鋼結(jié)構(gòu)用焊接H型鋼制作及焊接變形控制

姚小彬，劉殿民，趙會(huì)偉，王林昌，張 玲

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

H型鋼屬于高效型材，具有更為合理化的強(qiáng)重比，與一般鋼材相比，其抗彎能力優(yōu)越，施工應(yīng)用簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)重量較輕，經(jīng)濟(jì)性良好，因此在鋼結(jié)構(gòu)中較多使用H型鋼。焊接H型鋼在工業(yè)建筑中使用較多，但是由于尺寸較大，提升了控制焊接變形的難度，現(xiàn)圍繞焊接H型鋼的焊接變形控制與制作兩方面問(wèn)題展開(kāi)研究。

1 焊接H型鋼存在的主要問(wèn)題

H型鋼主要有焊接H型鋼與熱軋H型鋼兩種類型，熱軋H型鋼能夠滿足民用建筑與工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求，同時(shí)采購(gòu)過(guò)程更加便利，因此其使用率高于焊接H型鋼。生產(chǎn)廠家的集約化生產(chǎn)體系與專業(yè)化的生產(chǎn)設(shè)備可以保障鋼材符合制作精度標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)于變形也能夠產(chǎn)生良好的控制效果，使用中不需要對(duì)鋼材實(shí)施二次校正，因此適用于施工活動(dòng)中。但是，如果施工單位需要的H型鋼數(shù)量較低，屬于小批次生產(chǎn)任務(wù)，或者對(duì)于H型鋼的結(jié)構(gòu)有特定要求，就無(wú)法通過(guò)專門(mén)的生產(chǎn)廠家完成生產(chǎn)與加工，施工單位需自行加工所需的鋼結(jié)構(gòu)。由于缺少專業(yè)化的設(shè)備和加工制造經(jīng)驗(yàn)不足，加工出的焊接H型鋼可能存在焊接變形等問(wèn)題，因此必須開(kāi)展人工校正，否則難以達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，降低了施工質(zhì)量和工作效率。

2 制作焊接H型鋼的方法

2.1 放線與下料

制造H型鋼的基本流程包括確定原材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)，合格證明是否齊全；對(duì)接鋼板；無(wú)損檢測(cè)并完成矯正；采用半自動(dòng)或者全自動(dòng)系統(tǒng)切割下料；拼裝H型鋼；采用埋弧自動(dòng)焊接技術(shù)校正翼板；調(diào)節(jié)旁彎與拱度；采用精密化切頭劃線并打磨鉆孔；完成酸洗、油漆以及噴字。

焊接H型鋼的組成部分包括加強(qiáng)肋、腹板、下翼緣與上翼緣。不同型號(hào)的H型鋼，對(duì)于加強(qiáng)肋、腹板以及下、上翼緣的板材規(guī)格也存在不同的要求。鋼梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，截面形式豐富，數(shù)量多，因此在下料與放線環(huán)節(jié)中需要充分考慮制作效率與制作精度，盡可能地降低返工概率，爭(zhēng)取一次達(dá)到制造標(biāo)準(zhǔn)。下料前期，通過(guò)火焰矯正與手工矯正結(jié)合的方式精準(zhǔn)矯正板材平整度，完成矯正之后，鋼材表面禁止出現(xiàn)損傷或者凹面，劃痕深度控制0.5mm以內(nèi)。鋼板的平整度要求如下，板厚小于或者等于14mm，可允許偏差控制在1.5mm，如果板厚超過(guò)14mm時(shí)，可允許偏差控制在1.0mm以內(nèi)。

通過(guò)CAD軟件完成材料排版任務(wù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切割、精確放樣，同時(shí)也要避免出現(xiàn)浪費(fèi)材料，增加加工成本的情況。下料時(shí)需要使用形成切割變形幅度較小的火焰數(shù)控切割機(jī)設(shè)備，以此提高切割精度，縮短加工時(shí)間，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。如果在切割階段使用半自動(dòng)化切割設(shè)備，會(huì)降低切割目標(biāo)的精度，同時(shí)切割效率較低；使用剪板機(jī)切割板材時(shí)，由于切割長(zhǎng)度受限，需要進(jìn)行二次拼接，增加加工時(shí)間，加大勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 組對(duì)與拼裝

焊接H型鋼可用的組對(duì)方法為平鋪組對(duì)法與直立組對(duì)法。

使用平鋪組對(duì)法，需要按照鋼梁的型號(hào)，制作出一組工裝支架，將腹板放置到工裝支架的平臺(tái)中間處，通過(guò)行車系統(tǒng)分別吊運(yùn)下翼緣與上翼緣，使其放置在工裝支架左右兩側(cè)設(shè)置的卡槽中，采用點(diǎn)焊的方式對(duì)預(yù)設(shè)線和翼緣加以固定。平鋪組對(duì)法可以較好的應(yīng)用于大批量生產(chǎn)活動(dòng)中，但是也存在不足，組對(duì)時(shí)所應(yīng)用的支架結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到鋼梁翼緣寬度的限制，如果鋼梁類別較多，需要依照翼緣的具體寬度制作多種工裝支架。通過(guò)平鋪組對(duì)法焊接H型鋼，可以同時(shí)兼顧加工質(zhì)量、加工效率與加工安全三方面的技術(shù)需求。拼接翼緣板時(shí)，可依照其長(zhǎng)度方向完成拼接，腹板拼接和翼緣板拼接縫之間的距離需在200mm以上，翼緣板拼接長(zhǎng)度需要超過(guò)板寬的2倍數(shù)值，同時(shí)腹板拼接寬度需在300mm以上，長(zhǎng)度也應(yīng)超過(guò)600mm，在組裝焊接H型鋼前需要完成拼接以及焊接工作。

直立組對(duì)法是小批量生產(chǎn)中常用的方法。利用經(jīng)緯儀設(shè)備測(cè)量鋼平臺(tái)，確定其是否滿足平面度要求，確定鋼平臺(tái)無(wú)任何問(wèn)題后，放置鋼梁的單側(cè)翼緣，將勾鐵以均勻的方式布設(shè)到翼緣兩側(cè)區(qū)域。校正腹板后，通過(guò)行車系統(tǒng)在預(yù)設(shè)位置進(jìn)行點(diǎn)焊與固定，將斜撐設(shè)置到腹板兩側(cè)區(qū)域，避免腹板出現(xiàn)傾倒情況。使用行車系統(tǒng)對(duì)另外一側(cè)翼緣進(jìn)行吊運(yùn)，達(dá)到腹板上方實(shí)施點(diǎn)焊固定。直立組對(duì)法劣勢(shì)較為明顯，在吊運(yùn)過(guò)程中晃動(dòng)幅度較大，行車占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，相比平鋪組對(duì)方法，精度存在偏差，安全水平較低，穩(wěn)定性較差。

2.3 焊接

實(shí)施焊接時(shí)，需要結(jié)合焊接對(duì)象選擇焊接方法，當(dāng)焊接量較高，鋼梁數(shù)量較大時(shí)，可選擇手工焊的方法，但是這種方法的人工勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，焊接速度較慢，外觀成形效果較差，控制焊縫寬度的難度較高，如果按照常規(guī)勞動(dòng)力水平進(jìn)行安排，每天每人只能完成約20m的焊接任務(wù)，整體效率較低。因此，可以通過(guò)埋弧自動(dòng)焊技術(shù)，提升焊接效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使用焊機(jī)進(jìn)行焊接，每天的焊接量可達(dá)到76m以上，同時(shí)可以形成飽滿的焊縫[2]。

選擇埋弧自動(dòng)焊技術(shù)后，需調(diào)試工藝參數(shù)，按照焊接等級(jí)、焊腳尺寸以及板厚等要求，設(shè)置焊接速度、焊接電壓與焊接電流。按照焊接H型鋼標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)圖紙的要求，進(jìn)行工藝評(píng)定，以此確定不同的工況下焊接參數(shù)的匹配值。當(dāng)腹板厚度是16mm，翼板厚度是20mm時(shí)，電流范圍是390A～480A，電壓范圍需控制到30A～46A，行車速度應(yīng)調(diào)節(jié)成19cm/min；當(dāng)腹板厚度是12mm，翼板厚度是14mm，電流范圍30A～32A，行車速度應(yīng)是19cm/min；腹板厚度是10mm，翼板厚度是12mm，焊接電流低于390A～400A，電壓低于30A～32A的范圍，行車速度應(yīng)同樣為19cm/min；腹板厚度僅為8mm，翼板厚度僅為12mm，焊接電壓標(biāo)準(zhǔn)為30V～32V，焊接電流是380A，行車速度與前幾種工況保持一致，為19cm/min。

鋼梁的總焊接量較大且數(shù)量偏多時(shí)，為了滿足焊接加工標(biāo)準(zhǔn)，按時(shí)完成焊接加工任務(wù)，可先制作出工裝平臺(tái)，以斜支撐的方式斜角擺放，完成組對(duì)環(huán)節(jié)鋼梁。將軌道鋪設(shè)至工裝平臺(tái)一側(cè)，以此滿足埋弧自動(dòng)焊技術(shù)需求，參考鋼梁具體型號(hào)調(diào)整軌道高度及工裝平臺(tái)與軌道之間的距離，優(yōu)先使用可移動(dòng)式、可調(diào)式軌道。應(yīng)用組合式鋼梁平行放置機(jī)構(gòu)，為埋弧焊機(jī)提供運(yùn)行軌道，依照鋼梁型號(hào)快速調(diào)整。此種方法更加靈活，應(yīng)用過(guò)程也較為簡(jiǎn)單，在控制焊接變形時(shí)，斜撐式工作平臺(tái)可發(fā)揮作用。

3 控制焊接H型鋼變形的建議

3.1 焊接H型鋼存在的變形問(wèn)題

制作H型鋼的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鋼材變形問(wèn)題，有效預(yù)防變形。如果采用的焊接工藝不合適或者裝配質(zhì)量不符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，處于成型狀態(tài)的H型鋼在受熱條件下會(huì)產(chǎn)生變形，且存在多種變形情況，如上拱彎曲變形，下翼板、上翼板出現(xiàn)角變形以及扭曲變形。如果H型鋼梁產(chǎn)生的變形幅度未超出允許范圍，這種變形問(wèn)題不會(huì)影響鋼梁的正常使用；但是當(dāng)變形幅度超出允許變形范圍時(shí)，鋼梁的安裝質(zhì)量會(huì)受到直接影響，尤其在施加外部荷載作用后，鋼結(jié)構(gòu)的使用功能無(wú)法達(dá)到預(yù)期。因此，需要通過(guò)返修與校正的方式盡量縮小變形幅度，同時(shí)還需要考慮局部應(yīng)力的問(wèn)題，避免過(guò)多地使用材料，增加加工難度。

角變形是比較典型的變形問(wèn)題，其主要形成原因是焊縫上產(chǎn)生的橫向收縮順沿板厚以不均勻的方式分布。鋼件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊縫不對(duì)稱以及焊件斷面形狀不完全對(duì)稱時(shí)，受到焊縫收縮的影響，會(huì)產(chǎn)生變形。

3.2 提升組對(duì)與下料的精度

控制鋼梁變形時(shí)，可以從組對(duì)以及下料環(huán)節(jié)切入。板材下料時(shí)，產(chǎn)生的誤差大于允許偏差，便會(huì)影響后續(xù)組對(duì)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致強(qiáng)行組對(duì)結(jié)果，構(gòu)件也會(huì)因此出現(xiàn)變形與應(yīng)力問(wèn)題，進(jìn)入焊接階段時(shí)，焊接變形將更為嚴(yán)重，最終構(gòu)件出現(xiàn)整體變形的情況[3]。翼緣板角變形的主要形成原因就是板材的平整度出現(xiàn)超差或者組對(duì)存在偏差。

下料加工前期需要給原有板材實(shí)施平直矯正處理，采用數(shù)控型火焰切割機(jī)完成切割任務(wù)，依照板材的實(shí)際厚度要求，選擇相互匹配的割嘴，數(shù)控切割環(huán)節(jié)使用對(duì)稱切割可以形成較好的變形控制效果，使板材兩邊區(qū)域均勻受熱，變形幅度基本一致，切割變形得到有效控制。在加工前提之下，需使用專門(mén)的工裝型胎具，控制變形，避免應(yīng)力過(guò)度集中，保障裝配質(zhì)量。

3.3 對(duì)焊接順序與焊接工藝展開(kāi)有效控制

焊接H型鋼梁變形情況受焊接順序與焊接工藝的影響，因此實(shí)施焊接前，需要充分結(jié)合焊接方案中的焊接等級(jí)、材料的材質(zhì)與厚度對(duì)焊接工藝進(jìn)行篩選，盡量消除變形隱患。埋弧自動(dòng)焊技術(shù)適合焊接H型鋼的加工，按照鋼梁型號(hào)以及評(píng)定結(jié)果選擇工藝，面對(duì)型號(hào)存在差異的鋼梁時(shí)，焊機(jī)的送絲速度、電流以及電壓要有所區(qū)別。選擇對(duì)稱焊接工藝時(shí)，焊接順序?yàn)橄群缚p打底焊，再采用翻身焊接焊縫，然后進(jìn)行二次翻身焊接，繼續(xù)焊接焊縫。

在一定焊接條件下，焊接復(fù)雜且規(guī)模較大的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可將其分解成若干部件，相比原本的鋼結(jié)構(gòu)，部件的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行單獨(dú)焊接，而后再將其組裝成整體。開(kāi)展焊接工作時(shí)，可以拉近結(jié)構(gòu)截面上的中性軸與焊縫之間的距離。實(shí)施裝配焊接時(shí)，如果需要布置不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的焊縫，需要先對(duì)焊縫數(shù)量較小的一側(cè)進(jìn)行焊接，針對(duì)焊縫對(duì)稱的鋼結(jié)構(gòu)可指派偶數(shù)數(shù)量的焊工進(jìn)行焊接。如果焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，超過(guò)1m，應(yīng)注意控制收縮變形。在后期焊接與前期組對(duì)環(huán)節(jié)中，應(yīng)保障焊接接頭有均勻熱量，消除應(yīng)力并縮減變形情況，面對(duì)焊縫應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)檢查搭接長(zhǎng)度、坡口角度與對(duì)接間隙，按照焊接規(guī)范完成焊接任務(wù)。

3.4 實(shí)施反變形控制

翼緣傾斜角變形以及下?lián)献冃螁?wèn)題的校正難度較高，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制校正后，會(huì)形成過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，局部區(qū)域隨之產(chǎn)生死角，盡管有效校正翼緣邊緣，但是翼緣與腹板翼緣的連接處產(chǎn)生的折彎變形狀況難以得到校正[4]。因此，考慮到焊接H型鋼梁時(shí)焊縫高度較大，可以在翼緣板頂進(jìn)行反變形處理，依照翼緣板的厚度與寬度，設(shè)置反變形，相應(yīng)高度是翼緣板寬度/100，結(jié)合翼緣板的實(shí)際厚度與梁構(gòu)件的跨度，設(shè)置預(yù)起拱，其高度是梁截面高度/200，可以克服下?lián)系淖冃巍?/p>

如果鋼梁尺寸相對(duì)較小，可設(shè)置兩根背靠方式的鋼梁翼緣板，將小型方鋼墊在翼緣板中間，形成反變形系統(tǒng)。如果鋼梁尺寸較大，可借助勾鐵將翼緣板楔在平臺(tái)上，同時(shí)將小型方鋼設(shè)置在平臺(tái)與翼緣板之間，同樣可以產(chǎn)生反變形作用。大型鋼結(jié)構(gòu)控制變形時(shí)，可以通過(guò)預(yù)先增加剛度的方法，在焊接主要框架前，增設(shè)工字梁等大型結(jié)構(gòu)部件，提升鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，有效控制焊接變形。

4 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)中的焊接H型鋼需要滿足強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的要求，因此需要嚴(yán)格控制各個(gè)制作環(huán)節(jié)，考慮焊接變形問(wèn)題，采用如埋弧自動(dòng)焊技術(shù)等合適制作工藝，保障鋼結(jié)構(gòu)的安全性。相關(guān)人員應(yīng)不斷優(yōu)化施工技術(shù)，精選材料，提升H型鋼的加工效率，提供高質(zhì)量的H型鋼，用以支持工程建設(shè)。