首創(chuàng)麗澤工程十字柱焊接變形的控制
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趙俊 左松
（中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結(jié)構(gòu)分公司，河北廊坊065000）
摘 要：在鋼結(jié)構(gòu)制作加工時(shí)，構(gòu)件中不利的殘余應(yīng)力會(huì)直接導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)變形、裂縫等缺陷。殘余應(yīng)力除了會(huì)影響鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度以及抗應(yīng)力腐蝕能力外，還會(huì)影響鋼構(gòu)件的使用年限和安全。首創(chuàng)麗澤工程的十字柱截面尺寸較小，板材較厚，焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生焊接變形，通過(guò)分析十字柱產(chǎn)生焊接變形的原因，從坡口形式、焊接順序、焊后校正等措施入手，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：十字柱；焊接變形；殘余應(yīng)力；變形控制DOI:10.13206/j. gjg201604023
1 工程概況
首創(chuàng)金融商務(wù)區(qū)F02、F03地塊項(xiàng)目，位于北京市豐臺(tái)區(qū)，主要包括裙房和塔樓，其中裙房主要用于商業(yè)，塔樓作為辦公和酒店式公寓。F02地塊總建筑面積200 467 m2，其中地下建筑面積50 567 m2，地上裙房建筑面積3 1 500 m2。F02 -1塔樓建筑面積為67 550 m2，高度150 m; F02 -2塔樓建筑面積為50 850 m2，塔樓高度117.4 m; F03地塊建筑總面積218 813 m2，其中地下建筑面積58 813 m2，地上裙房建筑面積41 000 m2，塔樓地上建筑面積119 000 m2，F(xiàn)02、F03塔樓的建筑形式為：型鋼混凝土外框架+核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)。
該工程的十字柱設(shè)計(jì)比較有特色，典型的構(gòu)件以F02 -2塔樓外框柱和核心筒十字柱為例進(jìn)行介紹，L2 - YZI -I卜字柱截面（圖1）的規(guī)格為700 mm×700 mm，翼緣板和腹板板厚均為30 mm，柱身長(zhǎng)約10.5 m；SLl - H22 -2十字柱截面（圖2）尺寸為800 mm×700 mm，翼緣板和腹板板厚均為50 mm，柱身長(zhǎng)約5.5 m。該十字柱截面尺寸較小，板材較厚，焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生焊接變形。
2 十字柱變形的產(chǎn)生
2.1 T形構(gòu)件的變形
T形接頭組焊完成后，翼緣板與腹板上的殘余應(yīng)力分布如圖3所示，在腹板的中間部位殘留的是壓應(yīng)力區(qū)，腹板的近焊縫區(qū)域和遠(yuǎn)離焊縫的遠(yuǎn)端殘留的是拉應(yīng)力；翼緣板的焊縫區(qū)域殘留的是拉應(yīng)力，兩端殘留的是壓應(yīng)力。施焊時(shí)，焊縫附近溫度最高，在焊縫區(qū)以外，溫度則急劇下降。焊縫區(qū)受熱而縱向膨脹，但這種膨脹因變形的平截面規(guī)律（變形前為平截面，變形后仍保持平面）而受到其相鄰較低溫度區(qū)的約束，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。由于焊縫區(qū)與其鄰近鋼材是連續(xù)的，焊縫區(qū)因冷卻產(chǎn)生的收縮變形又因平截面規(guī)律受到鄰近低溫區(qū)鋼材的約束，使焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這個(gè)拉應(yīng)力在焊件完全冷卻后仍殘留在焊縫區(qū)的鋼材內(nèi)，對(duì)于低合金鋼材焊接后的殘余應(yīng)力�？蛇_(dá)到其屈服極限。又因截面上殘余應(yīng)力必須自相平衡，焊縫區(qū)以外的鋼材截面內(nèi)必然有殘余壓應(yīng)力。除產(chǎn)生上述焊接殘余應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生橫向殘余應(yīng)力。橫向殘余應(yīng)力的產(chǎn)生由兩部分組成：其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮引起的，其二是由焊縫的橫向收縮引起的，最后的橫向焊接殘余應(yīng)力應(yīng)當(dāng)為兩者疊加。焊縫中由焊縫橫向收縮產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力將隨施焊的程序不同而異。
由于T形的翼緣板與腹板之間為全熔透與半熔透混合焊縫，開(kāi)制的坡口為3/7的全熔透焊縫坡口，造成焊縫填充量較大，單位厚度焊接線能量較大，再加上焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，造成了T形的橫向收縮變形與縱向收縮變形；T形的焊縫中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合，使縱向收縮力在焊件中性軸兩側(cè)引起的變形不能相互抵消，除了引起其收縮變形外，同時(shí)還會(huì)引起焊件的撓曲變形。
T形中腹板上開(kāi)制的3/7坡口，由于腹板兩側(cè)的焊縫填充量不同，造成焊接區(qū)沿板厚方向的不均勻橫向收縮，極易形成角變形。
2.2 H形構(gòu)件的變形
圖4為H形構(gòu)件典型的殘余應(yīng)力分布。在腹板的中間部位是壓應(yīng)力區(qū)，在腹板的兩端焊縫處和上、下翼緣板焊縫周圍以及板邊主要產(chǎn)生的都是殘余拉應(yīng)力，并且腹板和翼緣板焊縫周圍拉應(yīng)力重疊，由于翼緣板采用數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行的切割，故在翼緣板邊緣保留有火焰切割所產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力。
此外，焊接方法及焊接順序的不合理會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的出現(xiàn)，尤其是對(duì)于一些焊接部位較多，焊接程序復(fù)雜的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，采用不同的焊接順序進(jìn)行焊接，最終產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也是不盡相同的。焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理，在構(gòu)件的焊接過(guò)程中，需要綜合考慮構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、厚度等各種因素才能進(jìn)行焊接方法的選擇及焊接參數(shù)的設(shè)置，否則很容易在焊接的過(guò)程中形成凹坑、氣孔、裂紋等缺陷。
2.3 產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的微觀解釋
通常情況下認(rèn)為，焊件在焊接過(guò)程中受到局部的、不均勻的加熱和冷卻使焊接接頭各部位金屬熱脹冷縮的程度不同，因焊件本身是一個(gè)整體，各部位是相互聯(lián)系、相互制約的，不能自由地伸長(zhǎng)和縮短，這就使接頭內(nèi)產(chǎn)生不均勻的塑性變形，在此過(guò)程中就要產(chǎn)生應(yīng)力和變形。表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，在熱傳導(dǎo)作用下致使焊接接頭形成了高溫區(qū)，材料發(fā)生熱膨脹而受到周圍母材形成的低溫區(qū)域的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過(guò)程中已產(chǎn)生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材料的限制而不能自由收縮，不同程度上又被拉伸而“卸載”；與此同時(shí)熔池凝固金屬冷卻收縮也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力與變形，也就是高溫焊縫區(qū)受到拉應(yīng)力，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變。
在焊接過(guò)程中，焊縫金屬在熱膨脹過(guò)程中受到處于相對(duì)低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結(jié)構(gòu)外拘束，不能夠自由膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應(yīng)力減小，焊接便形成了應(yīng)力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生壓縮彈性變形，為使整個(gè)構(gòu)件平衡，接頭高溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。
在焊接接頭冷卻過(guò)程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由于不能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，縮短時(shí)受內(nèi)外拘束條件的限制，焊縫金屬產(chǎn)生了拉應(yīng)力，屈服點(diǎn)卻隨溫度的降低而升高，因此焊縫產(chǎn)生了一定量的拉伸應(yīng)變，并未完全拉伸而卸載，即焊接拉應(yīng)力在焊縫拉伸過(guò)程中有所減小，當(dāng)減小到屈服點(diǎn)以下就以彈性應(yīng)變的形式存在于焊接構(gòu)件當(dāng)中，即產(chǎn)生拉應(yīng)力，以此平衡與此構(gòu)件當(dāng)中產(chǎn)生的焊接壓應(yīng)力，最終整個(gè)構(gòu)件在一拉一壓應(yīng)力作用下平衡了，且構(gòu)件面積變小。
由此可見(jiàn)焊接應(yīng)力與變形總是成對(duì)出現(xiàn)，在焊接應(yīng)力、溫度和屈服強(qiáng)度的對(duì)比條件下相互轉(zhuǎn)化，溫度升高，屈服強(qiáng)度降低，變形增加，焊接應(yīng)力減��；反之，屈服強(qiáng)度降低，變形減小，焊接應(yīng)力增加。
3控制十字柱變形的措施
將常用的控制焊接變形的措施與麗澤十字柱相結(jié)合，與產(chǎn)生變形的原因相對(duì)應(yīng)，從剛性固定、火焰矯正、焊接順序等方面出發(fā)，提出控制偏心十字柱變形的措施。
3.1 選擇合理的坡口尺寸
焊縫尺寸的大小直接影響到焊接變形的大小。通常在選擇焊縫尺寸時(shí)會(huì)考慮在保證焊接承載力要求的前提下，優(yōu)先選用焊縫尺寸較小的。因?yàn)�，隨著焊縫尺寸增大，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生線能量增大，從而增大焊接量及焊接變形。將柱身范圍內(nèi)的全熔透坡口（圖5）由3/7改為4/6，減小坡口尺寸與焊縫截面積，從而降低焊縫金屬的填充量，減小收縮變形。
3.2合理的裝配焊接順序
采用合理的裝配焊接順序和方向來(lái)減小焊接變形。一是盡可能考慮焊縫的自由收縮，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)從中間向四周對(duì)稱進(jìn)行；二是收縮量大的焊縫先焊，因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，殘余應(yīng)力就比較��；三是采取對(duì)稱焊接，對(duì)于剛性大而斷面對(duì)稱的構(gòu)件，在施焊時(shí)可采用對(duì)稱的焊接順序，這對(duì)于保證構(gòu)件得到最小的彎曲變形是十分有利的；四是采用焊縫的不同焊接法，在焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法。
3.2.1 H形鋼組立與焊接
組立前先檢查組裝用零件的編號(hào)、材質(zhì)、尺寸及坡口形式、數(shù)量和加工精度等是否符合圖紙和工藝要求，確認(rèn)后才能進(jìn)行裝配。檢查所下料的板件是否平整，否則利用立式液壓機(jī)或鐵錘進(jìn)行矯正，以保證其平整度。對(duì)鋼板有馬刀彎者采用火焰矯正的方法進(jìn)行矯正，火焰矯正的溫度不得超過(guò)650℃。
H形鋼的翼板和腹板下料后應(yīng)標(biāo)出翼板寬度中心線和腹板拼裝位置線，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行H形鋼的拼裝。為防止在焊接時(shí)產(chǎn)生的角變形過(guò)大，拼裝時(shí)可適當(dāng)用斜撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，斜撐間隔距離視H形鋼翼腹板的厚度進(jìn)行設(shè)置。
H形鋼拼裝定位焊所采用的焊接材料須與正式焊縫的要求相同，厚板的定位焊須用火焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度40~60℃，定位焊的焊腳不應(yīng)大于設(shè)計(jì)焊縫的2/3，且不得大于8 mm，厚板定位焊縫長(zhǎng)度不得小于60 mm，間距不大于600 mm，定位焊焊縫不得有夾渣、氣孔和裂紋，否則必須清除后重新焊接。
3.2.2 組裝十字柱
長(zhǎng)焊縫可同時(shí)安排兩名焊工從焊縫中心線往兩頭焊接，避免熱量過(guò)分集中。如圖6所示。該構(gòu)件采用氣保焊焊接，選兩個(gè)焊工分別在一側(cè)從中間位置對(duì)稱向兩端焊接，首先將①、②焊縫進(jìn)行打底，然后將構(gòu)件翻身，焊接③、④焊縫，打底，填充，接下來(lái)將構(gòu)件再次翻身，將①、②焊縫填充，蓋面，最后將③、④焊縫蓋面，見(jiàn)圖7。
在整個(gè)焊接過(guò)程中，對(duì)焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行有效合理的控制，采用小電流焊接，以減小熱影響區(qū)的寬度和粗晶脆化的程度。做到多層多道，窄焊道薄焊層，既可以起到預(yù)熱，又可以起到回火的作用，因此有利于降低熱影響區(qū)的硬度、應(yīng)力和提高塑性。
3.3 焊接后措施
3.3.1 機(jī)械矯正
機(jī)械矯正法是用機(jī)械來(lái)矯正焊接H形鋼及T形鋼等構(gòu)件的彎曲變形的一種方法，在加工廠內(nèi)采用大功率翼緣矯直機(jī)，利用圓盤形滾輪來(lái)碾壓焊縫及其兩側(cè)壓縮塑性變形區(qū)，使之伸長(zhǎng)來(lái)達(dá)到消除變形的目的。
3.3.2火焰矯正
對(duì)于焊接變形常用到的加熱方法有線狀加熱法、點(diǎn)狀加熱法、三角形加熱法3種。翼緣板產(chǎn)生的角變形可采用縱向線狀加熱的方法；柱、梁、撐等構(gòu)件局部彎曲變形，在翼緣板上，對(duì)著縱長(zhǎng)焊縫，由彎曲中心向兩頭作線狀加熱，即可矯正彎曲變形。如果效果不理想，可用輔助加載的方法。翼緣板上作線狀加熱，在腹板上作三角形加熱。加熱三角形從頂部開(kāi)始，從中心向兩邊擴(kuò)大，一層層加熱直到三角形的底為止；柱、梁腹板的波浪變形矯正是在波峰處用圓點(diǎn)加熱法配合手錘矯正。加熱圓點(diǎn)的直徑一般為100~ 200 mm�？咀鞆牟ǚ迤鹱鰣A形挪動(dòng)，選用中溫矯正。當(dāng)溫度到達(dá)600~ 700℃時(shí)，在波峰位置加墊板后再用大錘擊打墊板，使加熱區(qū)金屬受壓，冷卻后變平。矯正時(shí)完成一個(gè)點(diǎn)后再進(jìn)行第二個(gè)波峰點(diǎn)的加熱矯正。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)采取一系列措施，麗澤十字柱的焊接變形得到了很好的控制。由于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生焊接變形的起因有很多，同時(shí)還會(huì)因操作環(huán)境及其焊工的操作技能的情況而受到影響。因此，為了真正實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的有效控制，必須在實(shí)踐操作過(guò)程中進(jìn)行不斷的總結(jié)，提高控制焊接應(yīng)力和焊接變形技術(shù)水平，方可對(duì)其進(jìn)行有效的控制。在施工過(guò)程中，一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和焊接順序，制定合理的焊接坡口，以便減少和消除焊后殘余應(yīng)力和變形。
