淺析厚板箱型焊接變形控制技術(shù)

梁超群

【摘要】本文以柳州國際會展工程厚板箱型焊接變形控制技術(shù)為例，結(jié)合生產(chǎn)實際提出了一些防變形的方法和經(jīng)驗，為以后厚板型箱型構(gòu)件的加工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】箱型;厚板焊接;防變形

柳州國際會展工程用地面積約162311.35萬m2，總建筑面積約25277.89萬m2，主要建設(shè)內(nèi)容有一棟會展建筑和一棟配套辦公大樓。本工程鋼柱均為鋼-砼柱。鋼結(jié)構(gòu)主要為鋼管混凝土柱，需內(nèi)灌混凝土并外包200mm厚鋼筋混凝土，截面均為箱型柱，數(shù)量為124根，箱型鋼柱最大截面為口1700×1600×60×60，箱型柱隔板最厚鋼板為70mm。本工程需要加工的箱型構(gòu)件焊接主要是25mm厚以上1000×1000以上的截面，其中板厚大于30mm以上的構(gòu)件占比為69%，加工難度非常大，工藝要求非常高。初期制作的構(gòu)件中出現(xiàn)的問題，集中表現(xiàn)在腹板和翼緣焊接過程中變形過大，厚隔板焊接過程中引起鋼柱腹板、翼緣局部變形嚴(yán)重等問題。焊接30mm以上的厚板箱型，在之前的項目中從未遇見過這么嚴(yán)重的變形問題，在這個項目中第一次面對。如何控制好厚板焊接過程中的變形問題成為保證這批構(gòu)件質(zhì)量的重要工作。為了解決這一問題，項目組展開了多方面的了解分析。

1.箱型構(gòu)件焊接工藝的主要流程

箱型構(gòu)件的生產(chǎn)流程主要有：原料檢驗、切割下料、底板及腹板拼裝、隔板拼裝、蓋板拼裝、其他連接板拼裝、表面處理工作、報檢工作、涂裝工作、入庫發(fā)貨運輸。

1.1原料檢驗

鋼板進廠，對原材料進行檢驗，從規(guī)格到材質(zhì)一一檢驗清楚后入庫。

1.2切割下料

采用多頭自動切割機下料，腹板、翼緣號料時要根據(jù)板寬預(yù)留出切割余量，長度方向為40～50mm，寬度方向為3～4mm，鋼板切邊10～20mm。根據(jù)板厚選擇3或者4號割嘴進行腹板、翼緣條料的切割。條料切割后按焊接需要沿條料長度方向用坡口機打好焊接坡口。

1.3底板及腹板拼裝

箱型構(gòu)件的底板和腹板截面如圖1。

如圖1所示，箱型柱的初步拼裝主要組成有：底板、兩側(cè)腹板、拼裝拉板。焊縫均采用加襯板坡口焊形式。

1.4隔板拼裝

箱型構(gòu)件內(nèi)隔板的焊接先采用氣保焊進行三面坡口焊。焊接前內(nèi)隔板要先開好坡口，以保證焊接質(zhì)量，如圖2所示。

1.5蓋板拼裝

箱型構(gòu)件組裝完成后主截面如圖3。箱型柱接下來的拼裝工作有：蓋板焊接、隔板與蓋板面的焊接。蓋板與兩側(cè)腹板焊接采用加襯板坡口焊焊接，隔板與蓋板面采用電渣焊焊接。

1.6其他連接件拼裝

其他連接件拼裝主要有：牛腿、鋼梁連接板、支撐連接板、柱底板等。

1.7箱型構(gòu)件表面處理工作

箱型構(gòu)件表面處理工作主要是拋丸噴砂，把構(gòu)件表面的雜質(zhì)清除，為下一道涂裝工序做好準(zhǔn)備。

1.8報檢

表面處理工作完成后，接下來就是報檢工作。主要檢測的內(nèi)容是：構(gòu)件的焊接質(zhì)量，連接零件定位準(zhǔn)確度，構(gòu)件整體尺寸準(zhǔn)確度等。

1.9涂裝工作

涂裝工作一般分為：底漆、中間漆、面漆三大部分。油漆的涂刷厚度根據(jù)設(shè)計要求來進行涂刷。對有特殊需要的部位進行免油漆處理，例如：螺栓連接處、焊接連接處、栓釘連接處以及與混凝土連接面等。

1.10構(gòu)件入庫準(zhǔn)備發(fā)往工地

構(gòu)件油漆工作完成，等油漆晾干后，接下來就是入庫工作，入庫后構(gòu)件等待裝車發(fā)往工地。這一步標(biāo)志著構(gòu)件生產(chǎn)工作的結(jié)束。

2.厚板型箱型構(gòu)件焊接工藝的主要情況

2.1主焊縫焊接順序

箱型主構(gòu)件的焊接順序如圖4所示，焊縫質(zhì)量按設(shè)計要求，在該項目中主焊縫的質(zhì)量要求為一級，每條焊縫進行100%的超聲波檢測。

2.2鋼板對接焊

鋼板對接一律采用一級焊縫，焊接形式均為坡口焊。根據(jù)板厚選擇坡口的角度，一般多為30°和60°。

2.3內(nèi)隔板的焊接

內(nèi)隔板的焊接形式，根據(jù)內(nèi)隔板的板厚與母材的板厚來確定焊接形式及焊縫高度。在本項目中均為20mm以上的厚板，故采用坡口焊接，焊接標(biāo)準(zhǔn)按重要等級分別是一級或二級。

2.4牛腿的焊接

牛腿與構(gòu)件連接的焊縫等級多為一級，因為這里是主要的受力位置，屬于重要焊接位置。

2.5柱底板的焊接

柱底板的焊接等級為一級，焊接前柱底位置箱型構(gòu)件應(yīng)預(yù)先開好坡口，焊接質(zhì)量為一級。

2.6其他連接件的焊接

其他的連接件主要有：鋼梁連接節(jié)點板，柱對接節(jié)點板，支撐連接板等。焊縫等級按重要級別分別為一級或二級。

3.厚板型箱型構(gòu)件焊接變形控制的改善分析

在箱型構(gòu)件的制作過程中，主焊縫焊接、鋼板對接、牛腿的焊接、柱底板的焊接、其他連接件的焊接都沒有產(chǎn)生過大的焊接變形。只有內(nèi)隔板的焊接，在焊接過程中產(chǎn)生了較大的變形。變形產(chǎn)生后需要對構(gòu)件進行矯正，而矯正工作也花費很多工時，這令構(gòu)件的加工效率大打折扣。針對這一突出問題，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)隔板的焊接形式主要分兩大類型：一種是內(nèi)隔板的板厚比箱型構(gòu)件的翼緣、腹板薄或者與之相等;另一種是內(nèi)隔板的板厚比箱型構(gòu)件的翼緣、腹板厚。而產(chǎn)生嚴(yán)重變形的位置主要以第二種類型為主。這一類型的變形量超出了驗收標(biāo)準(zhǔn)，最大變形量達到了25mm，嚴(yán)重地影響了構(gòu)件的質(zhì)量。

下面來分析一下造成變形的主要原因：

3.1焊縫截面積的影響

焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積大小與焊接收縮量成正比。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，并起主要的影響，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

3.2焊接熱輸入的影響

焊接過程中會產(chǎn)生熱量，一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使施焊位置附近塑性變形區(qū)增大。

3.3焊接方法的影響

不同的焊接方法所產(chǎn)生的熱輸入差別較大，在鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，同等條件下，除電渣焊外，埋弧焊熱輸入量最大。在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，埋弧焊收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。

了解了變形產(chǎn)生的主要因素，為了保證構(gòu)件的焊接質(zhì)量，對之前的焊接工藝流程進行了詳細(xì)的分析，現(xiàn)場調(diào)查工人的操作過程發(fā)現(xiàn)：按照以往的經(jīng)驗，內(nèi)隔板的焊接均是采用坡口焊，焊接前、焊接后都不做太多處理，就讓構(gòu)件自然冷卻準(zhǔn)備下一道工序。這種工藝流程在內(nèi)隔板厚度不超過翼緣、腹板時，構(gòu)件不會出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問題。而在內(nèi)隔板厚度比構(gòu)件翼緣、腹板厚時，構(gòu)件的變形就會突顯。因而，需要針對這一特點做相應(yīng)的工藝修改。經(jīng)討論后，采用的主要措施有：

（1）焊前預(yù)熱處理，在內(nèi)隔板比構(gòu)件翼緣、腹板厚時，焊接前應(yīng)做好焊前預(yù)加熱處理。根據(jù)項目構(gòu)件內(nèi)隔板的厚度明確預(yù)加熱溫度控制在120～150°左右。

（2）剛性夾具固定法控制焊后變形，針對厚型內(nèi)隔板，采用隔板附近增加相應(yīng)的剛性焊接變形約束，以此保證焊接后構(gòu)件不能產(chǎn)生明顯的變形。

（3）雙面均可焊接操作時，采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構(gòu)件中和軸對稱的焊接順序。內(nèi)隔板焊接時采用對稱焊在同一時間進行施焊，這樣保證內(nèi)隔板與構(gòu)件連接四周都能同時均勻受熱，這樣就能有效地控制該區(qū)域的變形情況。

（4）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊，焊接厚型內(nèi)隔板時，所有焊縫均采用多道焊來完成。

4.結(jié)語

在加工過程中，焊接前一定要了解構(gòu)件的設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)特點、焊接工藝及工藝流程，不同的焊接件采用不同的焊接方法，使得焊接變形得到相應(yīng)合理的控制，從而有效控制構(gòu)件整體和局部的變形，焊接變形量的減少和消除是為了構(gòu)件達到驗收條件。通過實踐不斷總結(jié)、積累與焊接相關(guān)的各種特性及經(jīng)驗，對不同問題綜合分析考慮，對問題各種因素細(xì)致分析，從中找到解決之法，從而保證構(gòu)件的焊接質(zhì)量及驗收通過率。

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（作者單位：廣西建工集團五建金結(jié)分公司）

【中圖分類號】TU973.257

【文獻標(biāo)識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）09-0124-03