钢结构工程焊接技术的重点、难点及控制措施

29INSTALLATION2007年2月第2期总165期Feb.2007No.2TotalNo.165钢结构工程焊接技术的重点、难点及控制措施摘要:针对钢结构工程焊接技术的重点和难点，按多年来的工程实践经验主要阐述实用焊接变形的控制措施和方法：焊接残余应力的控制措施；焊接裂纹的防治措施；焊接工艺评定的范围；焊缝质量检查；框架结构制作与安装焊接；安装焊接工艺；钢结构变形的预防等。关键词:焊接变形；残余应力；裂纹；焊接工艺；钢结构变形；控制措施中图分类号:TU393，TG457.11文献标识码:B文章编号:1002-3607（2007）02-0029-04（长江精工钢结构集团股份有限公司，浙江绍兴31203）孙关富杨文柱陈志江崔嵬马文韧钱琳·焊接技术·1概述钢结构焊接时，焊接热源对结构不均匀加热引起的结构形状和尺寸的变化，称为焊接变形。在变形的同时，结构内部还产生应力、应变，因为这时结构并未承受外载时，就存在这些应力，所以这些应力居于内应力范畴，称为焊接残余应力。属于不均匀分布的自平衡内应力。焊接变形及应力在焊接过程中往往是难以避免的，将影响到焊接结构尺寸精度和焊接接头的强度，轻者需耗费不少人力、物力去矫正、修理，严重的会使构件报废。此外，焊接变形和应力对焊接结构以后使用时的承载能力也产生不可低估的影响。焊接残余应力和焊接变形是能量存在同一构件的不同形式，服从于能量存在同一构件的不同形式，服从于能量守恒定律；它们相辅相成，并互相转化，减少一方必须增大另一方：设：焊缝的总能量为E总，E总=E有+E损+ρ残+ε=1（1）（1）式中，E有—冶金反应时的有用能；E损—无用能，损耗能；ρ残—焊接残余应力；ε—焊接变形。当焊接完成后，构件中只存在两种能量形式；E残+ε=c＜1（2）c—常量于是（2）式就是有了工程应用的价值，这就是我们在工程实际中控制焊接残余应力和焊接变形的基本观点。从事钢结构设计、制作安装的技术人员必须了解和掌握焊接变形及应力产生的原因及其基本规律、影响因素，以便在制作安装过程能够控制焊接变形和应力。2焊接应力与变形的控制2.1焊接变形的控制2.1.1尽量减少焊缝的截面积，施焊量以满足连接需要即可，俗话说：“不过焊”，（对一般的角焊缝）是按照有效焊脚尺寸来决定其焊缝强度的，所以对于凸出很高的焊缝，多出的焊缝金属，按规范作用并不能提高其许可强度，反而增大了应力集中系数，削弱了坡口的综合性能。对厚板，对接焊缝，可采用U型刨边形成U型坡口，可进一步减少焊缝金属量。2.1.2焊缝的数量愈少愈好，每条焊缝尽量采用多层多道焊，厚板焊接特别要注意。2.1.3环绕中和轴的焊缝要平衡：应用对称施焊的原则，使一个收缩力对另一个收缩力互相平衡的办法，也同样可以在设计和焊接工序中有效地的控制变形；2.1.4采用逆向回焊法施焊。当焊接总进程从左到右时，则每一焊道的施焊却应从右到左，也就是分段侧焊法。因为每道施焊后，沿焊缝板内侧处的热量将导致该处膨胀，而使两快板暂时向外分开；但当热量在板内侧向外扩散后沿板外缘的膨胀又会使板合拢。2.1.5将收缩力引至有用的方法，即采用反变形法。施焊前采用焊件有意偏置的办法有可能较好地利用收缩力，如某些组合件在焊接前预先装偏一些，使其预偏量30第2期No.2钢结构工程焊接技术的重点、难点及控制措施恰好可使收缩后的板件回到所需求对准位置上来。将焊接前的部件进行预弯或预拱，就是用机械方法产生反向力来抵消收缩力的简单例子。2.1.6用反力来平衡收缩力。其反向力可以是：①其它的收缩力；②夹具等产生的约束力；③各构件装配成组合件时的约束力；④构件重力拱度向下所产生的反力。平衡收缩力的一种通常做法，是将同等焊接件背靠背的紧夹在一起，然后将这两个组合件焊好，待其冷却后再将夹具松开。预弯法也可以和这种方法结合起来，即在夹紧前，在两个构件合适的地方打入楔块。对小型组合或零部件，控制变形最常用的方法多半采用夹具和卡具等装置将部件固定在一定的位置上，直到全部焊好为止。如前所述，夹具引起的约束力将使焊件内应力加大，直到焊缝金属达到屈服为止。对低碳钢板典型焊缝来说，其屈服点很可能接近311N/mm2。通常以为当焊好的部件从夹具上取下后，内应力会引起显著的变形，但实际上并不会出现这种情况，因为该应力引起的应变ε（单位收缩量）。与无约束焊接所产生的变形，相比是轻微的。这是因为应力大于等于屈服点时，会产生微小变形从而释放应力所致。2.1.7施焊顺序的合理安排。安排得很好的施焊顺序往往有助于收缩力的相互平衡。也就是事先有意安排对结构不同部位进行施焊，使某一处的收缩力和已焊的收缩力相抵消。如对焊缝中的中和轴对两侧交错施工焊、就是其中的一个简单的实例。2.1.8焊接时或焊接后的收缩力的消除。锤击法是一种消除收缩力的方法，只是这种方法现在还有争议，这一种在焊缝上施加外力的机械方法，从而消除残余应力。在进行点锤击时，常用“三点锤，三点不锤”的原则；即在一定的层面温度中锤击；在一定频率下锤击；在一定力道下锤击；焊道根部不锤；等材不锤；焊道表面不锤，回状锤击应当严格掌握。2.2焊接残余应力的控制措施减少焊缝尺寸；减小焊缝拘束度；采用合理的焊接顺序；降低焊件的刚度，创造自由收缩的条件。2.3焊接裂纹的防治措施合理选择焊接材料控制焊缝的化学成份，降低母材及焊接材料中形成低熔点共晶物即易于偏析的元素，如S、P含量；目的是防止热裂纹的产生。控制焊接工艺参数，电流和焊缝速度，使各焊道截面上部的宽度和深度比值符合工艺要求。（称为焊缝成形系数B/H）以达到控制热输入量的目的。合理的焊前预热和焊后缓冷，能改善焊接接头的组织，控制t8/5，从而改善焊缝及HAZ的综合性能。防止冷裂纹的产生。2.4焊接工艺评定焊接工艺评定的范围：国内首次生产的钢材、焊材或进口钢材应用于重大、特殊钢结构工程时；设计规定的钢材类别、焊接材料和工艺、现场的焊接措施等综合条件，是该工程安装施工企业首次采用。2.5焊缝质量检查表面形状：包括焊缝截面的不规则、弧坑处理情况、焊缝的连接点、焊脚不规则的形状等；焊缝尺寸：包括对接焊缝的余高、宽度、角焊缝的焊脚尺寸等；焊缝表面缺陷：包括咬边、裂纹、焊瘤和弧坑气孔等。我国《建筑钢结构焊接技术规程》对焊缝外观质量的要求见表1。表1焊缝外观检查质量标准（允许偏差）焊缝质量等级缺陷类别一级二级三级为焊满不允许≤0.2+0.02δ，且≤1mm；每100mm焊缝内缺陷总长≤25mm≤0.2+0.04δ，且≤2mm；每100mm焊缝内缺陷总长≤25mm根部收缩不允许≤0.2+0.02δ，且≤1mm，长度不限≤0.2+0.04δ，且≤2mm；长度不限咬边不允许≤0.05δ，且≤0.5mm；连续长度≤100mm，且焊缝两侧咬边总长≤10%焊缝全长≤0.1δ，且≤1mm，长度不限电弧擦伤不允许个别电弧擦伤允许存在接头不良不允许缺口深度≤0.05δ，且≤0.5mm；每1m焊缝不得超过1处缺口深度≤0.1δ，且≤1mm；每1m焊缝不得超过1处表面气孔不允许每50m长度焊缝内允许直径＜0.4δ，且≤3mm气孔2个；孔距≥6倍孔径表面夹渣不允许深≤0.2δ，长≤0.5δ，且≤20mm弧坑裂纹不允许允许个别存在，长度≤0.5mm注：（1）咬边如经磨削修整并平滑过渡，则只按焊缝最小允许厚度值评定；（2）表内δ为连接处较薄的板厚31第2期No.2钢结构工程焊接技术的重点、难点及控制措施3减少焊接应力集中设计的基本观点3.1设计时应避免不连续，不匀顺，有缺口的缺陷出现；应避免焊缝的密集和交叉。焊缝间最小距离应为100mm以上。3.2不等厚板的对称焊接头，无论是否中心线对齐，均应将厚板削成坡度，然后对齐。JGJ81-2002规定坡度≤1∶2.5；AWS规定坡度≤1∶4；TBJZ-85规定受拉或拉压接头坡度≤1∶8；对于受压接头坡度≤1∶4。3.3焊缝应布置在工作最有效的地方，用最少量的焊接量得到最佳的效果。焊缝位置应便于焊接及检查。在焊缝的连接板根部应当有较和缓的过渡。加强筋端部的锐角应切去，板的端部应包角。焊缝布置应尽可能对称并靠近中心轴。3.4受弯曲作用的焊缝未焊侧不要位于受拉应力处。避免将焊缝布置在应力集中处，处于动载结构尤其要注意。避免把焊缝布置在载应力最大处。在工程中，常常会看见一些错误的设计，为了更进一步了解设计在减少应力架中的具体做法，现将焊接头的正、误作了一个简单的对比表，见表2。4安装焊接工艺一般根据结构平面图形的特点，以对称轴为界或以下同体形结构为分界区，配合吊装顺序进行安装焊接。其原则为：4.1在吊装、校正和栓焊混合节点的高强螺栓终拧完成若干节间以后开始焊接，以利于形成稳定框架；4.2焊接时，应根据结构体形特点，选择若干基准柱或基准节间，开始焊接主梁与柱之间的焊缝，然后向四周扩展施焊，以避免焊缝的收缩变形向一个方向积累；4.3一节柱中每层柱、梁接点拼装完成，依照先上后下的顺序焊接拼接接头，保证框架稳固；栓焊混合接点中，应先栓后焊（如腹板的连接），避免焊接收缩引起的孔间位移；柱、梁节点两侧对称的两根梁，应同时与柱相焊，减小焊接拘束度，避免焊接裂纹产生，又可防止柱脚的偏斜；4.4柱—柱节点的焊接自然是由下层往上层顺序焊接。由于焊缝的横向收缩和重力引起的沉降，可能使标高误差积累，在安装焊接若干节柱后，应视实际偏差情况，即时要求构件制造厂调整柱长，以保证高度方向的安装精度。4.5各种节点的焊接顺序。柱—柱拼接节点焊接顺序，主要考虑避免柱截面对称侧焊缝的收缩不均衡而使柱发生偏斜，控制结构的外形尺寸，但同时尽量减小焊缝拘束度，防止产生焊接裂纹。①H型柱的焊接顺序见图1。有方案分析和方案论证：方案1：A、B焊至1/3板厚→A、B焊至1/3板厚A、B焊完→A、B焊完，适用于翼板厚度小于腹板厚度时；方案2：A、B焊完→A、B焊完适用于腹板厚度小于翼板时。表2焊接接着形式的正误对比接头设计原则不合理设计改进设计焊缝应布置在工作最有交往的地方，用最少量的焊接达到最佳效果焊缝的位置应便于焊接及检查在焊缝的连接板根部应有较缓和的过渡加强肋等端部锐角应切去，板的端部应包角焊缝不宜密集避免焊缝交叉焊缝布置应尽可能对称，并靠近中性轴受弯曲作用的焊缝未焊侧不要位于受拉处避免将焊缝布置在应力集中处，对于动载尤为重要避免将焊缝布置载应力最大处图1H型柱的焊接顺充示意图32第2期No.2②箱型柱的焊接顺序见图2。A、C焊至1/3板厚→割耳板→B、D焊至1/3板厚→A、C、B、D或A+C、B+D。③十字型柱的焊接顺序见图3。截面是由两个H型截面组合而成。A、B焊至1/3板厚→A、B至1/3板厚→CD焊至1/3板厚→C、D焊至1/3板厚→A、B焊完A、B焊完C、D。④圆管柱的焊接顺序见图4。⑤斜立圆管柱的焊接顺序见图5。在钢结构安装施工现场的实践中，要谨慎考虑各种因素，如预热温度、坡口尺寸、安装误差等共同作用，采取相应措施。以免矫正过头或矫正不够，达到控制变形的结果。5钢结构变形的预防5.1合理地布置焊缝，避免焊缝之间的距离靠得太近，当材料的尺寸大于零件长度尺寸时，尽量减少或不做拼接焊缝；焊缝布置应对称于构件的重心或轴线对称两侧，以减少焊接应力的集中和焊接变形。5.2对称零部件尺寸或孔径尺寸统一，以便加工，并有利拼装时的互换性。零件和构件连接时应避免以不等截面和厚度相接；相接时应按缓坡形式来改变截面的形状和厚度，使对接连接处的截面或厚度相等，达到传力平顺均匀受力，可防止焊后产生过大应力及增加变形。5.3钢结构各节点各杆件端头边缘之间距离不宜靠得太近，一般错开距离不得小于20mm，以保证焊接质量，避免焊接时热量集中增加应力，引起变形幅度的增加。5.4电焊机的选用应保证焊接电流、电压稳定及负荷用量。交流焊机适用于焊接普通的钢结构。直流焊接机适用于焊接要求高的钢结构。埋弧自动焊适用于钢结构中的梁—柱较长的对角或角焊缝。CO2气体保护焊适用于要求较高的厚薄钢板结构焊缝焊接。5.5钢结构制作平台、放样平台，组装平台应有标准的水平面，一般用拉线法或仪表测量平台支撑刚度，保证构件在自重作用下不失稳、不下沉，局部不平控制在2m