超厚钢结构焊接变形控制

Ｅ＆Ｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉ工程技术　

赵字王悦　中国十五冶金建设集团有限公司　湖北武汉４３００７５　

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　中图分类号ＴＧ４７　文献标识码Ｂ　文章编号１６７２—９３２３（２０１３）０５—００８２—０３　

焊接变形机理及影响焊接变形的主要原因是由于焊接过程　中构件受到不均匀的加热和冷却，焊件各部位金属热胀冷缩的　程度不均，焊件各部分相互连接而又相互制约，不能自由伸长和　缩短，使焊件本身产生应力不均匀，导致焊件的变形。目前解决　焊接变形的方法有两种，即机械矫正法和火焰加热矫正法。机械　矫正法是利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变　形，使两者相互抵消；火焰加热矫正法是利用火焰局部加热时产　生的压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，达到矫正变形　的目的。对于小钢构件，此两种矫正方法操作起来简单易行，而　对大型结构件，必须在图纸设计和生产时提前考虑，在焊接前加　以控制，使其变形达到最小，否则大型结构件焊缝多，易变形，会　给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品成　本。　在大型钢结构的焊接中，变形是一个不可避免的问题，其主　要表现形式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；重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。　在以往的焊接生产中，我们总结了几种焊接变形的主要原　因及防治办法，效果明显。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。　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　来极大的影响。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）众焊缝截面积（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）：　△＝０．００５　ｘＡ　ｘｐｕ　ｘＬ－￣．．．……………………．（式１）　ｌ　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。　

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图１三角形钢柱截面示意　该三角柱构件长度为１０５００ｍＩｎ，截面惯性矩ＩＸ＝　１不对称构件挠曲变形控制　１．４３７６×１０９ｍｍ。，焊缝Ａ　面积为９１５．８ｒａｍ　，焊缝Ａ　的截　对于大型不对称构件，焊接后构件的挠度变形控制极为关　面积为１０４６．７ｒａｍ　，焊缝Ａ－、Ａ　对Ｉ　Ｘ距离为Ｄ　ｕ。、Ｄ　ｕ　＝　１０９ｒａｍ，按公式（１）计算，Ａ　ｌ、Ａ　焊接完成后将引起三角形　８２　Ｉ石油化工建设２０１３．０５

　构件下挠８３ｒａｍ。焊缝Ａ　３相对于Ｉ　Ｘ距离为Ｄ　ｕ３＝１３９ｍｍ，　为平衡构件的下挠变形并使构件的变形最小，焊缝Ａ　的截面　积经公式（１）计算得１５３９ｍｍ　。　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ＣＯ　气体保护焊打底焊２道。　（２）采用埋弧焊焊接焊缝Ａ　至焊脚尺寸２５ｍ　ｒｎ。　（３）采用埋弧焊同步焊接完成焊缝Ａ，、Ａ　。　（４）焊接Ａ　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土３ｒａｍ范嗣，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　成，长度为４２ｍ，制作　时上下各分三段，长度分别为１６ｍ、１３ｍ、ｌ３ｍ，．１二下分段错开。　由于构件严重不对称，若按普通的焊接：　艺方法进行焊接，．　下　两个Ｔ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Ｊ下引起的挠曲变形替加，将使中间甍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Ｂ　Ｈ进行焊接，焊接后挠曲变形计算如表ｌ所　不。　

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图２大板梁截面　图３不对称Ｂ　Ｈ中性轴分布　表１构件焊接挠曲变形计算　焊缝　构件长度　惯性矩／　焊缝面积　焊缝距中性　焊缝焊后对挠　部位　／ｍｍ　ｍｍ４　／ｍｍ２　轴距离／ｍｍ　曲影响／ｍｍ　上部焊缝　１６０００　６．１４９２４Ｅ＋１　１　６４４　８１　２　—１　下部焊缝　１６０００　６．１４９２４Ｅ＋１　１　６４４　２９１８　＋４　注：＋表示上挠，一表示下挠。　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，减少矫正工作繁，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６　ｍｍ）。考虑到下翼板为上＿Ｆ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ｌｍⅡ１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０～３ｒａｍ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０～２ｒａｍ之问。　（５）下部工字形构件制作的工艺方法　上部，唯・差别是　在下部工字形件腹板下料时预制６～８ｒａｍ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１－艺方法制造的　８根叠合形＿Ｔ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＿ｒ矫正工作最，提高产品质屠。　

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Ｂ　Ｈ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）：　△：　０．２　ｘＢ　ｘＳＩ．３…………………………………（式２、／　Ｌ一，Ｔ、’　…　ｌ一　根据上述的经验公式（２），可以定量计算出Ｔ形接头焊接　

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图４角变形　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。　辽宁大唐卑新煤制天然气项目现场施Ｔ过程中，在制作火　厚度埋件（§＝２０ｒａｍ、§＝２５ｒａｍ等）时，经常发生此类问题，都　是采用翼缘矫正机进行机械矫正，解决了现场问题。　

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　石油化工建设２０１　３．０５　Ｉ　８３　

Ｔ　上Ｔ　上　Ｅ＆Ｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｌ工程技术　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５　及公式（３）。　Ａ＝０．１×Ａ／ｔ（ｍｍ）……………………－……・・（式３）　／／一一……’　ｌ—１　．．．．．．．Ｊ　

图５焊接接头横向收缩计算示意　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６为浙江玉环　电厂大板梁整体拼接示意。　在拼接时，上翼板、腹板和下翼板的横向焊接收缩余量根据　

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图６拼接大板梁示意　公式（３）计算设置，如表２所示。　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　

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８４　Ｉ石油化工建设２０１　３，０５　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／ｍｍ　预置焊接收缩余量／ｍｍ　上冀板　１４０　双Ｕ形　３５２２　２　５　腹板　４０　Ｘ形　６５６　１．５　下冀板　３Ｏ　Ｘ形　５４４　２　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ｌ陛。如图７所示的转换大梁，如果对横向焊接收缩不加以焊　

图７纵缝焊透转换大梁截面　前考虑，将导致截面减小５　Ｉｎ．ｍ，影响构件的使用。　对于图７所示截面，单一腹板与翼板焊接接头的焊缝面积　为２１８７ｒａｍ　，根据公式（３）计算的接头焊接收缩量为２．７ｒａｍ，　ＢＨ焊接后整个截面收缩量将达到５．４ｍｍ，严重超出ＢＨ规定　的公差范围土２ｒａｍ。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ＢＹ［的装配　后尺寸比图样尺寸大５ｍｍ，确认后再进行焊接。　

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　能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。　（收稿日期：２０１３－０６—０８）　

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