钢框架结构焊接变形分析与控制方法研究
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摘要:钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的,但可以通过合理的施工措施来予以控制。本文对钢结构经过焊接加工后变形种类进行分析,然后分析焊接变形的成因,最后指出预防和减少焊接变形的方法,并对焊接变形矫正给出方法。
关键词:钢结构 焊接变形 控制方法
焊接对钢结构来说是一把双刃剑,它成就了钢结构建设的高速度,但是钢结构在焊接时产生的变形问题,也会极大地影响钢结构的施工质量。钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的,但可以通过合理的施工措施来予以控制。
1.变形的种类
钢结构经过焊接加工后,都会发生一定的形状改变,这就是焊接变形。钢结构焊接变形的几种基本形式主要有以下几种:
①线性变形
1)纵向变形:是焊缝纵向收缩引起的;
2)横向变形:是焊缝横向收缩引起的。
②角变形
贴角焊缝上层焊量大,收缩量也大,因此角变形主要是焊缝在其高度方向横向收缩不均匀引起的。
③弯曲变形
对丁字型截面,焊缝收缩对重心有偏心距,因而使截面向上弯曲,所以弯曲变形是偏心焊缝的纵向收缩引起的。
④扭转变形
钢结构焊接过程中,有些特殊的结构形式会出现波浪线型或螺线型变形即为扭转变形,其成因较为复杂。
2.焊接变形的成因
焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热,以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的刚性拘束作用,通过力、温度和组织等因素,从而在焊接接头区产生不均匀的收缩变形。
①结构刚度刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力,它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。如桁架的纵向变形,主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸;再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯曲变形,主要取决于截面的抗弯刚度。
②焊缝位置和数量
在钢结构刚性不大时,焊缝在结构中对称布置,施焊程序合理,则只产生线性缩短;当焊缝布置不对称时,则还会产生弯曲变形;焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时,只要施焊程序合理,则只产生线性缩短;当焊缝截面重心偏离接头截面重心时,则还会产生角变形。
③焊接工艺
焊接电流大,焊条直径粗,焊接速度慢,都会造成焊接变形大;自动焊接的变形较小,但焊接厚钢板时,自动焊比手工焊的焊接变形稍大;多层焊时,第一层焊缝收缩量最大,第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20%和5%～10%,层数越多焊接变形也越大;断续焊缝比连续焊缝的收缩量小;对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2倍～4倍;焊接次序不当或未先焊好分部构件,然后总拼装焊接,都易产生较大的焊接变形。
3.预防和减少焊接变形的方法
①放样和下料措施
为了补偿施焊后焊缝的线性收缩,梁、桁架等受弯构件放样时要起拱,放样下料时要留出收缩余量。放拼装台时要放出收缩量,一般受弯构件长度不大于24m时放5mm,长度大于24m时放8mm。
②装配和焊接顺序
钢结构制作拼装的平台应具备标准的水平面,平台的钢度应保证构件在自重压力下,不失稳、不下沉,以保证构件的平直。小型结构可一次装配,用定位焊固定后,以合适的焊接顺序一次完成。如截面对称的构件,装配焊接顺序是先整体装配后焊接,焊接时应采用对角焊接法的顺序以平衡变形,同时应采用翻转架或转动胎具,以便形成船形位置焊缝,否则可由两个或四个焊工分别采用平焊和仰焊,由中间向两端焊接。大型钢结构如大型桁架,尽可能先用小件组焊,再总体装配和焊接。桁架和屋架端部的基座、屋架的天窗架支承板应预先拼焊成部件,以矫正后再拼装到屋架和桁架上,屋架和桁架的焊接顺序是:先焊上、下弦连接板外侧焊缝,后焊上、下弦连接板内侧焊缝,再焊接连板与腹杆焊缝,最后焊腹杆、上弦、下弦之间的垫板。桁架一面全部焊完后翻转,进行另一面焊接,其焊接顺序相同。手工焊时,应采用四个焊工同时从上、下弦中间向两端对称焊接。拼装时,为防止构件在拼装过程中产生过大的应力和变形,应使不同型号零件的规格或形状符合规定的尺寸和样板要求,在拼装时不宜采用较大的外力强制组对,以防构件焊后产生过大的拘束应力而发生变形。
③焊接工艺措施
焊接施工时,应选择合适的焊接电流、速度、方向、顺序,以减少变形。焊接金属构件时,应先焊短,后焊长;先焊立,后焊平;先焊对接缝,再焊搭接缝,应从中间到两边,从里到外焊接。集中的焊缝应采用跳焊法,长焊缝采用分段退步焊和对称焊接法。
④反变形法
拼装时,根据工艺试验和施工经验,使构件向焊接变形相反方向作适量的预变形,以控制焊接变形。这种方法需要预先进行试验,根据焊缝的设计要求,调整好焊接规范,选用材质和规格相同的钢板预先做一个试件进行焊接,使焊缝形式、焊角高度符合设计要求,焊完冷却到环境温度后测量翼板的变形量,把所测量的数值作为压制反变形的参数,压力机在翼板中心线上压出变形量的数值,使翼板的两端预先呈上翘状态,抵消焊接变形量,焊后正好持平。采用这种方法需要一台相应吨位的液压压力机。
⑤刚性固定法
焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件,增加刚性后,再进行焊接,这样焊接中的加热和冷却的收缩变形,被固定夹具等外力所限制,但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢,不适应中碳钢和可焊性更差的钢材。
4、焊接变形矫正方法
构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时,必须进行矫正,方法有:机械矫正法、火焰矫正法和混合矫正法。施工时,可以根据实际情况合理选用,矫正时要遵守以下原则:先总体,后局部;先主要,后次要;先下部,后上部;先主件,后副件。
①机械矫正法
机械矫正法是利用机械力的作用,以矫正焊接变形,常采用撑直机、压力机、千斤顶及各种小型机具顶压矫正构件变形。矫正时,将构件变形部位放在两支撑之间,对准构件凸出部位缓慢施力,即可矫正。
②火焰矫正法
采用火焰矫正的原理与焊接变形的原理相同,只是反其道而用之,通过给金属输入热量,使金属达到塑性状态,从而产生变形,构件被局部加热后,依靠加热区的膨胀与收缩差,使构件按照预定的方向发生变形,从而达到矫正的目的。
用火焰加热矫正构件时,一定要让构件处于自由状态,一些自重较大的构件加热后要用吊具提起离开平台,以免自重产生的摩擦力阻碍变形,影响矫正效果。采用火焰矫正法,20m长的钢柱其侧向弯曲和起拱量可以矫正在6mm之内,翼板下挠度可控制在2mm内,远远低于规范要求。但用火焰矫正,在实际施工中很难定量地确定加热部位、加热温度、时间、区域长度等,主要靠积累经验。
利用火焰矫正方便快捷,但必须注意几项基本要领。首先加热温度要掌握好,一般控制在650℃～850℃之间;要掌握在不同环境和不同气温情况下的加热温度;变形量较大的构件一次加热不能完全清除变形时,应错开原来的加热点进行第二次加热矫正;采取合理的矫正顺序,先矫正翼板的不平、倾斜,再矫正侧向弯曲和起拱;矫正过程中要经常用靠弯尺、细钢线、水准仪等检查矫正情况,防止矫枉过正,产生新的变形量。
5、结束语
上述方法都是钢结构焊接施工中对变形预防控制和矫正的一些常用方法,但何时应用何种方法并无明确的规定,通常要根据结构形式和施工方案,并结合丰富的施工经验才能取到事半功倍的效果。
参考文献:
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[3]周浩森等编.焊接结构设计手册[M].北京:机械工业出版社,2007
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作者简介:李莉,女,中国冶金建设有限公司金属结构制造分公司,从事:钢结构制造和设计工作
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