板的角变形可采用平衡的原理进行消除，为此制定下述焊接工艺进行焊接 1）按工艺尺寸分别装配双体和三体箱形结构并进行定位焊和打底焊。 2）采用平衡焊接法用埋弧焊焊腹板坡口焊缝，如图 7 所示。 三体箱形结构纵缝焊接顺序为1-1（1/2）→2-2（1/2）→3-3（1/3）→翻身→1′-1′ →2′-2′→3′-3′（1/3）→翻身→1-1→2-2。 二体箱形结构纵缝焊接顺序为4-4（1/2）→5-5（1/3）→4′-4′→5′-5′（1/3）→ 4-4。 焊缝 3-3 和 3′-3′、5-5 和 5′-5′焊接到坡口深度 1/3 后停止焊接。 图 7 三体和二体箱形结构焊接顺序 3）采用火焰加热矫正方法设置焊缝 3、5 对应的翼板的反变形△后继续焊接焊缝 3-3 和 3′-3′、5-5 和 5′-5′，直至焊接完成。 实践证明，央视工程中翼板外伸箱型柱采用上述工艺焊接方法进行控制，有效地克服 了 T 形接头角变形的偏差难题，确保了构件的尺寸精度要求。 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 146 IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 3 焊接收缩变形控制 焊接收缩变形对钢结构的影响主要表现为焊缝沿长度方向的收缩和沿焊缝横向收缩， 造成的后果是构件长度缩短和构件截面尺寸减小。构件的长度尺寸一般通过在下料时加放 一定的加工余量后再进行构件最后尺寸定长的办法来解决，而构件截面尺寸的保证必须在 零件下料之前通过对构件焊缝横向收缩量的估算进行确定，构件装配时预置的横向收缩值 的大小直接决定焊接后构件的截面尺寸。因此，横向收缩变形是大型钢结构制作时关键控 制的变形。 全熔透对接或 T 形接头横向收缩变形计算的经验见图 8 及公式（3） 。 图 8 焊接接头横向收缩计算示意 t A ∆ 1 . 0 （mm） （3） 3.1 构件拼接收缩变形的控制 许多大型构件由于构件的长度较长和重量较重，为便于车间内制作，需进行分段制造， 然后在大的场地和起重能力大的条件下进行构件的整体拼接。由于分段制造时构件的附件 和连接螺栓孔已经加工，拼接接头的收缩余量控制必须精确计算，以确保拼接后构件的整 体尺寸在验收的公差范围，图 9 为浙江玉环电厂大板梁整体拼接示意。 图 9 拼接大板梁示意 在拼接时，上翼板、腹板和下翼板的横向焊接收缩余量根据公式（3）计算设置，如表 2 所示。 表 2 构件焊接横向收缩的计算 部件名称 厚度/mm 接头形式 焊缝面积/mm2预置焊接收缩余量/mm 上翼板 140 双 U 形 3522 2.5 腹板 40 X 形 656 1.5 下翼板 30 X 形 544 2 147 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 钢结构焊接国际论坛 IFWT 2006 根据表 2 计算的结果设置大板梁的拼接收缩余量，焊接后的大板梁的长度尺寸控制在 长度公差范围内，满足了构件加工要求。 3.2 构件截面尺寸收缩变形的控制 大型构件加工过程中，由于钢板厚、构件截面尺寸大及接头要求焊透等原因，如果对 焊接横向收缩变形不能充分地考虑，将导致构件截面尺寸变小而使构件的承载能力降低， 影响结构的安全性。如图 10 所示的转换大梁和图 11 所示的三体箱形柱，如果对横向焊接 收缩不加以焊前考虑，将导致截面减小 5mm 和 12mm，影响构件的使用。 图 10 纵缝焊透转换大梁截面 图 11 纵缝焊透三体箱形柱截面 对于图 10 所示截面，单一腹板与翼板焊接接头的焊缝面积为 2187mm2，根据公式（3） 计算的接头焊接收缩量为 2.7mm，BH焊接后整个截面收缩量将达到 5.4mm，严重超出BH 规定的公差范围2mm。因此，在装配时，为确保焊接后截面尺寸处于公差范围内，应预 先放置 5mm焊接收缩余量，使BH的装配后尺寸比图样尺寸大 5mm，确认后再进行焊接。 对于图 11 所示截面，箱形接头腹板与翼板单个焊接接头的焊缝面积为 3975mm2，根据 公式（3）计算得每一箱形纵缝接头焊接收缩量为 4mm，共 6 个相同的焊接接头，全部焊接 完成后，整个宽度截面尺寸的焊接收缩量达 24mm。显然，如果装配时不预先设置上述焊接 收缩余量，焊接后构件的截面尺寸将产生严重的偏差，使构件的承载能力降低，影响结构 的正常使用。 2006 钢结构焊接国际论坛论文集 148 IFWT 2006 钢结构焊接国际论坛 4 结语 在大型钢结构制造加工中，定量地对构件焊接后的挠曲变形、角变形和横向收缩变形 进行计算和分析是非常必要和重要的，根据计算和分析结果采取相应的控制措施和焊接工 艺措施是有效降低和减少焊接变形，提高构件的加工效率，并确保大型构件的加工尺寸精 度的关键。焊接变形控制技术是现代大型钢结构施工中的一门重要控制技术，直接关系到 大型构件加工的成败。 作者简介费新华，男，1964 年生，高级工程师，上海冠达尔钢结构有限公司副总工程师。主要从事钢结构加工和施工技术研 究。 高国兵，男，1967 年生，焊接工程师，上海冠达尔钢结构有限公司。主要从事钢结构加工工艺技术研究。 149 2006 钢结构焊接国际论坛论文集