本站原创【摘 要】目前焊接已成为钢结构制作的主要连接方式,但是在焊接过程中不均匀加热引起的变形,是钢结构制造中所遇到的一个普遍问题.如何防止焊接变形愈来愈成为钢结构制作的关键.本文就一些结构制作工程施工中存在的焊接变形问题进行分析与研究,指出防止焊接变形在结构制作中具有十分重要的作用.
【关 键 词】钢结构；焊接；变形；分析；控制
前言
焊接作为钢结构制作和连接的主要技术,已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中.然而,焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能,如果严重的话甚至会导致焊件报废,给企业造成直接经济损失.特别是在大型钢结构件的焊接作业中,这一问题表现得尤其突出.有鉴于此,必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析,并采取有力措施控制焊接变形量,以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量,降低企业生产成本.
一、工程概况
某工程为主跨为6连跨钢架结构,每跨36m,偏跨为30m钢结构排架结构,屋面梁为焊接桁架,厂房长：320m,总面积：83000m2,其中转炉区域为7层高层框架,总用钢量为26000t,工程造价2.3亿元,施工工期为4个月（含制作、安装）,由于工期较短,工程量大,任何的焊接变形都可能对工程进度和成本产生不利的影响,因此解决焊接变形成了项目部的公关课题.
二、钢结构制作施工中存在的焊接变形及其防止措施
1.采用合理的装配和焊接顺序防止焊接变形
图1是该钢厂偏跨厂房结构的屋架示意图,由图示可以看出,这一屋架最明显的结构特点是屋架的上下弦是由组对的丁字型钢梁构成.丁字型钢梁在焊接中是最易产生变形的构件,如果不采用合理的装焊顺序,产生的焊接变形会给制作带来很大困难.下面是几种制作工艺方案的比较.
第一种方案是先组对焊接丁字型钢梁,矫直后再整体组对.由于丁字型钢梁为不对称构件,因此组对、焊接后会产生向翼板一侧很大的弯曲变形,矫正起来要花费大量工时,给制作带来很大困难；第二种工艺方案是整体组对后再焊接,这样,采用一定的焊接顺序可以最大程度减小变形,使构件外观形状、尺寸合乎质量要求.另一方面,我们知道,屋架在使用时的受力情况是,上弦受轴心压力,下弦受轴心拉力.但在制作过程中,因是整体组对后焊接,整体组对实质上相当于形成一个刚性的封闭系统,那么,在焊接上下弦焊缝时,周围的构件会对它产生约束作用,焊接冷却后,上下弦焊缝处会产生残余拉伸应力,在使用过程中,此残余应力与下弦轴心拉应力相叠加,使构件承载能力降低,进而降低构件的使用寿命.并且整体组对后,上下弦焊缝不能采用埋弧自动焊进行焊接,延长制作工日；第三种工艺方案,是将上下弦分别组对成如图2所示的H型钢,H型钢的高度分别为上下弦丁字型钢高度的两倍,再按如图2所示的焊接顺序采用埋弧自动焊进行焊接,经矫直机矫直后从中间采用气割切开,这样,构件焊接过程中,焊接变形小,残余应力小,并且能采用自动焊焊接.比较以上三种施工方案可以看出,第三种方案既能防止焊接变形,又不降低构件的承载能力,而且还可以采用埋弧自动焊焊接上下弦焊缝,减少了制作工日,比较切实可行.
如图3所示是该钢厂吹氧梁构件图,可以看出,这一构件的特点是构件的焊缝布置对于结构重心线极不对称.因此,构件在制作焊接时极易产生侧向弯曲变形及扭曲变形.制作这种构件的关键是采用合理的装配和焊接顺序及规范防止焊接变形.
比较如图4所示的两种装配焊接方案,第一种方案是先总装,再采用一定的焊接顺序,由于构件结构复杂,总装成一体后,焊缝较多且布置不对称,因此,焊接时变形不好控制,会因焊缝在箱形梁一侧分布过密而产生侧向弯曲变形；第二种焊接方案则考虑了焊缝布置在一侧极为过密的特点,将构件分解为如图4（b）所示的件1、件2和件3三个部件,先按如图4（a）所示的焊接顺序并采用段焊,分别焊接件1和件2,然后再按图4（b）整体装配并采用如图所示的焊接顺序,用分中退焊的焊接方法进行焊接,在焊接焊缝1时采用较大的焊接电流,这样就解决了焊缝布置极不对称的问题,避免了构件弯曲及扭曲变形的产生,是一种合理的焊接方案.
2.采用反变形法防止焊接变形
反变形法防止焊接变形就是在焊前进行装配时,先将焊件向与焊接变形相反的方向进行人为地变形,以达到焊后与焊接变形相抵消的目的.
图5为该炼钢炉炉柱示意图.炉柱是由两工字钢,一面通过盖板,另一面通过中间垫板连接的,总长约11m,制作要求炉柱的弯曲度不大于±5mm,要求较严,而由图示可分析,设计的构件焊缝对于结构重心线布置极不对称,且构件长度较大、刚性小,焊后极易产生如图5所示方向的弯曲变形,因此,制作过程中,防止焊接变形便成为关键问题.经过分析,决定采用反变形法.如果采用永久反变形法,就需要在装配前用压机将两工字钢顶出相当于焊接变形量的永久变形,然后进行装配,在焊接后,构件恢复原状.这种方法虽然能保证构件几何尺寸要求,但预先永久反变形需要的人工量相当大,而且要预先计算出反变形量,不但不容易做到,也不经济.如果采用弹性反变形方法,将组对好的炉柱无盖板的一面朝下放置,炉柱下部中心垫高,垫高量为60mm左右,依靠自身重力,再加两侧施加一定压力,使之产生弹性反变形,再由两名焊工从两侧采用分中对称焊接方法同向施焊,防止产生扭曲变形,待焊接冷却后,将两侧压力去掉,则构件几乎不会因焊接而产生变形,达到侧弯质量要求,这种制作工艺方法简单易行,效果好,且经济.
三、结束语
如果在制作施工过程中,忽视焊接变形的影响,在某些情况下会给施工的顺利进行带来严重的影响,同时返工将造成大量的人力和财力的浪费,因此,在施工准备过程中,应当根据结构特点,分析结构焊后可能出现的焊接变形,充分运用焊接变形产生的规律、针对具体构件的结构特点采取合理方法消除和最大程度减小构件因焊接而产生的残余变形,编制防止焊接变形的施工方案,以保证工程质量,提高企业的经济效益.在该工程的施工中由于严格按照制定的施工方案组织施工,未产生返工现象,保证了施工工期,经测算提高经济效益约2%.