降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法与流程

本发明涉及一种降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法，属于焊接结构技术领域。

背景技术

钢结构具有强度高、韧性好、抗震性能好、施工速度快等优点，非常适合现代工程结构向高耸、大跨和重载发展的需求，工程应用日益增多。在超高层建筑、大跨建筑与大跨桥梁、重载工业厂房与特种结构中，梁、柱、支撑、剪力墙、桁架等主要受力构件所需钢板厚度越来越大。即使采用可以充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点、显著减小钢板壁厚的组合结构，其为满足工程需要所采用的钢材厚度也在日益增大，最厚已达100mm以上。

通常钢结构现场安装中，其钢构件的焊接接头，主要为“管对接”或“板对接”等接头形式。焊接坡口形式主要为x型坡口(双面焊)或v型坡口(清根焊或带衬垫的单面焊)。在这种焊接接头形式的条件之下，其熔池在凝固过程中，由于焊接温度梯度的存在，其横向拘束度较小时，坡口内填充金属的收缩量及其容积变化基本上呈现“无节制”的状态，焊接变形通常较大(见附图1)。

众所周知，在没有其它附加外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的(平衡力系)。当焊接过程引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在实际的焊接过程中，由于焊接温度场的剧烈变化及其波动，形成了不均匀分布的焊接应力场。在焊缝中产生的焊接应力较大时，主要就是引发焊接变形(焊接的热应力与组织应力等，将通过形变而释放)。此外，温度梯度和不均匀的应力，加上不利的结构条件，还可能导致局部的焊接应力集中。当某一刻其拉应力超过金属的屈服强度时，就会发生局部的塑性变形，来释放部分应力。但焊缝区域的金属屈服效应，同时降低焊接接头的刚度，其后果会影响钢构的使用性能。如果未释放掉的焊接残余应力过大，甚至可能产生焊接裂纹。

在钢结构或钢-混凝土组合结构中，其厚壁钢结构的现场焊接施工，由于焊接金属填充量比较大，相应地焊接应力及变形也大，因此其控制越加成为一个棘手的工艺技术难题。

传统的钢结构现场对接焊的焊接变形控制方法，只能把钢构件壁厚方向的焊量和焊缝尺寸的偏差大小，来作为影响结构整体焊接变形(结构的垂直度、角变形等)的主要控制因素,给予重点关注。通常是根据焊接施焊过程和焊缝冷却过程的测控结果，主要通过以下几个方面进行处理：

1、焊缝间隙大小与变形大小成正比，因此施焊前事先测定上一构件(例如钢管节柱)的偏差值，根据计算在坡口处采用机械打磨，使焊缝间隙人为保持基本一致。

2、采用对称、分层与分段焊接，其分层厚度、分段长度和焊接速度等选用的焊接参数力求相近。此法常采用两人同步分层、分段及对称焊接，当一方焊接的焊道厚度较大时，这一边的变形也会相应较大，故在每层焊接交圈后，需要检测一次构件的变形量(垂直度与角变形等)，对变形较大的一侧在下一道焊接时相对减小焊接的焊道厚度，尽量控制钢管柱的垂直度在焊接阶段保持不变，在必要情况下可作小区段的返工焊接。

3、至于构件对接时采用的一些临时刚性约束措施，其主要作用只是钢结构安装时能够保证整体几何尺寸精度(同心度与垂直度等)的机械定位措施。其它的如“反变形法预设反向倾斜”等调整措施，也无法很好地解决焊缝在焊接温度场不均变化时而加剧焊接应力与变形的实际问题。

综上所述，采用现有的钢结构对接焊工艺来调整焊接残余应变比较被动、繁琐和困难以及焊接接头的结构稳定性和抗疲劳性能差。

技术实现要素：

本发明为解决现有的钢结构对接焊工艺来调整焊接残余应变比较被动、繁琐和困难以及焊接接头结构存在稳定性和抗疲劳性能差的问题，进而提供一种降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法是按着以下步骤实现的：

步骤一、选取内置腹板的材质与厚壁钢结构母材的材质相同；内置腹板的平面几何形状及其轮廓尺寸与焊接坡口的横截面相同设置；

步骤二、在对接接头焊接坡口沿着焊缝的长度方向间隔设置有若干个镶嵌的内置腹板，由母材的焊接坡口壁与若干个镶嵌的内置腹板共同构成“骨架体系结构”；

步骤三、对于圆管对接接头的焊缝坡口：布置相邻两个内置腹板的最小间距为314mm；对于非圆管对接接头的焊缝坡口，布置相邻两个内置腹板的最小间距为200mm；厚壁钢结构母材的厚度≤内置腹板的板厚的2倍；

步骤四、内置腹板焊制：内置腹板的厚度方向两侧开双面开坡口，即内置腹板与厚壁钢管接触面留有焊接间隙，采用清根焊保证内置腹板与对接接头焊接坡口壁的母材之间完全熔合；

步骤五、对接接头的“骨架体系结构”焊制成型后，在母材的焊接坡口壁与若干个镶嵌的内置腹板所围绕的隔断空间进行填充焊接，最后沿着焊缝的纵向焊接方向进行盖面焊接。

进一步地，步骤五中的焊接方式为对称焊接、分层焊接或分段焊接。

进一步地，镶嵌的内置腹板的轮廓呈楔形。

进一步地，内置腹板的板厚方向双侧开坡口，并且采用清根焊工艺。

进一步地，在对接接头的焊接坡口处沿着焊缝长度方向均布设置有若干个镶嵌的内置腹板。

本发明的有益效果是：

一、形成骨架支撑，减小焊接变形：

对于厚壁钢结构的焊接结构，其产生焊接变形的原因主要包括两个方面：其一是焊缝金属的横向收缩沿板厚方向的不均匀分布(主要由坡口形状决定)所导致的角变形；其二是焊缝的位置通常都偏离构件的中性轴,焊缝收缩所产生的作用力会导致构件发生挠曲变形。两种焊接变形相互叠加的效果表现为相互连接的杆件出现角度偏差。

在焊接坡口中镶嵌与焊制内置腹板，构成的“骨架体系结构”，可显著提高焊接接头部位的结构刚度；临近焊接部位的内置腹板可以抵抗和限制附近焊缝金属在冷却过程中收缩所产生的压力，并因此减小焊缝金属的横向收缩量，进而减小角变形；同时，与之相对于中性轴对称的另一侧的内置腹板则会受到拉应力的作用，这种处于对称位置的内置腹板承受拉-压反向应力作用所形成的力矩可以抵抗构件的挠曲变形；只要内置腹板具有足够的刚度，不产生塑性变形，就可以起到降低挠曲变形的作用。由此可见，内置腹板既可以减小角变形，又可以抵抗挠曲变形，因此可以显著降低钢结构中的焊接变形。

此外，内置腹板的方法与采用外部约束控制焊接变形的方法相比，外部约束在焊接过程完成后通常多要求将其拆除，由于焊接残余应力和构件内应力的存在，会使构件产生回弹，因而降低外部约束控制焊接变形的效果。而内置腹板这种内约束的方法在焊接过程完成后不需拆除，从而避免了构件的回弹，可以长期维持控制变形的长效。

内置腹板这种“骨架体系结构”的整体有效性与稳定性，可将焊接残余应力、应变给焊接构件带来的危害降低，还有利于简化焊接热处理工艺措施，甚至有可能取消，以降低现场焊接施工成本。

二、内置腹板将焊缝沿纵向分割为多个单元区域，将改变疲劳裂纹的扩展行为：

在焊接坡口内置腹板骨架体系结构的条件下，可将体积较大的焊缝金属分割成为若干个较小的区域；由于内置腹板受压而焊缝金属受拉，使得横向焊接残余应力在整条焊缝上表现为拉应力与压应力交替变化的情形。如果焊缝内部存在疲劳裂纹并存在沿着焊缝扩展的倾向时，如果裂纹扩展至内置腹板处，就会进入残余应力场的压应力区，疲劳外载荷需要克服残余压应力后才能使裂纹继续向前扩展，由此会导致在这些区域的裂纹尖端应力强度因子减小。内置腹板的材料(热轧材)相对于焊缝金属而言，具有较高的断裂韧度，将会起到抑制疲劳裂纹扩展的作用。

综上，本发明涉及到的焊接结构及其接头形式，是针对厚壁钢结构对接焊时的焊接坡口空间几何尺寸(容积)较大因而加剧焊接应力、应变的不利因素，从而在焊接坡口内预先镶嵌并焊制由若干钢腹板而构成的“骨架体系结构”，并最终将其与焊缝的焊接填充金属熔为一体，可以将其视为一种特殊的钢结构体系，具有很好的结构稳定性；由于本发明还具有降低焊接结构的疲劳裂纹扩展速率的效应，尤为适用于动荷载焊接结构。而且，具有“骨架体系结构”的对接焊接接头形式，对照于普通的传统对接焊接接头形式，在焊接坡口的容积及其焊缝金属填充量越大的情况下，大大降低了焊接应力危害、大大降低了结构变形量，从而提高了结构稳定性；而且，具有“骨架体系结构”的对接焊接接头形式，对照于普通的传统对接焊接接头形式而言，在焊接坡口的容积及其焊缝金属填充量越大的情况下，越加可以显现出降低焊接应力危害和控制结构变形量的优势，从而提高了结构的稳定性。

附图说明

图1是本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的内置腹板的主视图(实例之一：母材板厚为60mm)；

图2是本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的内置腹板的左视图(实例之一：母材板厚为60mm)；

图3是本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的内置腹板的俯视图(实例之一：母材板厚为60mm)；

图4是本发明的对接接头焊接坡口的纵剖图(管对管对接接头形式)；

图5是本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法中“骨架体系结构”的立体结构示意图(圆形钢管)；

图6是本发明的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法中“骨架体系结构”的立体结构示意图(矩形钢管)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式的降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法步骤如下：

步骤一、选取内置腹板的材质与厚壁钢结构母材的材质相同；内置腹板的平面几何形状及其轮廓尺寸与焊接坡口的横截面相同设置；

步骤二、在对接接头焊接坡口沿着焊缝的长度方向间隔设置有若干个镶嵌的内置腹板，由母材的焊接坡口壁与若干个镶嵌的内置腹板共同构成“骨架体系结构”；

步骤三、对于圆管对接接头的焊缝坡口：布置相邻两个内置腹板的最小间距为314mm；对于非圆管对接接头的焊缝坡口，布置相邻两个内置腹板的最小间距为200mm；厚壁钢结构母材的厚度≤内置腹板的板厚的2倍；

步骤四、内置腹板焊制：内置腹板的厚度方向两侧开双面开坡口，即内置腹板与厚壁钢构接触面留有焊接间隙，采用清根焊保证内置腹板与对接接头焊接坡口壁的母材之间完全熔合；

步骤五、对接接头的“骨架体系结构”焊制成型后，在母材的焊接坡口壁与若干个镶嵌的内置腹板所围绕的隔断空间进行填充焊接，最后沿着焊缝的纵向焊接方向进行盖面焊接。

步骤二中对于圆管对接接头的焊缝坡口，布置相邻两个内置腹板的最小间距为314mm，即模数系数取“圆周率”，根据施工工艺的考虑，便于沿圆周方向等分，便于圆周分割和焊接操作；对于非圆管对接接头的焊接坡口，布置相邻两个内置腹板的最小间距为200mm，根据施工工艺的优化考虑，便于焊接施工操作无空间障碍，避免出现施工死角。

具体实施方式二：本实施方式在步骤五中的焊接方式为对称焊接、分层焊接或分段焊接。如此操作，可以在内置腹板形成的骨架支撑作用的基础之上，更好地控制焊接应力及其结构变形的均衡化，以及尽量减小焊缝金属的纵向焊接应力。其它操作步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～3所示，本实施方式镶嵌的内置腹板的轮廓呈楔形。根据具体的焊接坡口截面的几何形状，内置腹板板厚方向的投影一般为梯形、等三腰角形、不等边三角形或不等边四边形等。如此设计，可以使得内置腹板的平面几何形状及其尺寸与焊接坡口的横截面相同，便于内置腹板无缝隙地镶嵌于焊接坡口中，加强内置骨架的“支撑作用”。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图2所示，内置腹板与坡口壁的焊接侧双面开坡口。如此设计，是必须保证对接接头焊接坡口中镶嵌的内置腹板与焊接坡口壁的母材之间完全熔合，并采用清根焊，防止出现焊接缺陷。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图5和图6所示，本实施方式在对接接头的焊接坡口处沿着焊缝长度方向均布设置有若干个镶嵌的内置腹板。如此操作，是令钢腹板的平面几何形状及其尺寸与焊接坡口的横截面相同，便于内置腹板无缝隙地镶嵌于焊接坡口中，起到内置骨架的“支撑作用”，可以显著降低钢结构现场安装施工中的焊接结构变形。其它操作步骤与具体实施方式一、二或四相同。

实施案例：

如图1-3所示，管壁壁厚或钢板厚度为60mm时：内置腹板的大端侧面的高度为47mm，内置腹板的上斜面长度为67mm，内置腹板的长度为55mm，内置腹板的宽度为30mm。

在焊接坡口的内部空间，沿着焊缝的纵向，预先间隔地分布、镶嵌与焊制若干横向(垂直焊缝轴线)内置的钢腹板，使焊接坡口整体地构成“骨架体系结构”，最终内置腹板将与焊缝金属熔为一体，可具有很好的结构稳定性。

在焊接温度场的不均匀变化中，“骨架体系结构”可以起到限制焊缝金属的体积变化(膨胀与收缩)的显著作用，“内置腹板”可焊缝纵向分隔及变短，横向拉应力被部分分担并令其均匀化，综合效应是减少了焊接应力的集中和结构的总体变形量。

在焊接坡口内置腹板骨架体系结构的条件下，可将体积较大的焊缝金属分割成为若干个较小的区域。由于内置腹板受压而焊缝金属受拉，使得横向焊接残余应力在整条焊缝上表现为拉应力与压应力交替变化的情形。如果焊缝内部存在疲劳裂纹并存在沿着焊缝扩展的倾向时，如果裂纹扩展至内置腹板处，就会进入残余应力场的压应力区，疲劳外载荷需要克服残余压应力后才能使裂纹继续向前扩展，由此会导致在这些区域的裂纹尖端应力强度因子减小。内置腹板的材料(热轧材)焊缝金属而言，具有较高的断裂韧度，将会起到抑制疲劳裂纹扩展的作用。