双腹板H型构件边缘焊接变形控制

国家会议中心二期主体结构20.000?m标高的桁架由9榀主桁架、3榀次桁架及边桁架组成（图1），其中间部位的7榀主桁架的下弦杆均采用双腹板组焊H型钢（图2），材质为Q345GJCZ15，钢板厚45?mm。此类桁架构件的最大长度达13.37?m。

图1　桁架结构示意

图2　双腹板组焊H形钢截面

双腹板H型钢梁是一种新型的箱型结构梁，其承载力和延展性十分优良，已用于很多大型场馆中，但这类构件在焊接过程中极易变形，采用冷矫正或热矫正均需占用大量人力物力和工期。过多的热矫正还会降低材料的韧性，增大材料的硬度并降低温度耐受度，承载后易发生脆断；而冷矫正对温度和板材的要求较多，考虑到有时难以满足也不利于钢构件的使用寿命。由于焊接变形只能通过一定的方法加以控制和矫正而不能完全消除，因此须分析焊接变形的原因，采取控制措施，在提高生产效率的同时保证钢构件的质量与精度。本文介绍防止控制双腹板H型构件边缘焊接变形的技术措施。

经分析生产车间为减少构件在装配和焊接工序之间的倒运次数，一般均采用两侧腹板开单边V形坡口背面加工艺垫板的焊接工艺，该做法会增加焊接热输入量，导致焊缝应力集中加大；又由于构件钢板很厚，焊接过程中反复加热引起的收缩不均匀会导致构件出现由焊接收缩引起的上拱或下挠变形。因此可认为焊接变形的实质是构件将内部集中的应力释放达到平衡的过程，须从源头上控制应力集中或采用合理的方式释放残余应力以避免变形，从装焊顺序、刚性固定、焊接工艺、焊后矫正4方面采取措施。

1　装焊顺序

按设计要求，构件内隔板全熔透四面焊，该做法会导致内隔板四边集中大量残余应力，增大构件承载时焊缝在拉应力作用下发生冷裂纹的可能性。为降低残余应力，按图3做法进行装配。先在（b）处将内隔板的三面焊完，再盖面板；最后4条主焊缝一起焊接，在盖面板前完成内隔板与盖板的电渣焊。尽可能减小装焊过程中的拘束度，提前释放内部隐蔽焊缝的焊接残余应力。

（a）

（b）

（c）

图3　装配顺序示意

（a）第一步；（b）第二步；（c）第三步

2　刚性固定

将专用刚性支撑焊接在构件易变形位置，使其在焊接时不能移动，焊后待完全冷却形成稳定结构后再取下，此时焊件应力已缓慢释放，其变形比自由状态下小得多。为避免构件边缘产生波浪式变形，在构件长度方向每隔1?m设4个支撑，由于端头极易发生角变形，因此在构件两端头各设4个支撑。根据构件规格支撑设定为PL30×15×150（图4）。

（a）      （b）

图4　支撑板布置示意

（a）支撑板位置；（b）支撑板外形

3　焊接工艺控制

焊接是造成变形的直接原因，通过控制焊接工艺来减少变形是最直接有效的方法。焊接工艺受坡口形式、预热温度、焊接方法、焊接参数（电流、电压、焊接速度）、焊接顺序、焊后热处理等多因素影响，经分析其中焊接方法、焊接参数、焊接顺序和焊后消应力是对热输入影响较大的因素。为此采用以下措施将变形控制在允许范围内。

3.1　富氩气体保护焊打底填充+埋弧焊盖面

根据焊接构件的实际情况，焊接的线能量越低焊接区的膨胀收缩就越小，可据此控制构件的焊接变形。钢结构常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊三种，其中焊接效率高的是埋弧焊，线能量低的是气体保护焊，富氩的保护气体可避免熔覆金属氧化，减少夹渣，因此采用富氩气体保护焊打底填充+埋弧焊盖面不仅焊缝美观，且高热输入的埋弧焊会使上一道焊缝金属表面熔化，令表面附着的氧化渣杂质浮出熔池随埋弧焊熔渣凝固，提高焊缝质量。

3.2　小电流多层多道焊

焊接的线能量公式为：

式中： η 为效率系数； U 为电压（V）； I 为电 流（A）。

根据式（1）可看出电压及电流越小线能量越低，在焊件形式、尺寸和刚度形同的条件下，单道焊比多层多道焊产生的变形大，因此小电流多层多道焊对构件影响最小。根据经验及前期焊评试验，总结出表1所示的一套热输入小又满足设计要求的焊接参数。

表1　焊接工艺参数

3.3　对称焊

不同的焊接顺序会直接影响构件的变形情况。实际生产中焊接顺序的调整优化比较简单，成本又很低，几乎不影响工期，是焊接变形控制中相当重要的部分。由于双腹板H型钢截面具有对称性，可采用对称焊使对称位置焊缝的应力相互抵消，从而控制焊件变形。

3.4　局部高温回火

局部高温回火是将构件局部位置加热到一定温度后保温一段时间，再缓慢冷却的焊后消除应力方法。刚性固定法虽能显著减少变形，却会阻碍焊件自由收缩，焊后会在结构中形成较大的焊接应力，因此仍需在焊后进行消应力退火。一般做法是在焊缝两侧各100~200?mm加热使温度达到580~680℃；考虑到Q345GJCZ15为含钒低合金钢，在600~620℃回火后塑性和韧性会下降，故回火温度宜为550~560℃。局部高温回火时，焊缝加热和冷却应尽可能对称进行，避免产生新的残余应力。使用该法能降低局部应力峰值，改善焊缝的显微组织，减少脆断的可能性。

4　焊后矫正

由于构件所用板材较厚，局部焊缝集中位置（如托座、内隔板等处）的变形难以控制，临时支撑取下后由于内部残余应力作用仍会发生翘边现象，因此构件消除应力后还需进行矫正。对局部变形，可根据变形位置和应变大小采取不同的矫正方法，通常采用火焰矫正和机械矫正。低碳钢和低合金钢的火焰矫正温度为650~800℃，一般不宜超过800℃，否则会引起加热区过热；火焰矫正完成后立即使用千斤顶矫直使其缓慢冷却，避免矫枉过正。两者配合可使矫正后的翼缘板更平直，效果更明显（图5）。

图5　焊后矫正示意

5　结束语

焊接结构变形是多因素共同作用的结果，可根据实际情况选择简捷、有效的措施大幅度降低构件的变形量。国家会议中心二期工程的双腹板H形构件报验后，经评定质量符合设计及规范要求，无需返修，大幅度减少了矫正工作量，实现了效率与质量的双赢。