异型多腔体巨型钢结构的焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法，属钢结构施工领域，包括：获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸，根据尺寸将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元；根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序；按确定的焊接顺序对各段拼装单元进行焊接；焊接中根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理。该方法通过分段确定合理的焊接长度，有效避免焊缝过度集中造成焊接变形大，焊接应力集中的情况，并做到最大程度减少腔体内焊接工程量；分段可帮助确定合理的焊缝形式，降低钢结构腔体内部的焊接、清根等操作对操作人员造成的伤害，使得施工更加安全；减小焊接的变形和残余应力，节省了焊后校正的时间，降低焊缝返修率。
【专利说明】异型多腔体巨型钢结构的焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢结构建筑施工领域，特别是涉及一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法。
【背景技术】
[0002]与普通钢结构或者常规箱体钢结构焊接相比，异型多腔体巨型钢结构焊接技术可以控制焊接热量的不均匀分布，从而减小构件的焊接变形和残余应力。但对于焊接变形和残余应力的合理范围还难以准确把控，如何焊接异型多腔体巨型钢结构是个需要解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法，可以解决异型多腔体巨型钢结构不能按普通箱体钢结构焊接的问题。
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法，包括:
[0005]获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸，根据所述尺寸，将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元；
[0006]根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序；
[0007]按确定的焊接顺序对各段拼装单元进行焊接；
[0008]焊接中根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理。
[0009]本发明的有益效果为:该方法通过对异型多腔体巨型钢结构分段可以确定合理的焊接长度，有效的避免焊缝过度集中造成焊接变形大，焊接应力集中的情况，并做到最大程度的减少腔体内焊接工程量；并且分段可以帮助确定合理的焊缝形式，能极大的降低钢结构腔体内部的焊接、清根等操作对操作人员造成的伤害，使得施工更加安全；通过确定焊接顺序确定和对应焊接方式减小了异型多腔体巨型钢结构焊接的变形和残余应力，节省了焊后校正的时间，降低焊缝返修率。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0011]图1为本发明实施例提供的焊接方法流程图；
[0012]图2为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段分节的示意图；
[0013]图3为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第一节构件结构示意图；[0014]图4为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第二节构件结构示意图；
[0015]图5为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第三节构件结构示意图；
[0016]图6为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第四节构件结构示意图；
[0017]图7为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第五节构件结构示意图；
[0018]图8为本发明实施例提供的异型多腔体巨型钢结构分段后第六节构件结构示意图；
[0019]图9为本发明实施例提供的方法中横焊缝坡口的示意图；
[0020]图10为本发明实施例提供的方法中立焊缝坡口的示意图；
[0021]图11为本发明实施例提供的第一种西字型截面的焊接示意图；
[0022]图12为本发明实施例提供的第二种西字型截面的焊接示意图；
[0023]图13为本发明实施例提供的第一日字型截面的焊接示意图；
[0024]图14为本发明实施例提供的第二种日字型截面的焊接示意图；
[0025]图15为本发明实施例提供的第一种双三角截面的焊接示意图；
[0026]图16为本发明实施例提供的第二种双三角截面的焊接示意图；
[0027]图17为本发明实施例提供的第三种双三角截面的焊接示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]本发明实施例提供一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法，如图1所示，该方法包括:
[0030]获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸，根据所述尺寸，将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元；
[0031]根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序；
[0032]按确定的焊接顺序对各段拼装单元进行焊接；
[0033]焊接中根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理。
[0034]上述方法中，获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸(可根据异型多腔体巨型钢结构的设计参数和设计结构图)，根据所述尺寸，将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元包括:
[0035]根据所述异型多腔体巨型钢结构的尺寸，从高度方向上将所述异型多腔体巨型钢结构分为多节结构构件；
[0036]将所述每节构件结构从长度方向上分为多段拼装单元；相临两个拼装单元的分段位置设置在体积较大的箱体上，分出的相临两段拼装单元的对接焊缝不在一条直线上。
[0037]上述方法中，焊接中的焊接坡口均选取V形坡口反面衬垫的形式。具体可采用间隙为10mm，坡口角度为35度V形坡口，并且横焊缝可采用单边V形坡口，立焊缝可采用双边V形坡口。
[0038]上述方法中，根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序为:
[0039]按照由中心的拼装单元向四周的拼装单元扩展的顺序作为焊接顺序。
[0040]上述方法中，根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理包括:
[0041]在同一拼装单元上焊接时，先进行立焊缝的焊接，后进行横焊缝的焊接。
[0042]上述方法中，焊接时，
[0043]对同一截面的焊缝同步焊接；
[0044]对同时焊接的焊缝的位置与焊接方向保持对称；
[0045]分步骤焊接时，先焊长度较长、填充量较大的焊缝，后焊长度较短、填充量较短的焊缝。
[0046]上述方法中，焊接时，
[0047]对西字型截面的焊接采用先将外围的焊缝沿顺时针方向对称焊接，再将同时焊接内部的焊缝；
[0048]对日字型截面的焊接采用同时对称焊接长度方向的三道长焊缝；
[0049]三道长焊缝焊接完成后，同时对称焊接宽度方向的四道短焊缝。
[0050]对双三角截面的焊接采用三步焊接，先对称焊接外围的四道焊缝，再焊接腔体内部的三道焊缝，最后焊缝腔体两侧的短焊缝。
[0051 ] 上述方法中，每条焊缝若长度超过1.5米，则由多人焊接，每人焊接长度为1.5米。
[0052]下面对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0053]本发明焊接方法中，焊接的异型多腔体巨型结构具有平面尺寸大、箱体数量多、夕卜形不规整等特点，同一截面存在多条纵横交错焊缝的情况，同时不可避免的会出现人员在腔体内部焊接的情况，为减小构件的焊接变形和残余应力，提高焊缝焊接质量，采取合理的分段形式和焊接工艺是解决问题的关键。该异型多腔体巨型钢结构焊接方法合理选择坡口形式、焊接顺序，不仅有利于减小焊接变形和残余应力，更有助于提高焊接一次合格率，减少返修，为施工赢得充裕的时间。
[0054](I)首先，对异型多腔体巨型结构进行分段:
[0055]由于异型多腔体巨型结构平面尺寸、重量较大，受运输、吊装等条件限制，构件在制作过程中不可避免的需要进行分段分节，示例的多腔体巨型结构(见图2)高度19.25米，重量约1800吨，平面最大尺寸24米*22.5米，最大截面积180平方米，分为26个腔体单元。通过对构件结构分析，在高度范围将其分为6节，每节标高基本一致，最大分节高度3.8米，最小分节高度2米。结构截面逐渐收缩减小，如图3至图8所示，第一节平面上分为9个单元，二、三节分为8个单元，四、五节分为6个单元，六节分为4个单元。共计41个拼装单元。
[0056]异型多腔体巨型结构分段分节把握两个原则，(一)为保证人员在箱体内焊接安全，分段位置尽量在较大箱体，(二)为减小构件变形和残余应力，构件分段焊缝尽可能不在一条直线。
[0057](1.2)异型多腔体巨型结构焊接坡口的选取:
[0058]异型多腔体巨型结构大多板厚较厚，焊接量大。若出于控制超厚板焊接角变形的考虑，焊接坡口宜选取X形和K形等双面坡口形式。但双面坡口焊接工艺较为复杂，需要反面清根等工序。尤其在巨型箱体内部腔体众多且空间狭小的情况下，腔体内部的焊接、清根等操作对操作人员伤害较大，危险性比较大。所以出于施工安全的考虑，经研究分析，焊接坡口均选取单面V形坡口反面衬垫的形式，省去清根等工序。并且坡口开设方面尽量朝向腔体外侧或空间较大的腔体内，以便人员的操作。其中，横焊缝坡口的结构如图9所示，立焊缝坡口的结构如图10所示，示例结构焊接坡口选用V形坡口，间隙10mm，坡口角度35度。横焊缝为单边V形坡口，立焊缝为双边V形坡口。
[0059](1.3)异型多腔体巨型结构整体焊接顺序:
[0060]异型多腔体巨型结构焊接，整体的焊接遵照由中心单元向四周单元扩展的顺序。首先焊接核心区域的单元，可以保证核心区域的安装精度，避免周边单元焊接过程中对核心单元的精度产生影响,如图11至图15所示。
[0061]针对单个的拼装单元的焊接，应先进行单元的立焊，再进行单元的横焊。原因分析如下:
[0062](1.3.1)焊接残余应力较小。
[0063]对于多腔体单元，立焊缝的长度与焊接填充量远远小于横焊缝。所以立焊缝的约束作用远远小于横焊缝。若首先进行横焊缝的焊接，则会对构件产生很大的约束作用，在下一步的焊接中会由于构件约束过大而在焊缝区域产生较大的焊接残余应力。所以首先应进行立焊的焊接。
[0064](1.3.2)构件焊接变形较小。
[0065]对于多腔体单元横焊缝纵横交错的情况，在横焊的过程中构件由于受热不均匀等因素极易产生平面内的扭转变形，而这种扭转变形产生后会对构件的下一步焊接和安装精度造成很大的不良影响。所以先进行构件的立焊，对构件在水平的扭转自由度进行约束。这时再进行横焊，构件的精度会得到较好的保证。
[0066](1.4)异型多腔体巨型结构典型单元焊接顺序:
[0067]异型多腔体巨型结构分段后，每个单元形状各异，需要根据不同的单元形式制定焊接顺序。构件焊接顺序与工艺的制定的根本目的是控制构件的焊接变形和焊接残余应力，而构件整体的焊接变形与残余应力多为构件在焊接过程中热量分布不均匀造成的。所以，构件焊接顺序的制定需要遵循尽量使热量分布均匀的原则。
[0068]综上，制定构件焊接顺序的原则如下:
[0069](1.4.1)同一截面的焊缝尽量同时焊接。
[0070]同一截面的焊缝尽量同步同时焊接，不同步的焊接会造成构件同截面内的热量不均而产生变形。
[0071](1.4.2)同时焊接的焊缝的位置与焊接方向尽量保证对称原则。
[0072]对称焊接可以使构件在焊接过程中的升温与降温都是对称均匀的，构件的收缩也是对称均匀的，从而很好的控制构件的整体变形。
[0073](1.4.3)分步骤焊接时，先焊长度较长、填充量较大的焊缝，后焊长度较短、填充量较短的焊缝。
[0074](1.4.4) “西”字型截面的焊接:
[0075]西字型截面共13条焊缝，首先将外围的9条焊缝沿顺时针方向对称焊接，焊缝总长度13.3米；再将内部的4条焊缝同时焊接完成，焊缝总长度5.3米。
[0076]因为腔体空间狭小，若内外同时焊接，则腔体内部的温度会高达50?60度，人员无法操作。所以出于安全考虑，腔体内外的焊缝必须分开焊接。而腔体外围的焊缝的长度和填充量都较大，所以首先焊接外围焊缝。
[0077]“西”字型截面焊缝顺序如图11、12所示，其中，第一种结构的“西”字型截面焊缝的焊缝长度11.48m，焊工人数9人，焊接顺序如图5所示；第二种结构的“西”字型截面焊缝的焊缝长度5.28m，焊工人数4人，焊接顺序如图6所示。
[0078]( 1.4.5) “日”字型截面的焊接:
[0079]日字型截面共7条焊缝，首先同时对称焊接长度方向的三道长焊缝，焊缝总长度12米；再同时对称焊接宽度方向的四道短焊缝，焊缝总长度7.3米。
[0080]长度方向的焊缝较长，达到4.5米。为防止由于焊接长度过长，造成焊缝收尾温度不均，焊接残余应力难以释放。长度超过2米的焊缝需要进行多人多段焊接。每名焊工的施焊长度不宜大于1.5米。
[0081 ] “日”字型截面焊缝顺序如图13、14所示，其中，第一种结构的“日”字型截面焊缝的焊缝长度11.92m，焊工人数8人，焊接顺序如图13所示；第二种结构的“日”字型截面焊缝的焊缝长度5.28m，焊工人数4人，如图14所示。
[0082](1.4.6)双三角截面的焊接:
[0083]双三角截面共9道焊缝，共分三步焊接:首先对称焊接外围的四道焊缝，焊缝总长度13.1米；再焊接腔体内部的三道焊缝，焊缝总长度5.6米；最后焊缝腔体两侧的短焊缝，焊缝总长度约1.6米。
[0084]腔体内部隔板横纵交错的情况下，人员在焊接过程中，四周的隔板尽量不要同时施焊，以免由于环境温度过高造成操作人员的不适。
[0085]双三角截面焊缝顺序如图15、16、17所示，其中，第一种结构的双三角截面焊缝的焊缝长度13.lm，焊工人数9人，焊接顺序如图15所示；第二种结构的双三角截面焊缝的焊缝长度5.56m，焊工人数3人，焊接顺序如图16所示；第三种结构的双三角截面焊缝的焊缝长度1.6m，焊工人数2人，焊接顺序如图17所示。
[0086]本发明的焊接方法的有益效果如下:
[0087]( I)通过合理的对结构进行分段，有效的避免焊缝过度集中造成焊接变形大，焊接应力集中的情况，并做到最大程度的减少腔体内焊接工程量；
[0088](2)合理的焊缝形式，极大降低了腔体内部的焊接、清根等操作对操作人员造成的伤害，使得施工更加安全；
[0089](3)焊接顺序和焊接工艺的选取，有效的减小焊接变形和残余应力，节省了焊后校正的时间；
[0090]总之，对于异型多腔体巨型结构焊接技术探究对于控制焊接变形和残余应力有极大的帮助，同时提高了焊接一次合格率，减少了焊后返修人力、物力的投入，节省了施工措施费，也为整体施工节省了时间。
[0091]在高层及超高层施工中，越来越多的结构采用异型多腔体巨型结构，对于钢结构焊接过程中变形和残余应力的控制是质量管理重要指标之一，该焊接方法针对异型多腔体巨型结构的特点进行探究，既能有效的提高了焊接质量，又能大量的减少人工和材料的投入，具有良好的推广前景。
[0092]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种异型多腔体巨型钢结构的焊接方法，其特征在于，包括: 获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸，根据所述尺寸，将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元； 根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序； 按确定的焊接顺序对各段拼装单元进行焊接； 焊接中根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取异型多腔体巨型钢结构的尺寸，根据所述尺寸，将异型多腔体巨型钢结构分段为多段拼装单元包括: 根据所述异型多腔体巨型钢结构的尺寸，从高度方向上将所述异型多腔体巨型钢结构分为多节结构构件； 将所述每节构件结构从长度方向上分为多段拼装单元；相临两个拼装单元的分段位置设置在体积较大的箱体上，分出的相临两段拼装单元的对接焊缝不在一条直线上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接中的焊接坡口均选取V形坡口反面衬垫的形式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述V形坡口的间隙为10mm，坡口角度为35度；横焊缝采用单边V形坡口，立焊缝采用双边V形坡口。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据分段后的各段拼装单元的结构，确定焊接顺序为: 按照由中心的拼装单元向四周的拼装单元扩展的顺序作为焊接顺序。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据对接的两段拼装单元对接的焊缝结构采用对应的方式进行焊接处理包括: 在同一拼装单元上焊接时，先进行立焊缝的焊接，后进行横焊缝的焊接。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述焊接时， 对同一截面的焊缝同步焊接； 对同时焊接的焊缝的位置与焊接方向保持对称； 分步骤焊接时，先焊长度较长、填充量较大的焊缝，后焊长度较短、填充量较短的焊缝。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接时， 对西字型截面的焊接采用先将外围的焊缝沿顺时针方向对称焊接，再将同时焊接内部的焊缝； 对日字型截面的焊接采用同时对称焊接长度方向的三道长焊缝； 三道长焊缝焊接完成后，同时对称焊接宽度方向的四道短焊缝。 对双三角截面的焊接采用三步焊接，先对称焊接外围的四道焊缝，再焊接腔体内部的三道焊缝，最后焊缝腔体两侧的短焊缝。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述每条焊缝若长度超过1.5米，则由多人焊接，每人焊接长度为1.5米。
【文档编号】B23K31/02GK103624410SQ201310500262
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】王宏, 朱邵辉, 宫健, 胡宜婷, 杜得强, 吕洋洋, 黄建川 申请人:中建钢构有限公司北京分公司