厚板焊接H型钢

厚板焊接H型钢（精选六篇）

厚板焊接H型钢 篇1

随着我国建筑业的快速发展, 建筑造型越来越复杂, 结构形式越来越新颖, 钢结构在建筑中的应用也越来越频繁。由于建筑造型和结构的需要, 焊接H型钢桁架在大跨度结构中的使用越来越频繁, 特别是上部承重结构的。本文结合笔者公司加工制作的项目, 浅谈一下厚板焊接H型钢桁架在加工制作中的质量控制要点。

1 概况

此桁架构件单榀桁架重量达120t, 分成四段制作, 现场进行拼接, 工厂分段最大重量达到40t, 桁架总跨度52.8m, 高度2.6m, 制作时按照1000/L进行起拱。上弦焊接H型钢最大尺寸为BH600×800×60×80, 下弦焊接H型钢最大尺寸为H600×700×50×70, 腹杆焊接H型钢最大尺寸为BH500×500×70×70, 构件板厚30mm以下材质为Q345B, 40~50mm材质为Q345GJB-Z15, 60~80mm材质为Q390GJBZ25 (见图1、图2) 。上下主弦焊缝及节点部位焊缝等级为全熔透一级焊缝, 节点部位焊缝多, 焊接时的焊接变形、厚板焊接质量的控制是本工程的特点及难点。

2 工艺流程

原材料检测→下料→H型钢拼装→H型钢焊接→H型钢矫正→上胎架二次拼装→焊接→矫正→打磨外观处理→冲砂→油漆

3 控制要点

3.1 原材料的控制

由于本工程用到的厚板较多, 对于进厂材料按照设计要求每批进行了复试, 包括化学分析和物理性能, 有Z向要求的进行Z向要求检测, 特别对于厚度超过40mm的钢板全数进行了超声波检测。

3.2 下料坡口的选择

厚板焊接主要考虑到焊接裂纹, 优先采用双面坡口, 通过工艺评定试验, 确定了以下几种典型的剖口形式:

3.2.1 对接焊缝坡口设置原则

a.当两对接板材中任一块板厚t≥30mm时, 坡口必须开制在两块板材上;除特殊结构形式工艺注明开制在一块板材上外。

b.当两对接板材板厚均t<30mm时, 坡口允许开制在单块板材上;但优先采用开制在两块板材上的形式。

3.2.2 典型角对接焊缝坡口的选择

角接焊缝角度是直角时见图3和图4。角接焊缝角度不是直角时 (板厚50

3.3 焊接质量的控制

3.3.1 焊前控制

对焊缝区域进行打磨清理, 清除掉坡口周围的水、油及铁锈。

3.3.2 预热、后热温度的控制

a.预热工艺的选择, 最低预热温度符合表1要求;预热区域为焊缝两侧, 宽度焊缝中心两侧各150mm, 测温时采用红外测温仪在加热构件的背面距焊缝中心50mm处进行测温。

b.焊接过程中, 最低道间温度不应低于预热温度, 最大道间温度不宜超过250℃, 当焊接过程中有停工等待等原因造成道间温度低于预热温度的, 应重新进行预热。

c.焊接完成后, 立即做好保温措施, 以便扩散氢扩散逸出。本工程焊后采用保温棉保温处理, 焊接完成后, 对焊接部位用保温棉包好, 直到构件冷却至常温。

d.焊接过程中采用多层多道焊, 并控制好控制焊接线时的线能量。特别是线能量过小时易造成接头熔合区附近冷却时间小于出现铁素体的临界冷却时间而产生裂纹。

3.4 尺寸的控制

3.4.1 在公司矫正机无法矫正的情况下对H型钢进行反变形处理

翼缘板厚度≥腹板厚度的情况下:翼缘板压制179°反变形;但当翼缘板与腹板厚度相差≥20mm时, 翼缘板仅需压制179.5°反变形。

翼缘板厚度<腹板厚度的情况下:翼缘板压制178.5°反变形。

特别注意拼接板位置反变形必须一致, 保证对接;若反变形不一致时, 则拼板对接缝两侧各200mm范围内按照小角度反变形统一处理。如图6所示。

3.4.2 余量的设置

每条对接缝加放2mm焊接收缩余量;桁架余量的设置, 具体见图7。

3.5 校正、外观的处理

构件焊接完成经超声波检测合格后, 对构件的外观进行处理, 把焊接时产生的飞溅、毛刺、焊瘤等缺陷用铲刀、角磨机清除干净, 自由边进行倒圆角处理, 并对满足标准要求的部位进行校正处理 (见图8) , 保证桁架各部位尺寸满足规范及设计要求。构件加工完成后效果见图9。

4 结语

焊接H型钢桁架目前在钢结构大跨度结构中使用越来越多, 随着跨度的增加, 钢板厚度越来越大, 焊缝质量等级越来越高, 通过该项目的制作加工, 使公司对厚板焊接H型钢桁架的制作加工积累了宝贵的经验, 为今后同类型的工程制作打下了基础。

参考文献

[1]林寿, 杨嗣信.钢结构工程[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[2]中冶集团建筑研究总院.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[3]中冶集团建筑研究总院.GB50661-2011钢结构焊接规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

H型钢焊接变形的控制 篇2

大庆石化公司加氢装置钢架部分钢柱型钢的制造焊接工作量大, 设计制造精度高, 焊接变形控制是型钢制造质量的关键, 控制型钢焊接变形不仅是加氢装置改造的需要, 而且对于拓展型钢制造市场, 参与市场竞争都具有非常重要的实际意义.

二、产生变形的原因

发现型钢在制造过程中影响变形的主要因素是焊接热应力变形, 因此, 关键是要解决焊接热应力变形的问题.影响焊接变形的主要因素及采取的措施影响焊接变形的主要因素有焊接设备, 焊接工艺, 焊接人员操作水平及装配质量.针对不同的影响因素, 采取了不同的措施:对于焊接设备, 为保证焊接设备完好, 使焊接能够顺利进行, 焊接时采用了自制防变形夹胎具, 焊接滚胎加固, 自制焊接翻转胎, 更换计量不准的电流表, 电压表等方法;在焊接工艺方面, 为获得最佳焊接参数, 减小因焊接参数不合理引起的焊接变形, 采用焊前进行焊接模拟工艺试验, 坡口处预热等方法;在装配质量上, 采用半自动切割机下料, 刨边机加工坡口, 保证了工件装配直线度要求, 再点焊固定, 焊点间距为200, 还采用了按坡口焊接三级尺寸检查等方法;同时在焊接操作方面, 为提高全员产品质量意识和操作技能水平, 组织焊工学习产品质量法, 对施工作业人员进行工艺方案交底, 严肃工艺纪律。

三、控制H型钢焊接变形的具体实施

1、焊接工艺为获得较好的焊缝成形及

力学性能, 减小因焊接工艺不当引起的变形, 采用与正式产品同材质等厚板材进行埋弧焊, 对型钢的焊接工艺和焊接顺序进行试验优化.正式产品材质为235, 焊接性好, 但因板材厚, 因此在坡口处需预热, 温度为100℃.其优化后的焊接参数:优化施焊顺序、减小焊缝长度.每道焊口焊前由专人检查坡口的清理, 预热严格按照焊接工艺要求执行。为防止由于焊接时间过长而产生造成焊接变形, 采用2人对称焊接, 先点焊再段焊, 坚持1根型钢1次连续焊完。

2、自制防变形夹胎具为防止型钢焊

接过程中的翼缘板产生热应力变形, 自制了防变形夹胎具.焊前用楔铁将缘板压紧, 用50×50×5角钢将焊接滚胎加固牢靠, 同时将计量不准的电流表, 电压表更换.为了控制焊接变形, 保持焊接的连续性和短时间的变换焊接部位, 根据现场环境自制型钢焊接翻转胎, 型钢在胎架上可进行360度翻转.

3、装配质量型钢板材下料采用半自动

切割机, 为确保结构尺寸准确, 误差小, 每块板在下料时各边预留20胁加工余量;在型钢翼板, 腹板下好料后再经刨边机齐边, 刨出焊接坡口, 坡口形式为形, 角度为3., 钝边为5, 然后经质量检查合格才能进行铆工装配.装配前对所有对接坡口用砂轮机磨平, 其间应仔细认真检查装配质量, 确保装配尺寸不超过允差范围, 这样就为在焊接过程中控制焊接变形打下了良好的基础。

四、消除焊接应力及焊接变形的矫正

1、目前常用的消除应力方法有:自然

时效、振动时效和热处理去应力, 它们各有自身的特点。自然时效简单易行, 无需任何设备, 只需一块适当的空地就行, 几乎不发生任何费用。但自然时效周期较长, 且不能完全消除残余应力;振动时效因其设备简单、操作简单、生产周期短 (通常不超过30分钟) 、减小应力效果好等诸多优点得到了越来越多的应用。但振动时效只能减小残余应力的峰值而不能消除残压应力, 故振动时效对减少现存变形的效果不大但对防止以后使用中将会产生的变形能起到较好地预防作用。热处理整体消除焊接应力的效果最好, 在适当的温度下停留适当时间, 几乎可将焊接残余应力完全消除。它对重要的小型重要的焊接件来说是行之有效的;对大型对焊接件, 由于受加热炉尺寸的限制通常不能整体加热消除应力。在焊件变形处局部加热消除焊接应力和应变亦能取得较好效果, 但应注意加热温度要严格按国家有关碳钢、低合金钢的标准规定的热处理温度进行。实际生产中局部加热温度较难精确控制, 通常用测温计监控工件的实际受热温度。

2、对大型焊接结构件的焊接变形通常

采用机械矫正和热处理矫正两种方法。用机械矫正法矫正焊接变形是目前生产中广为采用的一种矫正方法, 它是通过对焊件变形施加反方向的机械作用力来达到矫正变形的目的。不需要复杂的设备, 操做起来亦很简单, 效果往往不错。缺点是对消除焊接残余应力的效果不明显, 在使用过程中随着残余应力的释放会产生新的变形。热矫正是在焊件局部变形处对处于拉伸部分进行局部加热, 使其冷却时收缩产生反变形从而达到矫正变形的目的。目前常用的加热方法有火焰加热和电加热两种。热矫正的优点是矫正变形彻底, 对任何复杂形状的工件都能取得很好的效果。缺点是对矫正温度要求严格, 实际操作中矫正温度不易控制。生产中常把上述几种方法综合使用, 如在机械矫正前先进行振动时效处理, 对局部变形大的地方辅助于热矫正处理。

五、结论

焊接H型钢变形矫正的施工方法 篇3

当前钢结构已在建筑工程、装饰工程中得到广泛的应用。钢结构的主要受力构件是焊接H型钢柱 (包括格构式钢柱) 、梁以及稳定系统。这些构件在制作过程中都存在焊接变形问题, 如果焊接变形不予以矫正, 则不仅影响结构整体安装, 还会降低工程的安全可靠性。

对于焊接结构应采取各种有效措施以防止或减小变形, 当这些变形超过现行规范的规定时必须加以矫正。使其达到符合产品质量要求。实践证明, 多数变形的构件是可以矫正的。矫正的方法都是设法造成新的变形来达到抵消已经发生的变形。

在生产过程中普遍应用的矫正方法, 主要有机械矫正、火焰矫正和综合矫正。在钢结构制造中常用的有机械矫正法和火焰矫正法两种。

1 钢结构焊接变形的火焰矫正

火焰矫正法就是把焊接变形相对部位的金属局部加热到热塑状态, 利用不均匀加热引起的变形来矫正焊接结构已经发生的变形, 这种方法只需普通气焊所用的工具和设备。但火焰矫正是一门较难操作的工作, 方法掌握、温度控制不当还会造成构件新的更大变形。因此, 火焰矫正要有丰富的实践经验。下面对钢结构焊接变形的种类、矫正方法作一个粗略的分析。

钢结构的主要构件是焊接H型钢柱、梁、撑。焊接变形经常采用以下三种火焰矫正方法: (1) 线状加热法; (2) 点状加热法; (3) 三角形加热法。下面介绍解决不同部位的施工方法。

以下为火焰矫正时的加热温度 (材质为低碳钢)

低温矫正500℃600℃冷却方式:水

中温矫正600℃700℃冷却方式:空气和水

高温矫正700℃800℃冷却方式:空气

注意事项:火焰矫正时加热温度不宜过高, 过高会引起金属变脆、影响冲击韧性。16M n在高温矫正时不可用水冷却, 包括厚度或淬硬倾向较大的钢材。

1.1 翼缘板的角变形

矫正H型钢柱、梁、撑角变形。在翼缘板上面 (对准焊缝外) 纵向线状加热 (加热温度控制在650℃以下) , 注意加热范围不超过两焊脚所控制的范围, 所以不用水冷却。线状加热时要注意: (1) 不应在同一位置反复加热; (2) 加热过程中不要进行浇水。这两点是火焰矫正一般原则。

1.2 柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲 (1) 在翼缘板上, 对着纵长焊缝, 由中间向两端作线状加热, 即可矫正弯曲变形。

为避免产生弯曲和扭曲变形, 两条加热带要同步进行。可采取低温矫正或中温矫正法。这种方法有利于减少焊接内应力, 但这种方法在纵向收缩的同时有较大的横向收缩, 较难掌握。 (2) 翼缘板上作线状加热, 在腹板上作三角形加热。用这种方法矫正柱、梁、撑的弯曲变形, 效果显著, 横向线状加热宽度一般取20m m 90m m, 板厚小时, 加热宽度要窄一些, 加热过程应由宽度中间向两边扩展。线状加热最好由两人同时操作进行, 再分别加热三角形三角形的宽度不应超过板厚的2倍, 三角形的底与对应的翼板上线状加热宽度相等。加热三角形从顶部开始, 然后从中心向两侧扩展, 一层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时温度不能太高, 否则造成凹陷变形, 很难修复。

注:以上三角形加热方法同样适用于构件的旁弯矫正。加热时应采用中温矫正, 浇水要少。

1.3 柱、梁、撑腹板的波浪变形

矫正波浪变形首先要找出凸起的波峰, 用圆点加热法配合手锤矫正。加热圆点的直径一般为50m m一90m m, 当钢板厚度或波浪形面积较大时直径也应放大, 可按d= (43+10) m m (d为加热点直径;8为板厚) 计算得出值加热。烤嘴从波峰起作螺旋形移动, 采用中温矫正。当温度达到600℃一700℃时, 将手锤放在加热区边缘处, 再用大锤击手锤, 使加热区金属受挤压, 冷却收缩后被拉平。矫正时应避免产生过大的收缩应力。矫完一个圆点后再进行加热第二个波峰点, 方法同上。为加快冷却速度, 可对Q 235钢材进行加水冷却。这种矫正方法属于点状加热法, 加热点的分布可呈梅花形或链式密点形。注意温度不要超过750℃。

总之, 火焰矫正引起的应力与焊接内应力一样都是内应力。不恰当的矫正产生的内应力与焊接内应力和负载应力迭加, 会使柱、梁、撑的纵应力超过允许应力, 从而导致承载安全系数的降低。因此在钢结构制造中一定要慎重, 尽量采用合理的工艺措施以减少变形, 矫正时尽量可能采用机械矫正。

当不得不采用火焰矫正时应注意以下几点:

(1) 烤火位置不得在主梁最大应力截面附近;

(2) 矫正处烤火面积在一个截面上不得过大, 要多选几个截面;

(3) 宜用点状加热方式, 以改善加热区的应力状态;

(4) 加热温度最好不超过700℃。

2 钢结构焊接变形机械矫正

机诚矫正法就是利用机械力的作用来矫正变形, 常用的工具有千斤顶、螺旋拉紧器和压力机等。

2.1 矫正型钢

在焊接施工前, 要对单料用翼缘调直机进行矫正, 矫正完成后, 目测及直尺检查。其端部应进行平头切割, 所用设备为端头铣床, 端部铣平。

2.2 钢柱校正

钢柱垂直度校正用经纬仪或吊线锤检验, 当有偏差时采用千斤顶进行校正, 标高校正用千斤顶将底座少许抬高, 然后增减垫板厚度, 柱脚校正无误后立即紧固地脚螺栓, 待钢柱整体校正无误后在柱脚底板下浇筑细石混凝土固定。

2.3 钢梁校正

钢梁轴线和垂直度的测量校正, 校正采用千斤顶和倒链进行, 校正后立即进行固定。

3 钢结构综合矫正

综合矫正是把机械矫正、火焰矫正以及施工前准备工作和施工中的一些技巧的综合。例如, 钢梁吊装时随吊随用经纬仪校正, 有偏差随时纠正。钢结构吊装过程严格执行 (G B 50205—95钢结构施工及验收规范》及 (G B 50221—95钢结构工程质量检验评定表标准》等。

摘要：根据工厂制作经验, 结合国内外相关资料, 简述钢结构变形的主要种类, 分析焊接变形的施工方法。

关键词：钢结构,焊接,变形,施工

参考文献

[1]李国强.钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与计算理论[M].上海科学技术出版社.1998.

H型钢结构件的焊接变形控制 篇4

1 焊接应力变形分析

焊接过程对焊件进行局部而不均匀的加热, 将产生焊缝的纵向缩短和横向缩短, 焊缝的收缩因受到结构材料的限制而产生焊接内应力和变形。变形与焊缝所处位置、焊接的顺序、结构设计、结构刚度4个因素有关。焊缝不对称布置、焊接顺序不当会使构件产生弯曲、扭曲等复杂变形, 结构的不对称与结构抵抗变形能力的大小也会影响构件的焊接变形。而H型钢结构件在制作过程中主要的变形有翼缘角变形、弯曲变形、轴线扭曲变形, 若不采取措施将严重影响构件安装质量, 因此焊前焊中焊后的变形控制显得尤为重要。

2 焊前反变形控制

为抵销焊接变形, 在焊前装配时, 预先将构件向变形的反向进行人为变形, 以平衡构件焊接时产生的变形。

2.1 角变形控制

本工程钢柱主要由如下4种规格H型钢制成:HA700×400×10×16;HA800×440×12×20;HA800×400×12×18;HA800×400×10×16。截面形状为工字形, 由于4条纵向角焊缝的横向收缩, 易引起翼板的“伞形”变形。

如图1 (a) 所示, 如采用夹具把上下翼板夹紧, 对防止“伞形”变形有一定效果, 但夹具少, 未夹到处仍有角变形, 焊后在翼板上会产生波浪变形。翼板边缘可以矫平, 但在中部矫正后又会形成如图1 (b) 所示“三道弯”。因此, 在实际操作中为解决“伞形”变形, 我们采用压力机预先将上下翼板压制成“V”状进行反变形, 如图1 (c) 所示。反变形值a的选择与板厚δ和翼板宽度b的大小有关, 根据现场模拟试验, 测出如表1反变形值。

2.2对接变形控制

在钢柱、梁的制作过程中, 由于构件长度达到了10～17.5 m, 超出进料钢板长度, 必须采用分段对接方式连成一体, 在能保证连接焊缝强度与钢材强度相等时采用对接正焊缝进行拼接。平板V型坡口对接的反变形措施采取如图2 (b) 方式, 对2个对接平板预置1°～1.5°的反变形, 基本上可消除图2 (a) 所示的焊接变形。

3 焊接过程变形控制

焊接过程焊接设备、焊接参数、焊接工艺、焊接顺序的选择及焊接人员操作水平都将影响焊缝质量及构件变形的大小。

3.1 钢柱焊接过程变形控制

由于钢柱尺寸大、焊缝长, 车间购进了4台全自动埋弧焊焊接钢柱4道主焊缝。自动埋弧焊电流大, 热量高, 构件易产生翼缘板角变形、H钢的纵向弯曲、扭曲变形。为防止变形及针对焊接工作的需要自行制作了一个专用的工作台。

如图3所示, (a) 为简易形式, (b) 为现采用形式, H型钢腹板和翼缘板分别与固定架和中间固定架接触, 避免了其自重加重焊接角变形和弯曲扭曲变形而引起翼缘板对腹板的垂直度以及H型钢的弯曲矢量超标。同时将H钢的4条纵向角焊变为船形焊, 腹板与水平位置成45°, 使焊缝处于平焊位置, 很好地控制了焊接变形, 保证焊缝的焊透, 提高焊接质量, 减少熔敷金属。活动架与活动杆的制作是为了便于H型钢的翻身, 进行背部的清根和后道工序的焊接, 减少了操作工人起吊工件时起重设备稍有晃动或外物撞击倾覆工件或撕裂点焊焊缝, 从而造成质量事故。

焊接参数及过程如下:按自动埋弧焊焊接电流、焊接电压、焊接速度这3个工艺参数的合适匹配关系, 结合船形角焊特点, 我们选用焊丝牌号H10Mn2、焊剂牌号为JQ-SJ101的氟碱型烧结焊剂来焊接低合金板。在焊接前采用氧-乙炔火焰在起焊处焊缝两侧宽80 mm, 长800～1 000 mm范围内进行焊前预热。预热后在固定架上焊完第1道焊缝, 工件翻身至右侧活动架, 升降杆下降, 工件紧贴活动杆平置后, 进行图中2处的清根, 清根后升降杆上升, 工件与水平成45°时进行第2道焊缝焊接, 结束后工件起吊换至另一端, 按上述过程进行3处的焊接、4处的清根与焊接。期间要注意保持焊接的同向性, 以避免弯曲和扭曲变形。

3.2.1 翼板与腹板的焊接

为提高承载力, 下翼板应一次折弯成形, 无接缝, 上下翼板和腹板的连接焊缝均应采用全熔透剖口焊。焊接前采用刚性固定法减少弯曲变形和角变形, 即将组装好的梁固定在平台上。为便于清根, 腹板选用两侧开成单V型坡口形式, 焊接顺序如图5 (a) 所示:预热后先焊下弦坡口面角焊缝:焊二层1、2, 第一层焊速稍快, 防止烧穿。再焊上弦坡口面角焊缝:焊二层3、4, 背面用碳弧气刨清根, 清根深4～5 mm。再焊下弦清完根的焊缝:焊二层5、6封面。再焊下弦坡口面焊缝:7封面。再焊上弦清完根的焊缝:焊二层8、9封面。最后焊上弦坡口面焊缝:封面一层10。由于钢梁焊缝较长, 焊接工艺好坏直接影响着变形的产生与否, 为此, 还采用了对称的逆向分段施焊法。如图5 (b) 所示, 将整个焊缝分成若干分段, 每段焊缝长度约400～500 mm, 每一段的焊接方向皆与焊接总方向相反, 选择技术较好且水平相近的4名焊工同时施焊, 这样可将变形减小到最低限度。

3.2.2 端头板等焊接

如图4所示, 肋板1下端刨平与下翼板顶紧后进行焊接, 以提高钢梁承载力, 同时为避免钢梁受冲击振动影响焊缝质量, 与下翼板端保留40 mm高度不焊。同理, 如图6 (a) 所示, 肋板2采用角钢与下翼板顶紧后底部不焊, 角钢上部与肋板搭焊, 焊缝高10 mm, 肋板与上翼板、腹板焊缝高6 mm。为避开角焊缝, 所有肋板应切角15 mm×15 mm, 并采用两侧肋板对称焊接的方法进行焊接;如图6 (b) 所示, 端头板与腹板的焊接选用对称V型坡口全熔透焊接, 并采用中间向两端跳焊顺序以减少端板的变形;如图6 (c) 所示, 垫板1与下翼板、垫板2与端头板的焊接采用纵向2道焊缝逆向焊接的方法可以减少垫板变形。

3.2钢吊车梁焊接过程变形控制

本工程钢吊车梁结构形式如图4所示, 总长9 m, 高1.25 m, 由上下翼板、腹板、肋板、端头板、垫板组成。结合现有焊接设备, 我们采用焊丝1.2 mm, 牌号为H08Mn Si的CO2气体保护焊以25～30 m/h的中等速度进行焊接。由于焊缝在结构上分布的不对称易引起横向收缩的弯曲变形。焊接结构的刚度是随零件逐个装配、焊接而形成的, 从减少结构残余变形的角度出发, 先装成整体后, 再按顺序焊接对减少焊接变形是有利的。如图4, 我们先将组对好的上下翼板与腹板焊接成H型结构后, 再依次对组对好的肋板、端头板、垫板进行焊接。

4 焊后的变形矫正

不论焊前焊中如何控制, 焊接应力或多或少都使构件存在残余应力变形, 残余变形后的矫正常用机械矫正法和火焰矫正法。对钢柱、梁的弯曲变形可用千斤顶、螺丝压杠、压重等方法矫正。批量生产采用翼缘矫正机对钢柱梁的角变形进行校正, 即通过机械力进行反复的强制性校正, 使角变形量控制在标准 (不超过3 mm) 范围内。因工程量大, 车间新购进1台JZJ-800型翼缘矫正机对每条超过标准变形范围的钢柱进行矫正。角变形、弯曲变形、扭曲变形较严重的, 还采用了火焰加热法。火焰矫正位置和顺序是关键, 针对不同变形, 具体矫正有3种方法: (1) 挠曲变形的矫正:采用三角形加热, 对水平板进行矫正, 加热位置选在翼板外凸的一侧, 三角形尖指向腹板方向, 如图7中1处。 (2) 拱变形的矫正:在腹板上进行三角形加热, 三角形尖指向H钢截面中心, 高度约为H的1/3～1/4。加热三角形的分布量视弯曲情况而定, 加热顺序应从拱起量最高处向两端布开, 如图7中2处。 (3) 角变形的人工矫正:在梁背面的2道焊缝的对应位置作线状加热, 加热宽度应小于焊角宽度, 加热深度不应超过板厚, 如图7中3处。加热过程根据不同的变形量控制加热温度, 以防校正过量和出现过烧现象, Q345钢火焰矫正的加热温度应控制在600～800℃之间, 在自然状态下冷却。

5 结语

该工程钢结构件均由我公司制造安装, 通过构件制作过程对焊接变形控制的分析对策, 我们对大型H型钢构焊接工艺、焊前焊中焊后的应力变形处理有了一定的经验, 经合理的变形控制, 该工程所有构件经验收均已达标。工程钢柱梁主焊缝和对接焊缝经抽取每条焊缝长度的20%, 但不少于200 mm进行了X射线检测, 检验合格率为100%, 焊缝质量等级也达到了II级标准要求, 工程质量被评定为优良, 目前已投入正常使用。

摘要：以天尊铸业有限公司铸造车间厂房制作为例, 对钢柱梁构件焊接过程出现的应力变形进行分析, 通过制定合理的焊接工艺和反变形措施以及焊后的矫直处理来控制焊接过程产生的各种变形, 以保证构件安装质量。

关键词：埋弧焊接,工艺,H型钢,变形

参考文献

[1]张定久.大板梁焊接变形的控制[J].电焊机, 2001 (8)

[2]陈国光, 鲁才夫, 寿雪苗.钢屋架制作工艺探讨[J].科技信息, 2007 (11)

厚板焊接H型钢 篇5

焊接是建筑钢结构中连接的主要方式。在焊接施工过程中, 由于材料相变、位移约束以及温度场的不均匀分布等原因, 致使焊接完成后的构件中存在残余应力与变形, 是影响焊接结构裂纹萌生和扩展、降低钢材的力学性能的重要因素[1]。由于H型钢具有较高的刚度和承载能力, 同时节省钢材, 经济效益明显, 在厂房和桥梁等领域应用广泛[2]。分析其焊接生产过程中的温度场和残余应力场, 初步掌握温度的变化和应力的分布情况, 对于焊接工艺的改进以及残余应力的降低具有重要的理论与实践意义。国内外对于焊接过程的有限元模拟已经有了一定的进展, 例如, 使用简单的对接钢板构件模拟焊接过程[3], 对钢桥整体节点的有限元分析[4]等等。本文在大型通用有限元软件ABAQUS热—结构耦合功能的基础上, 应用了相应的焊接热源子程序DFLUX, 研究了普通H型钢的焊接温度场、残余应力以及变形的分布。

2 有限元分析模型

2.1 焊接工艺与热源

焊接采用手工电弧焊, 工艺参数见表1。

有限元分析中应用较广的热源模式有高斯分布热源模型、双椭球热源模型以及基于单元生死的热源模型。本文采用双椭球热源计算模式, 热源分布函数[5]为:

其中, a, b, c为椭球热源的形状参数;Q为热输入功率;η为焊接效率, 取0.8;U为电压;I为电流;v为焊接速度;t为焊接时间。

2.2 有限元模型

H型钢的几何尺寸见图1, 构件长度方向取1 m。

焊接材料采用Q235C钢材, 其物理性能在不同温度下的数值不同, 具体参数见表2[6]。

耦合场的分析方法分为直接法和间接法, 应力以及变形场对温度场分布的影响主要是变形热, 可以忽略不计, 为了节省计算时间, 采用间接耦合的方法进行分析, 首先进行热分析, 然后将得到的温度场结果作为荷载施加于热力耦合分析的模型上[7]。

在焊接过程中, 焊接构件与周围环境之间存在热量交换。温度较低时以对流为主, 温度较高时以辐射为主。此分析中对流换热系数为10 W/ (m2·K) , 环境温度为20℃, 黑度为0.85。

热分析采用DC3D8单元, 热—力耦合分析采用C3D8单元。采用过渡网格, 如图2a) 所示。

3 结果分析

本文主要应用节点的温度—时间曲线和应力—路径曲线来分析温度场和残余应力场, 主要的温度节点和应力路径如图2b) 所示。

1) 温度场。图3给出了H型钢在焊接和冷却过程中的温度变化。在加热过程中, 热源附近的温度在2 500℃以上, 大于材料的熔点1 500℃, 如图3a) , 图3b) 所示。焊接温度场的分布很不均匀, 在热源不断的移动过程中, 峰值温度出现在热源中心点处, 在热源附近区域的等温线近似于一个椭圆形分布, 热源前方温度急剧下降, 梯度较大, 后方温度下降比较缓和, 梯度较小。焊接结束冷却4 000 s后构件的温度都在30℃以下, 如图3c) 所示, 此时可以认为构件的残余应力和变形不再发生变化。

图4给出了H型钢上翼缘和腹板间的焊缝1/4跨、1/2跨位置处温度节点P1, P2温度随时间的变化曲线。当热源接近节点时, 温度急剧升高, 加热过后逐渐冷却至室温。

2) 残余应力和变形。焊接残余应力分为纵向应力、横向应力、厚度方向上的应力。由于本文采用的模型钢板厚度较小, 而且采用单道焊, 所以忽略应力沿钢板厚度方向的变化。H型钢的焊接残余应力如图5所示, Mises应力和纵向应力沿焊缝分布, 主要集中在焊缝附近约60 mm范围内。最大纵向应力分布在焊缝附近翼缘和腹板内, 应力值约200 MPa~265 MPa。翼缘的横向应力主要位于距离构件端部10 mm~20 mm近似圆形范围内, 最大值约为70 MPa~96 MPa。腹板横向应力主要位于端部半椭圆范围内, 最大值约为105 MPa。从应力路径图中可以看出, 纵向上, 焊缝中间区段应力分布比较稳定, 应力值在200 MPa以上, 超过材料的屈服极限, 在构件两端应力急剧下降为0, 如图6a) 所示。横向上, 表现为焊缝附近受拉, 钢板边缘受拉, 但是根据内应力的性质, 总体拉、压应力在截面内是平衡的, 如图6b) , 图6c) 所示。和横向应力相比, 纵向应力分布更广, 应力值更大, 甚至超过了材料的屈服极限。由以上H型钢焊接残余应力分析结果与已有公认的工字钢残余应力进行对比, 如图7所示[8], 结果基本吻合, 从而证明了本文所采用方法的正确性以及精确性。构件的最大变形位于翼缘边缘位置处, 最大值约为2.5 mm, 腹板变形很小, 可以忽略不计。最后残余变形为两翼缘呈现互相靠拢的趋势, 如图8所示。

4 结语

本文在大型通用有限元软件ABAQUS热—结构耦合功能的基础上, 应用了相应的焊接热源子程序DFLUX, 研究了普通H型钢的焊接温度场、残余应力以及变形的分布。初步得到以下结论:

1) 本文的数值模拟结果与已有公认残余应力分布吻合较好, 从而证明了所用方法的正确性。

2) 对于温度场, 峰值温度出现在热源中心点处, 在热源附近区域的等温线近似于一个椭圆形分布, 热源前方温度急剧下降, 梯度较大, 后方温度下降比较缓和, 梯度较小。

3) 构件中纵向应力分布更广, 应力值更大, 甚至超过了材料的屈服极限, 应当引起足够的重视。如果不进行有效的控制和消除, 在结构开始使用受到其他荷载作用的时候将会很快的进入屈服状态, 影响结构性能的发挥。残余应力同时存在拉应力和压应力, 而且在同一截面内拉压、应力是自平衡的。

参考文献

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厚板焊接H型钢 篇6

近几年来, 随着科学技术的迅速发展, H梁因具有优越的结构形式和良好的力学性能而成为钢结构的主要架构模式, 广泛应用于工业及民用建筑中。如工业建筑钢结构工程中的吊车梁、平台梁多为焊接“H”型梁, H型钢梁在制作过程中由于装配质量不好或焊接工艺、焊接顺序不当, 尤其是受热大均会发生一定程度的变形, 轻则需投入一定的人力、物力、工时进行修校;重则造成结构件报废。

因此, 在工业建筑钢结构制造中, 对焊接变形的控制是工程技术人员目标之一。

2 H形钢梁焊接变形的种类及原因分析

2.1 H型钢梁焊接的一般技术要求

工业建筑中钢吊车梁、高炉承重平台、平台梁、连铸平台平台梁多为H型, 根据其自身受力特点和使用要求, 在设计时, 腹板与上翼缘连接, 要求全长范围内开坡口焊接, 下翼缘与腹板连接在距端部L/8的长度范围内, 要求开坡口焊接, 焊缝等级为一级焊缝, 如图1所示。

2.2 H型钢梁焊接过程中的变形原因分析

H形钢梁焊接过程中产生焊接变形的根本原因是焊接热场的不均匀性, 在高温焊接区产生压缩塑性变形, 焊后该区要收缩, 而其他部位又阻止其收缩, 因而产生焊接残余应力和变形。由于焊接结构的焊缝分布不同等因素可产生收缩变形、角变形和波浪变形等, 在H梁结构中主要产生挠曲变形和角变形。

2.2.1 角变形

角变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。焊缝面的变形大, 背面的变形小, 这样就造成了构件平面的偏转, 即形成翼板角变形。

T形接头的角变形包括两个内容:筋板与主板的角度变化和主板本身的角变形前者相当于对接接头的角变形, 对于不开坡口的角焊缝来说, 它的角变形就相当于坡口为900时的对接焊缝的角变形。而对主板来说, 它就相当于在平板上进行堆焊时引起的角变形, 即角变形的大小取决于压缩性变形的大小和分布情况, 同时也取决于板的刚度, 压缩塑性变形的大小与板宽度上的温度分布有关, 高温区越宽, 变形量越大, 压缩变形越大。塑性变形在板的厚度上的分布与温度在厚度上的分布有关。对于同一板厚, 随着线能量的增加, 正反两面塑性变形量的差值将增加, 角变形也增加, 但当线能量到达某一值时, 角变形不在增加, 如果进一步增加线能量, 角变形反而会减小, 这是因为线能量的进一步提高, 虽然能够提高塑性变形量, 但板背面温度随之提高, 正反面塑性变形量的差值反而降低,

2.2.2 挠曲变形

产生挠曲变形与构件偏心距及刚度有关, 偏心距与焊缝的位置有关, 刚度与构件截面积相关, 焊缝位置对称或接近于截面中心轴线, 则挠曲变形小。

在焊接时, 焊缝及其附近的金属温度很高, 而越远离焊缝的金属温度越底, 直至室温。因此, 焊缝金属的自由变形受到周围金属的约束, 产生了压缩塑性变形区, 塑性变形区的存在位构件相当于受到一个外加压力Pf的作用而缩短或弯曲。

Pf的数值可表达为:

焊接时, 构件产生纵向收缩△L:

△L=PfL/E·F=L·E乙Fρερ·dF/F (式2)

式中:

F———构件的截面面积;

Fp———塑性变形区面积;

E———构件材料的弹性模量;

L———构件的长度 (焊缝贯穿全长) ;

εp———塑性应变。

△L取决与构件的长度、截面面积和压缩塑性变形乙Fρερ·dF。后者与焊接参量、焊接方法、焊接顺序及材料的热物理参量有关。

在各种工艺因素中焊接线能量是主要, 在一般情况下他与焊接能量成正比。由此可以看出:

⑴多层焊所引起的纵向收缩比单层焊小, 分的层数越多, 变形也就越小:

⑵一般情况下, 工件原始温度的提高, 相当于加火线能餐, 使焊接塑性变形区扩人, 焊后纵向收缩变形增人:

⑶间断焊的纵向收缩变形比连续焊小。

在生产中, 一般H形钢的纵向收缩量按0.2～0.5mm/m来控制。当焊缝在工件中的位置不对称时, 焊缝所引起的假想力Pf是一个偏心力, 它不但会使构件缩短, 同时还使构件弯曲, 从而造成挠曲变形。

H梁截面对称, 焊缝分布也对称, 一般来说是不会发生挠曲的。发生挠曲主要是因为焊接装配时工件摆放不平整、焊接方向不合理等原因。如果能有针对性地注意提高焊接装配质量, 采用合理的焊接方向和焊接顺序, 挠曲变形是完全可以控制在规定范围内的。

2.3 H型钢梁焊接变形对质量的影响

H型钢梁变形, 若在标准规定允许范围内, 则不会影响钢梁使用;若变形超过标准规定允许范围, 不仅影响钢梁安装质量, 更重要的是在外荷载作用下, 会产生应力集中和附加应力, 使钢梁安全性降低, 以至影响其使用功能。因此, 必须采取必要措施, 尽可能减少焊接过程中的变形现象。

3 H型钢梁焊接过程中变形的控制措施

3.1 确保加工精度和装配质量

3.1.1 确保下料加工精度是防止钢梁在制作中变形的首要条件

在板材下料误差超过允许偏差时, 必然导致零件、部件装配时进行强力组对, 从而使构件整体产生应力和变形, 焊接时又增加焊接变形, 构件整体变形会更大。当钢梁腹板零件加工尺寸超差时导致较大变形;翼缘板拼接零件加工尺寸超差时, 会产生不均匀变形, 都使组焊成的H型梁出现下挠和扭曲。

3.1.2 保证加工质量和装配质量

主要措施有:下料加工前原材料要进行平直矫正, 然后进行划线, 划线必须检验纵横线的垂直。切割时采用自动切割机, 并据板材厚度匹配相应地割嘴。对一个零件来讲, 要两边对称切割, 使两边受热相同, 变形相同。多个零件在一块板上下料, 采用多嘴头切割, 既可提高切割速度, 又可减小切割变形, 从而保证零件尺寸加工精度。在此基础条件下, 装配时将设专用工装胎具, 提高装配质量, 从而达到减小应力集中和变形的目的。

3.2 采用合理可靠的焊接工艺、焊接顺序来控制变形

焊接H型钢梁, 在制作中变形的大小与焊接工艺、焊接顺序有很大关系。所以, 在焊接H型钢梁前, 必须根据材料厚度、材质、设计坡口形式及焊缝等级, 来确定恰当的焊接工艺、焊接顺序, 才能有效地减小变形。

3.2.1 通常的的焊接工艺

通常的焊接工艺、焊接顺序为: (1) 下翼缘一面焊缝加熔剂垫→ (2) 下翼缘另一面焊缝焊接→ (3) 下翼缘加熔剂垫一面清焊根→ (4) 下翼缘清焊根的一面焊缝焊接→ (5) 上翼缘一面焊缝处加熔剂垫→ (6) 上翼缘另一面焊缝焊接→ (7) 上翼缘加熔剂垫一面清焊根→ (8) 上翼缘清焊根后的一面焊缝焊接一 (9) 层间焊见图2, 工艺参数见表1, 清焊根工艺参数见表2。

从该工艺过程可看出, 用碳弧气刨清焊根, 由于电路中电流、电压波动 (电器群在网内争电) , 直接影响封底焊的质量, 表现在熔剂、熔渣不能彻底熔敷在表面, 形成焊缝夹渣, 清焊根后焊道深浅不均, 焊接时受热程度、次数不均, 随受热增大, 弯曲程度增大。同时, 熔剂垫用石棉绳, 清根用碳棒以及人工消耗也大, 工期延长且弯曲变形后, 只有用火焰校正效果佳, 从而氧气、乙炔消耗增加。

3.2.2 将通常焊接工艺和焊接顺序进行改进

在组对H型时, 翼缘与腹板连接处垫4mm间隙垫, 保证装配间隙均为4mm (间隙垫设置间距为600mm) , 如图3所示。用CO2气体保护焊实施封底焊, 封底厚度4mm, 焊接工艺参数见表3。

改变后焊接顺序: (1) 下翼缘CO2气体保护焊封底焊→ (2) 上翼缘CO2气体保护焊封底焊→ (3) 埋弧自动焊多层焊。

比较更改工艺前后可看出, 由于CO2气体保护焊焊丝较细, 产生热能较小, 且可两边对称均匀施焊, 变形微小, 且焊接时无熔剂, 不产生夹渣现象;同时也省去碳弧气刨清焊根的工序, 使梁焊道减少受热变形, 也无需加熔剂垫。封底后直接由埋弧自动焊按多层焊工艺进行焊接。H型钢梁多层焊接顺序如图4。图中1～4为第一层焊序; (5) ～ (8) 为第二层焊序。

H型钢梁上加劲板焊接顺序采用焊工均匀对称分布、对称施焊、焊速近似、同步且不间歇焊完, 顺序见图5。

通过采用以上焊接工艺可以在一定程度上控制和减少H型钢梁焊接过程中的变形。

3.3 预做反变形进行变形控制

H型钢梁焊接中, 翼缘倾斜 (角变形) 、下挠有时无法校正, 虽然强制校正, 但产生内应力较大, 局部有死角, 外观质量差如图6所示。虽校正了翼缘边缘, 但腹板与翼缘连接处形成折弯状, 不能再校正。所以, 对焊缝高度较大的H型钢梁, 将翼缘板预做反变形, 即根据翼缘板宽度、厚度不同预制相应反变形b/100, 根据梁跨度、翼缘板厚度预做起拱h/2000, 克服成型后的下挠 (b为翼缘宽, h为梁截面高度) 。

3.4 采用刚性固定限制变形

此外, 在没有采用反变形的情况下将构件加以固定可以限制变形。利用这种方法来防止H型钢梁的角变形、扭曲变形效果不错。工程应用中经常采用下面二种方式来实现刚性固定, 如图7、8所示。

图7中, 将一对H梁背靠背点固后, 再焊接, 能够达到满意的效果。图8采用了三角筋板和长筋板。三角筋板的作用在于控制焊后翼板所发生的转动, 同时加强腹板的刚度;长筋板的作用在于阻止翼板发生角变形。长筋板可采用活动式, 筋板两边卡在翼板上, 中间用楔铁打紧的方法。这样在翼板两侧产生一个向上的装配应力, 这个力与内应力相反, 从而可以进一步减少焊接应力和变形。同时H梁施焊完毕冷却后, 打掉楔铁, 活动筋板还可以重复使用。

4 H型钢梁焊接变形的矫正

H型钢梁焊接后残余变形的矫正方法可以分为加热矫正和外力矫正及两种方法的综合应用。

4.1 机械矫正

利用外力使H梁产生与焊接变形方向相反的塑性变形, 使两者相互抵消。通常采用的办法为碾压翼板两侧矫正板产生的角变形。除压力外, 还可用锤击法来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属, 达到消除焊接变形的目的.

4.2 火焰加热矫正

在施工中采用火焰加热矫正的加热温度一般住600～800℃, 利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形, 使较长的金属冷却后收缩, 来达到矫正变形的目的。矫正应遵循如下两个原则: (1) 矫正位置要正确。须分析构件变形的原因及构件的内在联系, 搞清各部件相互间的制约关系。 (2) 矫正顺序要正确。先矫正主要变形, 后矫正次要变形, 多种矫正方法并用时要注意几种方法的先后顺序。

具体矫正方法是: (1) 挠曲变形的矫正:采用三角形加热, 对水平板进行矫正, 加热位置选在水平板外凸的一侧, 如图9中1处。 (2) 角变形的矫正:在梁背面的两道焊缝的对应位置作线状加热, 加热宽度应小于焊角宽度, 加热深度不应超过板厚, 冷却后角变形即可消失, 如图9中2处。

5 工程应用效果

通过采用以上几个方面的具体措施来防止H型钢梁焊接过程中变形取得了良好的实际效果。如:湘钢轨梁厂:60m×6.6m吊车梁, 焊缝100%无损检测合格, 无变形超允许偏差, 无火焰校正。涟源钢厂薄板连铸连轧厂房吊车梁、连铸平台梁焊缝无损检测 (100%) 一次合格率98.3%, 无火焰校正, 无变形超允许偏差。湖南某无缝钢管厂厂房吊车梁焊缝无损检测一次合格率100%, 无变形超允许偏差, 无火焰校正。

6 结语

综上所述, 尽管H型钢梁焊接过程的变形经常发生, 但只要采取切实可行的控制和防范措施, 就能最大限度地控制变形现象, 满足工程质量要求。

摘要：本文结合笔者多年工业建筑钢结构焊接施工实践, 详细分析了H型钢梁焊接过程中产生变形的具体原因, 并从下料、焊接工艺、焊接顺序、预做反变形及刚性固定等方面针对性提出了具体的变形控制方法和措施, 对发生焊接后残余变形的矫正方法进行了阐述。实践证明, 以上措施对防止H型钢梁焊接过程中产生变形具有良好的效果。

关键词：H型钢梁,焊接工艺,焊接变形,挠曲变形,控制措施

参考文献

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