浅析厚板箱型焊接变形控制技术

梁超群

【摘要】本文以柳州国际会展工程厚板箱型焊接变形控制技术为例，结合生产实际提出了一些防变形的方法和经验，为以后厚板型箱型构件的加工提供借鉴。

【关键词】箱型;厚板焊接;防变形

柳州国际会展工程用地面积约162311.35万m2，总建筑面积约25277.89万m2，主要建设内容有一栋会展建筑和一栋配套办公大楼。本工程钢柱均为钢-砼柱。钢结构主要为钢管混凝土柱，需内灌混凝土并外包200mm厚钢筋混凝土，截面均为箱型柱，数量为124根，箱型钢柱最大截面为口1700×1600×60×60，箱型柱隔板最厚钢板为70mm。本工程需要加工的箱型构件焊接主要是25mm厚以上1000×1000以上的截面，其中板厚大于30mm以上的构件占比为69%，加工难度非常大，工艺要求非常高。初期制作的构件中出现的问题，集中表现在腹板和翼缘焊接过程中变形过大，厚隔板焊接过程中引起钢柱腹板、翼缘局部变形严重等问题。焊接30mm以上的厚板箱型，在之前的项目中从未遇见过这么严重的变形问题，在这个项目中第一次面对。如何控制好厚板焊接过程中的变形问题成为保证这批构件质量的重要工作。为了解决这一问题，项目组展开了多方面的了解分析。

1.箱型构件焊接工艺的主要流程

箱型构件的生产流程主要有：原料检验、切割下料、底板及腹板拼装、隔板拼装、盖板拼装、其他连接板拼装、表面处理工作、报检工作、涂装工作、入库发货运输。

1.1原料检验

钢板进厂，对原材料进行检验，从规格到材质一一检验清楚后入库。

1.2切割下料

采用多头自动切割机下料，腹板、翼缘号料时要根据板宽预留出切割余量，长度方向为40～50mm，宽度方向为3～4mm，钢板切边10～20mm。根据板厚选择3或者4号割嘴进行腹板、翼缘条料的切割。条料切割后按焊接需要沿条料长度方向用坡口机打好焊接坡口。

1.3底板及腹板拼装

箱型构件的底板和腹板截面如图1。

如图1所示，箱型柱的初步拼装主要组成有：底板、兩侧腹板、拼装拉板。焊缝均采用加衬板坡口焊形式。

1.4隔板拼装

箱型构件内隔板的焊接先采用气保焊进行三面坡口焊。焊接前内隔板要先开好坡口，以保证焊接质量，如图2所示。

1.5盖板拼装

箱型构件组装完成后主截面如图3。箱型柱接下来的拼装工作有：盖板焊接、隔板与盖板面的焊接。盖板与两侧腹板焊接采用加衬板坡口焊焊接，隔板与盖板面采用电渣焊焊接。

1.6其他连接件拼装

其他连接件拼装主要有：牛腿、钢梁连接板、支撑连接板、柱底板等。

1.7箱型构件表面处理工作

箱型构件表面处理工作主要是抛丸喷砂，把构件表面的杂质清除，为下一道涂装工序做好准备。

1.8报检

表面处理工作完成后，接下来就是报检工作。主要检测的内容是：构件的焊接质量，连接零件定位准确度，构件整体尺寸准确度等。

1.9涂装工作

涂装工作一般分为：底漆、中间漆、面漆三大部分。油漆的涂刷厚度根据设计要求来进行涂刷。对有特殊需要的部位进行免油漆处理，例如：螺栓连接处、焊接连接处、栓钉连接处以及与混凝土连接面等。

1.10构件入库准备发往工地

构件油漆工作完成，等油漆晾干后，接下来就是入库工作，入库后构件等待装车发往工地。这一步标志着构件生产工作的结束。

2.厚板型箱型构件焊接工艺的主要情况

2.1主焊缝焊接顺序

箱型主构件的焊接顺序如图4所示，焊缝质量按设计要求，在该项目中主焊缝的质量要求为一级，每条焊缝进行100%的超声波检测。

2.2钢板对接焊

钢板对接一律采用一级焊缝，焊接形式均为坡口焊。根据板厚选择坡口的角度，一般多为30°和60°。

2.3内隔板的焊接

内隔板的焊接形式，根据内隔板的板厚与母材的板厚来确定焊接形式及焊缝高度。在本项目中均为20mm以上的厚板，故采用坡口焊接，焊接标准按重要等级分别是一级或二级。

2.4牛腿的焊接

牛腿与构件连接的焊缝等级多为一级，因为这里是主要的受力位置，属于重要焊接位置。

2.5柱底板的焊接

柱底板的焊接等级为一级，焊接前柱底位置箱型构件应预先开好坡口，焊接质量为一级。

2.6其他连接件的焊接

其他的连接件主要有：钢梁连接节点板，柱对接节点板，支撑连接板等。焊缝等级按重要级别分别为一级或二级。

3.厚板型箱型构件焊接变形控制的改善分析

在箱型构件的制作过程中，主焊缝焊接、钢板对接、牛腿的焊接、柱底板的焊接、其他连接件的焊接都没有产生过大的焊接变形。只有内隔板的焊接，在焊接过程中产生了较大的变形。变形产生后需要对构件进行矫正，而矫正工作也花费很多工时，这令构件的加工效率大打折扣。针对这一突出问题，经过调查发现，内隔板的焊接形式主要分两大类型：一种是内隔板的板厚比箱型构件的翼缘、腹板薄或者与之相等;另一种是内隔板的板厚比箱型构件的翼缘、腹板厚。而产生严重变形的位置主要以第二种类型为主。这一类型的变形量超出了验收标准，最大变形量达到了25mm，严重地影响了构件的质量。

下面来分析一下造成变形的主要原因：

3.1焊缝截面积的影响

焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积大小与焊接收缩量成正比。研究发现，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，并起主要的影响，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

3.2焊接热输入的影响

焊接过程中会产生热量，一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使施焊位置附近塑性变形区增大。

3.3焊接方法的影响

不同的焊接方法所产生的热输入差别较大，在钢结构焊接常用的几种焊接方法中，同等条件下，除电渣焊外，埋弧焊热输入量最大。在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，埋弧焊收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。

了解了变形产生的主要因素，为了保证构件的焊接质量，对之前的焊接工艺流程进行了详细的分析，现场调查工人的操作过程发现：按照以往的经验，内隔板的焊接均是采用坡口焊，焊接前、焊接后都不做太多处理，就让构件自然冷却准备下一道工序。这种工艺流程在内隔板厚度不超过翼缘、腹板时，构件不会出现严重的变形问题。而在内隔板厚度比构件翼缘、腹板厚时，构件的变形就会突显。因而，需要针对这一特点做相应的工艺修改。经讨论后，采用的主要措施有：

（1）焊前预热处理，在内隔板比构件翼缘、腹板厚时，焊接前應做好焊前预加热处理。根据项目构件内隔板的厚度明确预加热温度控制在120～150°左右。

（2）刚性夹具固定法控制焊后变形，针对厚型内隔板，采用隔板附近增加相应的刚性焊接变形约束，以此保证焊接后构件不能产生明显的变形。

（3）双面均可焊接操作时，采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。内隔板焊接时采用对称焊在同一时间进行施焊，这样保证内隔板与构件连接四周都能同时均匀受热，这样就能有效地控制该区域的变形情况。

（4）厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊，焊接厚型内隔板时，所有焊缝均采用多道焊来完成。

4.结语

在加工过程中，焊接前一定要了解构件的设计要求、结构特点、焊接工艺及工艺流程，不同的焊接件采用不同的焊接方法，使得焊接变形得到相应合理的控制，从而有效控制构件整体和局部的变形，焊接变形量的减少和消除是为了构件达到验收条件。通过实践不断总结、积累与焊接相关的各种特性及经验，对不同问题综合分析考虑，对问题各种因素细致分析，从中找到解决之法，从而保证构件的焊接质量及验收通过率。

参考文献

[1]张应立.焊接常见缺陷及处理[M].北京：化学工业出版社，2018：171-193.

[2]王纯祥.焊接工装夹具设计及应用[M].北京：化学工业出版社，2014：1-200.

[3]钢结构焊接规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2012：45-96.

[4]钢结构工程施工质量验收规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2002：6-58.

（作者单位：广西建工集团五建金结分公司）

【中图分类号】TU973.257

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）09-0124-03