2006年第4期CONSTRUCTIONSAFETY 建筑安全
焊接H型钢,在建筑结构中关键的要求是外形
美观。本文着重讨论的是广西某厂高压溶出主厂房
钢结构工程,高压溶出主厂房钢结构构件制作
1465t,其中H型钢柱778t。因其承载天车的重量较
大 (260t),所执行的企业 (内控)标准比国家标准
高的多。因此对施工提出较高的要求,制作时很多
部位的焊缝要求全熔透焊 (I级合格)。根据其结构
的特点在不同部位制定不同预变形控制,以及变形
后的一些处理方法。为保证熔透焊,在零件的组对
及坡口形式做了一些改变,取得令人满意的结果。
这里就焊接H型结构形式构件在制作中如何保证其
制作质量,所需要的一些工艺设计作如下论述和探
讨。
一、H型钢焊接变形控制工艺设计探讨
1.结构特点
近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快 (构
件为预制,与土建基础部分可同时施工)、外形色
彩美观、时尚、环保 (拆除时较砼结构易处理)得
到较快发展。这种结构形式,大多采用的是焊接H
型钢。这种结构形式虽然简单,但对外观要求较
高。因此对焊接变形的控制、校正尤其重要。广西
某厂高压溶出主厂房钢结构形式如图1。在其制作
中要注意以下几个方面:
2.制作要点
①对于本工程制作 (门型钢架)的要点
(1)钢柱部分在牛腿处3700㎜范围内所有焊缝
要求全熔透 (该天车的自重加起重荷载很大)。无损
检测应达到GB11345的I级标准。
(2)钢梁联接板处的焊缝也是同样的要求。
(3)梁与柱、梁与梁联接高强螺栓顶紧接触面
应有75%的面积紧贴 (用㎜塞尺检查,其塞入面
积应小于25%,边缘间隙不应大于)。
(4)翼缘板与腹板焊接后的角变形△≤2㎜ (本
企业内控标准。国家标准△≤3㎜)。
②焊接过程中的难点
(1)对于钢柱牛腿处的熔透焊 (钢板厚度δ=
25mm)的焊接量非常大。两个电焊工需工作4天方
可完成 (首件)。
(2)在钢梁焊接中,容易出现以下几种较难处
理的变形 (非对称):翼缘板与腹板焊接,见图2;
连接板与 “H”型钢焊接,见图3。
③产生变形原因
产生变形原因是焊接应力。金属焊接时是在局
部加热、熔化的过程。焊缝加热区受热膨胀,而周
围的母材还处于冷态或加热温度不高状态,因而对
H型钢结构焊接质量控制工艺问题探讨
○林荣忠 (广西柳州十一冶有限责任公司)
施工技术
图1 某厂高压溶出钢结构厂房简图
图2 翼缘板与胶杆变
形简图
图3 H型钢与连接板焊接
变形简图
牛腿
②钢梁,重7t
④吊车梁
③多功能吊车梁
①钢柱高18m,宽,重6t
腹板翼缘板
翼缘板
腹板
连接板
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焊接区受热母材的膨胀起约束作用,焊接区因此受
压应力,而母材受拉应力。随着电弧的前移,已
完成的焊缝和热影响区冷却并收缩,而周围的母
材起约束其收缩作用。在这种作用下产生的是焊
接应力,金属冷却后还存在不对称焊接残余应力。
残余应力方向不同 (横向、纵向及母材厚度方向),
根据应力大小及构件的结构型式、约束程度,产生
的变形方向也不相同,因而产生变形结果也不相
同。
二、焊接工艺分析
由钢梁、柱的制作要点可知,它既要满足高精
度的外形尺,又要保证高要求的焊接质量。同时应
根据如何提高施工进度等原则来制定工艺。
1.牛腿处焊接 (熔透焊I级)的难点
①焊缝集中,钢板较厚 (δ=25mm)。
②位置狭小,不便操作。
③构件长达18m,重达6t多,摆放、翻身较困
难。
2.焊接工艺设想
根据上述情况,工艺的制定主要是满足焊透
及焊后的变形控制。由于板厚按常规焊接,这样
的规格大多数采用双面55°坡口形式。这种坡口形
式焊接的优点是,焊缝对称,焊接填充少,焊后
的变形及整体侧弯较小。但由于操作位置小,清
根很难,内部质量很难保证。根据这样的原因,
我们同各单位技术人员制定了单面40°～45°坡口,
不留钝边。采用C02气体保护焊填充,背面清根的
工艺。
3.焊接工艺方法
在操作过程中为防止变形 (T焊缝处的角变
形,及整体构件侧弯超差),各零件的尺寸要精
确,在组对时要做到 “顶紧”。由于焊缝交叉处
40～50mm范围内无法清根 (碳弧气刨,磨光机都
因位置无法处理)因此在零件下料时四个角50mm
范围内短2㎜;组对时此处预留出2～3mm组对间
隙,选用CO2气体保护焊接,因其焊丝的直径只
有%直接扎到根部穿透能力强可保证焊透;
由于是气体保护,不易出现夹渣,同时受热面积
小,焊后的变形量也较小。为防止整体侧弯和焊
缝外形的美观,构件要在专用平台上焊接。所有
的焊缝填充时不可一次焊完,均要分二次完成。
焊接位置尽可能焊平角缝,少焊立缝。为加快施
工进度,背面清根选择在构件侧立时即一侧焊接
另一侧清根同时进行。依据情况具体确定参数如
见表:
三、焊接变形控制与矫正
前面从理论上知道焊接应力是产生焊接变形的
原因,是焊接过程中不可避免的问题。消除焊接应
力对于这种钢结构件从经济的角度是不可取的,解
决的办法通常有三种:一是预变形。对于结构简
单,零部件组合较单一的构件易采用。二是使之对
称变形,H型钢焊接通常产生的角变形 (对称)用H
型钢矫直机可解决。三是变形后的矫正。
对于前面提到的两种变形 (图2、图3)是处理
较困难的变形。这些变形产生的原因,对于 (图2)
的变形来说与焊接顺序及两侧焊接线能量不均有
关。这种变形的矫正方法一般采用火焰加热方法
矫正。对于个别变形量较大还需配千斤顶撑,见
图4。
四、采取预防的方法和产生的效果
1.腹板选用对称的坡口形式,自动焊使用相同
施工技术
CO2主体保护杆参数确定表 表1
图4 焊接变形矫正示意图
千斤顶
加热
翼缘板
腹板
项 目 焊丝直径 (mm)$$ 电流 (A) 电压 (V)
焊接速度 (m/h)
C02气体保护焊 % 180～200 25～346～8
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的焊接工艺参数。若使用手工焊可采用对称的焊接
顺序,以及翼缘板固定在钢平台上施焊等。
2.组对时采用预变形的方法来控制,见图5(数
字及顺序经实践验证效果理想)。
对于 (图3)的变形,产生的原因是腹板与连接
板要求焊透,热量过大产生的。这
种变形产生后矫正较为困难。矫正的方法是采
用火焰加热 (加热区域见图6涂黑处)。加热的温度
应在正火温度以内600～800℃左右,钢板
外观呈暗红色。这种方法实际是将上、下翼缘
板 “烤短”
(即使钢板经加热冷却后收缩),因此根据实际
情况在下
料预留焊接收缩余量时考虑进去。收缩余量值
一般
根据经验留取,也可以利用经验公式计算:
1)单道焊纵向收缩量
△L=K1×AW×L/A(1-1)
式中:△L—纵向收缩量㎜
AW—焊缝截面积mm2,
(焊脚高hf=10mm)10×10÷2=50
A—杆件截面积mm2,
400(宽)×20(厚)×2(上下翼缘板)
+14(厚)×865(高)=28110
L—杆件长度mm, (13500mm)
K1—与焊接方法、材料热膨胀系数和多
成焊层数有关的后焊角焊缝系数,对于不同焊接方
法、系数K1的数值不同:CO2焊,K1=;埋弧焊,
K1=;手工电弧焊,K1=～。
计算:△L=k1×AW×L/A=×50×13500/
28110=×4(纵焊缝数)=
2)单道焊纵横向收缩量△B=
(1-2)
式中:△B—横向收缩量mm
Aw—焊缝截面积mm2
(焊脚高hf=10mm)10×10÷2=50×2
(两侧)=100
δ—板厚14mm
b—根部间隙 (清根后6～8mm)
计算:△B=
×2(俩侧)=
3) “烤短”值=
4)合计:++=为下料预留焊接
收缩余量 (考虑实际其它因素还应加大些)。
这种 “烤短”方法虽然可行,但对操作工人的
技术、经验要求较高。况且非常费时、费气 (氧、
乙炔)。如何控制这种变形,我们采取的方法是在
保证焊透的前提下,尽可能减小坡口角度。使用
CO2气体保护焊,挑选技术较好的焊工施焊,减少
返修 (清根)等方法来控制。
以上这些措施和矫正办法在我厂电解铝厂房钢
结构制作过程中取得较好的结果,受到质量监督站
的好评。
(本文收稿:2006-03-03)
施工技术
图6 火焰矫正法简图图5 预变形控制法简图
后焊角焊缝
临时组对撑杆临时组对撑杆
先焊角焊缝 (埋弧自动焊)
翼缘板 腹板
连接板
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