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钢结构焊接工艺及变形矫正
钢结构焊接工艺及变形矫正
××
(××学院××班××号)
摘要:
在建筑工程中,钢结构的主要连接方式就通过焊接来完成,焊接技术在建筑工程中发挥着重要的作用。
然而在钢结构的焊接过程中,由于焊接区域的局部收缩和应力作用将产生焊接变形,焊接变形会影响钢结构的尺寸精度、安装要求和施工进度。
基于焊接技术的重要性,本文主要阐述了高强钢焊接、低温焊接、厚钢板焊接和H型钢焊接施工方面的主要工艺以及焊接变形的原因、控制方法和减小焊接应力的一些措施。
关键词:
钢结构;焊接工艺;变形矫正
0前言
随着社会的进步和科学技术不断创新,不论是在物理、化学、冶金,还是在电子、计算机等领域,新技术、新设备、新材料不断被发现和使用,作为主要的钢结构连接技术——焊接技术,在我国的建筑钢结构建设过程中发挥着不可替代的作用。
根据相关的资料显示,在建筑领域一半以上的钢结构在使用前都需要进行必要的焊接处理加工,由此可见,为了实现钢结构技术在建筑领域的快速发展,以及钢结构在建筑方面的质量保证,不断提高钢结构的焊接水平,防止或减少焊接变形就显得尤为重要。
本文主要结合实际操作过程,对钢结构焊接工艺及变形矫正进行详细的论述。
1钢结构焊接工艺
1.1高强钢焊接的施工工艺
1.1.1焊接材料的选择及匹配
(1)强匹配。
强节点弱杆件,即与母材规定的最低标准相比,焊接材料熔敷金属在强度、韧性、塑性等方面要明显高于标准;并且焊接接头位置的各种基本的性能指标至少要与母材料规定的最低标准相匹配;
(2)焊缝的塑性。
在进行厚板焊接时,应该根据厚度效应后的强度来选择适当的焊材,通常当节点的拘束度比较大的时候,可以在1/4板厚以后选择强度稍低的焊材;
(3)满足冲击韧性的要求。
对焊材韧性的选择是一项非常重要的工作,好韧性的焊材能够使焊缝以及热影响区的韧性满足钢结构的规定标准。
比如在焊接无裂纹钢种的时候,可以选取低H或者超低H的焊接材料,同时,在钢板厚度低于50mm或者温度在0℃以上的时候,可以不对钢结构进行预热。
这一方法的明显优势就是它的力学指标突出,尤其是在区强比的冲击性能方面更显优越。
1.1.2高强钢焊接性能的评价方法
现阶段,建筑施工主要采取的评价方法有:
碳钢量计算评定法;热影响区最高硬度试验评定法;插销试验临界断裂应力评定法。
1.1.3确定最低预热温度的常用方法
(1)通过裂纹实验来进行控制,即通过进行斜Y坡口试样抗裂方面的试验对最低的预热温度进行确认;
(2)通过硬度控制预热温度,通常采用的方法是根据一定碳含量的钢材,其不同板厚T形接头角焊缝热影响区硬度达到350HV对应的冷却速度(540℃时),查表确定焊接线能量;
(3)根据裂纹敏感指数、板厚范围、拘束度等级、熔敷金属扩散氢含量确定最低预热温度;
(4)根据接头热输入、冷却时间和钢材的特定曲线来确定最低预热温度。
1.1.4对焊接质量的控制方法
(1)对热输入以及冷却速度进行控制。
此方法主要是通过对焊接时的电压、电流以及焊接时的焊接速度和熔敷金属在800℃~500℃区间内的冷却时间的控制,进而完成焊接质量的控制;
(2)对焊缝中各种元素的质量百分比进行必要的控制,主要是指碳、硫、磷、氢、氧等。
为了达到这一目的,除了要选择质量优越的低氢焊接材料外,还要求操作人员拥有较好的操作手法,从而对熔池金属进行很好的保护;
(3)应力与变形控制。
选用高能量密度、低热输入的焊接方法,如气体保护焊;用小线能量,多层多道焊接;减小焊接坡口的角度和间隙,减少熔敷金属填充量;采用对称坡口,对称、轮流施焊;长焊缝应分段退焊或多人同时施焊;用跳焊法避免变形和应力集中。
在进行高强钢的焊接作业时,应从钢材料自身的强化机理以及供货时的所处特征出发,全面考察各项性能的指标要求,从而选择适合的焊材以及评价焊接质量的试验方法。
最后得到适合于生产的焊接工艺,起到相应的指导生产的要求。
在进行这一钢材的焊接时,为了避免其产生冷裂现象,应该注意采取相应的措施。
同时为了出现接头弱化的现象,焊接时应该对层间温度以及焊接线能量进行较为严格的筛选和控制。
总的原则还是应该在较低的成本下,尽可能完成高质量的焊接任务。
1.2低温焊接时的施工工艺
1.2.1焊接材料的选取
由于是在低温环境中进行焊接作业,所以为了更好的完成焊接任务,应该尽量选取氢含量较低的焊接材料,并且对焊接材料进行必要的烘焙以及保温措施。
1.2.2焊接前的防护措施
为了达到尽量减少热量的损失,可以在进行焊接作业的地方构建相应的保护房,从而形成相对密闭的空间。
如果条件不允许构建防护房,也可以采取其他一些措施来起到防护热量损失的作用。
在进行一些气体保护焊接操作时,气瓶也要进行必要的保温措施。
1.2.3对焊接质量的控制
(1)预热和层间温度。
相比较于常温条件下的焊接预热,低温焊接时的预热温度要稍高,并且需要预热的区域范围较大,通常情况下是焊接点周围大于等于两倍钢厚度的范围,并且这一范围不小于100mm。
焊接层的温度通常要高于预热温度,或者是不低于相应规定中的最低温度20℃,二者之间取较高温度者;
(2)采用合理的焊接方法。
尽量使用窄摆幅,多层多道焊,严格控制层间温度;
(3)焊接后热及保温。
焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理。
利于扩散氢气的逸出,防止因冷速过快而引起的冷裂纹,同时适当的后热温度还可以适当降低预热温度。
1.3厚钢板焊接技术
1.3.1建筑钢结构中厚钢板得到最大的使用,大量钢结构工程采用厚钢板,促进了厚钢板焊接技术的发展,同时也丰富了建筑用钢的范围。
1.3.2厚钢板焊接的关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形,应主要考虑以下几点:
(1)选用合理的坡口形式。
如尽量选用双U或X坡口,如果只能单面焊接,应在保证焊透的前提下,采用小角度、窄间隙坡口,以减小焊接收缩、提高工作效率、降低焊接残余应力;
(2)合理的预热和层间温度;
(3)后热和保温处理。
1.4H型钢焊接工艺
1.4.1施工准备和程序
(1)H型钢制作应按规定的程序进行。
(2)H型钢组焊前,应做好技术准备和机具设备准备。
在图纸会审后,对相同材质、规格、型号、长度的H型钢进行归类,统计数量,画出各种形式的标准图,标明钻孔位置,筋板位置,进行技术交底。
(3)所有钢材和焊材均应有质量证明书,并应符合设计要求,否则必须经过检验,合格后方可使用。
(4)制作场地应铺设平整且具有一定刚度的平台,平台用12mm以上厚度的钢板铺设。
钢材调直后,进行号料切割。
号料所用的量具应与检查安装时所用量具统一校对。
号料时应预留出焊接收缩量及切割、刨边和铣平的加工量。
(5)号料时应注明其型号、长度、编号等。
同时可以采用预先制作的样板进行号料,这样既快又省事。
制作样板的允许偏差和号料的允许偏差应符合表1的规定。
表1样板与好料的允许偏差(mm)
项目
允许偏差
项目
允许偏差
平行线距离和分段尺寸
±0.5
加工样板的角度
±20
对角线差
1.0
零件外形尺寸
±1.0
宽度、长度
±0.5
孔距
0
(6)切割前应将钢材表面切割区的铁锈、油污等清理干净,切割后清除熔渣和飞溅物。
用半自动切割机进行。
切割时采用留点形式,每切割1.5m左右留一点不切,每切割一条缝大约留2~3点,待钢板完全冷却后,再切割所留的点,这样可防止钢板的变形。
切割的允许偏差应符合表2的规定。
(7)加强筋板等用机械剪切的零部件,其厚度宜小于12.0mm,剪切面应平整。
机械剪切的允许偏差值应符合表2的规定。
表2切割与机械剪切的允许偏差(mm)
项目
允许偏差
项目
允许偏差
零件宽度、长度
±3.0
零件宽度、长度
±3.0
切割面平面度
0.05t且不大于2.0
边缘缺棱
1.0
局部缺口深度
1.0
型钢端部垂直度
2.0
表中t:
切割面厚度
(8)碳素结构钢在环境温度低于-16℃,低合金结构钢在环境温度低于-12℃时,不得进行冷矫正和冷弯曲。
进行热矫正时,加热温度应根据钢材性能选定,但不得超过900℃。
低合金结构在加热矫正后应缓慢冷却。
1.4.2H型的装配和焊接
(1)H型钢制作时,翼板和腹板可沿长度方向拼接,钢板拼接角度为45°。
翼板和腹板的拼接缝应错开一定距离,大于200mm以上。
拼接缝应焊透,厚度超过8mm以上的板均要加工坡口,其坡口形式为V形,55°~65°,间隙2.0mm,钝边2.0mm。
(2)H型钢拼接时,厚度方向的错边量为t/10且不大于3.0mm,宽度方向的错边量腹板不应大于1.0mm,翼板不应大于2.0mm。
(3)钢板拼接前要检查坡口尺寸是否正确,并将坡口焊缝两侧各30~50mm范围内的铁锈、毛刺、污垢、冰雪等清理干净。
拼接缝两头搭上引弧板,引弧板的材质、厚度及坡口与母材相同,长度不小于100mm,引出焊缝长度:
埋弧焊时应大于50mm,焊条电弧焊时应大于20mm。
焊接完毕应采用气割切除引弧板,并修磨平整,不得用锤击落。
(4)拼接缝的焊接可用焊条电弧焊,其焊接工艺参数见表3。
表3钢板拼接焊工艺参数
焊接位置
电弧电压/V
焊接电流/A
焊接速度/(cm·min¯¹)
正面
36~38
170~200
12~15
背面
38~40
160~190
16~18
(5)拼焊应在H型钢组装前进行,构件的组装应在部件组装、焊接、矫正后进行。
(6)H型钢的组对在平台上进行。
焊接时如果放置不平,增加了焊后扭曲变形的可能性。
因此焊前要认真检查组对质量,平台使用前要将铁锈、毛刺等打磨干净。
(7)拼接时用焊条电弧焊点焊定位,定位焊缝高度不宜超过设计焊缝厚度的2/3,且不应大于8mm,焊缝长度不宜小于25mm。
点焊缝应在焊道内进行,并由持合格证的焊工按正式焊接工艺进行点焊。
(8)H型钢在焊接过程中由于受到电弧局部不均匀加热而产生变形和内应力,造成几何尺寸和形状的变化,降低了构件的承载能力和使用寿命。
因此必须采取合理的焊接方法、焊接程序、焊接参数和技术措施防止和减少焊接变形和内应力,确保焊接质量。
组焊时可制作如图1所示的刚性压紧装置,以防止H型钢焊接后有较大变形。
H型钢腹板要与圆钢对正,压紧翼板并使翼板有2~3mm的反变形。
焊接时由两名焊工从H型钢两侧同一头以相同的焊接参数进行焊接。
(9)为了限制、缩小焊接热场,压紧装置也可在冷却水中冷却。
为确保焊接质量,加快工程进度,焊接时可采用气保护半自动弧焊法。
这种焊接方法,焊接效率高,是一般焊条电弧焊的2~3倍,成本低,质量高,电弧稳定,变形小。
另据有关文献介绍,在焊条电弧焊中采用铁粉焊条代替普通焊条,可大大提高焊接生产率。
焊接熔敷速度可提高30%,每千克熔敷金属燃烧时间减少124.8%,每千克熔敷金属耗电量减少37.8%,每名焊工一天可焊25kg焊条,提高工效达60%以上。
显而易见,高效铁粉焊条熔敷效率高,可节省工时、人力、电能、机械台班以及钢材消耗,经济效益显著。
我公司将在今后的钢结构工程施工中,大力开发使用铁粉焊条施焊,以确保工程质量和经济效益。
(10)在焊条电弧焊时,应按焊接顺序和工艺规程施焊。
多层焊时宜连续施焊,中途不得间断,每一层焊道焊完后应及时清理检查,清除缺陷后再焊。
工艺参数见表4。
表4H型钢焊条电弧焊工艺参数
层数
焊条
规格Ø/mm
电弧电压/V
焊接电流/A
焊接速度/(cm·min¯¹)
焊接
方法
根层
J422
4.0
35~36
190~210
13~16
分段焊
填充层
J422
4.0
36~38
200~220
16~18
连续焊
面层
J422
5.0
38~40
230~250
16~18
连续焊
(11)H型钢组装焊接时的允许偏差应符合表5的规定。
表5H型钢组装焊接允许偏差(mm)
项目允许偏差
截面宽度(b)±3.0
h<500±2.0
截面高度(h)500≤h≤1000±3.0
h>1000±4.0
翼板垂直度(△)b/100且不大于3.0
腹板中心偏差(e)±2.0
扭曲h/250且不大于5.0
t<143.0
腹板局部平面度(f)
t≥142.0
弯曲矢高L/1000且不大于5.0
L为组装H钢长度
(12)焊接完毕,焊工应及时清理熔渣及飞溅物,进行外观检查,检查表面质量及几何尺寸,表面焊波应均匀,不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑和气孔等缺陷,对接焊缝按设计要求进行X射线检验或超声波检验。
焊缝外形尺寸执行现场行国家标准《钢结构焊缝外形尺寸》,X射线检验应符合国家标准GB3323《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》,超声波检验应符合国家标准GB3323《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》,超声波检验应符合国家标准GB11345《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》。
(13)个别H型钢焊后没有达到标准要求的按机械法或火焰法进行矫正调直。
制作完毕后,按要求进行钻孔、除锈、涂漆,作好标记,编号出厂,以便安装。
2钢结构的变形矫正
2.1焊接变形的主要原因
(1)焊缝在结构的位置原因,不同的焊缝位置在焊接完成后都会产生不同形态的变形,这主要是由破口角度、接头形式等结构形态不同而引起的重力性变形。
(2)结构刚性导致的变形,在受力相同的情况下,刚性较大的结构变形就小,而刚性弱则变形大,如较薄的钢结构与小而重的结构进行焊接时,刚性小的薄片结构就容易变形。
(3)焊接顺序和装配原因,一个同样的焊接结构采用不同的床配方法和焊接顺序都会对其变形产生一定的影响,如前面提到的刚性较弱的结构如在安装和焊接顺序上增加了对其的载荷就容易使之变形。
(4)焊接材料的原因,焊接后由于热胀冷缩的原因材料会在焊接后产生一定的变形,而焊接材料的线膨胀系数较大则会对焊接变形影响较大。
如:
不锈钢和铝材的焊接后变形的几率要大于碳钢材料,就是这个原因。
(5)焊接采用方法的原因,在焊接过程中,焊接使得焊件受热而温度升高,金属材料的导热性会导致整个材料变热,而焊件的体积越大则受热变形的几率也就越大,变形也就越严重。
如:
实践中气焊比手弧焊的变形大,而手弧焊比气保护焊接的变形严重。
因此应当根据材料和工艺的要求选择合适的焊接方法。
(6)焊接规范执行原因,对焊机规范的执行也可以影响焊接的变形,如:
变形随着焊接电流的增加而增加,焊条直径越大而变形增大。
因此在焊接中应当根据技术标准尽量选用更加合理的焊接规范来进行操作。
2.2控制焊接变形的方法
2.2.1坡口设置
合理设置坡口可以有效减小焊接变形。
如对于拼接焊缝,特别是厚板的拼接焊缝,为了减少焊后变形,将坡口设置成非对称坡口,如图1所示。
具体方法是:
先焊坡口较深一侧的1/3,翻转背面焊接完成后,再翻过来焊接剩余的2/3。
两次翻转焊接完成整条拼缝。
实践证明,此方法翻转次数少,焊接变形小,生产效率高。
2.2.2选择合理的焊接顺序
选择合理的焊接顺序既能减小焊接应力集中,又能防止焊接变形。
如腹板较宽需多块钢板拼接时,应先焊横焊缝,后焊纵焊缝,如图2所示。
图2中有四处焊缝,焊缝1、2、3可互换焊接顺序,但焊缝4必须在焊缝1~3焊接完成后才能进行焊接,这是因为焊缝1~3焊接完成后会产生横向收缩,再焊接焊缝4(产生纵向收缩)时已得到释放。
如果全部点焊后不论顺序焊接,在丁字口处容易产生应力集中,且钢板焊后易产生波浪状变形。
2.2.3反变形措施
反变形措施常用在角焊缝的焊接中,特别是薄翼板与腹板的焊接,如图3所示的叠梁,叠板1、2厚度只有25mm。
在与腹板焊接时两端易产生向腹板方向的翘曲变形,为了保证叠板1、2中间的贴合面要求,采取反变形措施(见图3a),通过焊接热输入精确计算变形量b,这样叠板1、2与腹板焊接后基本能恢复到平直状态(见图3b)。
2.2.4对称焊缝采用对称焊接施工
对于截面形状对称、焊缝分布均匀,且是对称构件,应采用对称焊接施工。
如腹板上的筋板,筋板的两侧均与腹板焊接,因此焊接时应由两名焊工在筋板两侧同时施焊,这样焊后筋板才能基本垂直于腹板,很少校形;否则焊完筋板一侧再焊另一侧,由于焊接变形,焊后筋板很难垂直于腹板,需大量火焰矫正。
2.3减少焊接应力的措施
2.3.1焊缝尺寸的选择
焊缝应力是由焊接区域热胀冷缩形成的,焊接区域越小,热输入就越少,变形也越小,如小角度坡口、厚板尽量采用双面坡口。
2.3.2合适的焊接材料和焊接参数
焊材选择适当可有效降低焊缝中淬硬组织的形成和应力集中,提高焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能。
通常都是使焊缝金属的含碳量低于母材,依靠提高焊缝中硅、锰含量来达到与母材等强度。
焊接参数中的焊接线能量与焊接变形成正比,焊接线能量越大,则焊接时产生的塑性变形越大,应力越大,焊后变形也越大,反之则越小。
2.3.3合理的焊接工艺
对于钢结构中的长焊缝,在可能的情况下将连续焊改成分段焊接,分段焊时在接头处要交错覆盖对方的接头,避免接头对齐。
分段焊时注意焊接变形,温度太高时要停下来缓冷或翻转焊接背面;多件焊接时要先焊拘束度大的构件,后焊拘束度小的构件;三面焊接时可适当地改变焊接方向,从中间向两侧焊接。
2.3.4热处理措施
采取适当的热处理措施,既能消除应力和变形,又能防止产生裂纹。
如厚板下料和焊接前应进行预热,因为预热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度,抑制淬硬组织马氏体的形成,避免气割边缘和焊缝产生较大的应力。
如厚度大于100mm的低合金钢板预热温度应高于100°C,加热范围为切割线或坡口两侧150~200mm。
焊后进行缓冷或后热,以利于焊缝中扩散氢的逸出,避免氢富集产生应力,后热温度高于150°C,保温2~3h。
消除应力的退火处理除了可使氢逸出外还能改善组织性能,退火处理温度550°C~600°C。
2.3.5采取振动时效的方法消除应力
对于不易进行焊缝退火处理的大型结构件可进行振动时效。
振动时效的原理是给工件施加一个与固有谐振频率相一致的周期振动力,使其产生共振,从而产生一定的共振能量,使工件内部产生微小的塑性变形,将残余应力造成的歪曲晶格恢复到平衡状态,从而消除或均匀化残余应力。
使用该方法具有生产周期短、效率高,效果好等优点。
如果生产周期较长,还可以采取振动时效和自然时效相结合的办法。
2.4常见H型钢的焊接变形与解决方法
H型钢在焊接中会产生变形,主要有:
直线变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形,因此焊后应对变形的工件进行矫正。
(1)型钢焊后的纵向收缩是不可避免的,因此直线变形也不可避免。
可通过号料时预留焊接收缩量来解决。
(2)由于焊接顺序的不当可引起构件出现旁弯或拱弯,产生弯曲变形,其变形方向和大小主要是受工件四条角焊缝的焊接顺序和工艺参数影响。
为保证焊缝的焊接质量,可采用“船形焊”以及工件的“翻转法”和合理焊接顺序来减少弯曲变形。
产生弯曲变形的工件,可在凸起一侧用“三角形加热法”矫正,加热温度在600~700°C,三角形夹角在30°左右。
(3)预防角变形的最好方法是反变形法。
焊后发生角变形时,可采用火焰在贴角焊缝外侧用“线加热法”矫正,加热宽度为板厚的2~3倍,温度在500~600°C左右。
(4)型钢在焊接时由于搁置不平以及焊接顺序和焊接方向不合理,构件焊后易出现扭曲变形,因此在焊接时,应从相对固定的一端向有较大变形的自由端进行。
一般先焊有较大收缩变形的焊缝,后焊收缩变形较小的焊缝,并且尽可能减少焊接时的拘束。
扭曲变形矫正时可采用不对称的火焰区来矫正。
综上所述,随着社会的进步和科学技术不断创新,建筑钢结构焊接方面的的工艺以及技术也在不断的更新和完善,近些年新的焊接技术不断的被创造和使用到工程施工中去,不仅为建筑钢结构焊接施工带来了更加简单快捷的方法,而且实现了钢结构技术在建筑领域的快速发展,以及钢结构在建筑方面的质量保证,钢结构的焊接水平提高起到了至关重要的作用。
因而,通过采取适当的设计措施和工艺措施,可以有效地控制钢结构的焊接变形,保证工程质量。
由于影响钢结构焊接变形的因素较多,因此出现焊接变形也是难免的。
具体问题具体分析,将焊接变形控制在最小范围之内,不要影响到钢结构的尺寸精度和安装技术要求。
参考文献:
[1]吕仲,韩巧珍.钢结构焊接变形控制.电焊机,2011.
[2]赵梅.建筑钢结构焊接施工工艺.应用技术,2011.
[3]刘利民.H型钢结构的制作焊接工艺及方法.焊接技术,2001.
[4]徐鹏毅.钢结构焊接现场施工工艺探讨.中国高新技术企业,2008(10).
[5]朱江.焊接变形的控制和预防[J].电焊机,2009.
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