钢结构用焊接H型钢制作及焊接变形控制

2021-11-19姚小彬刘殿民赵会伟王林昌

中国金属通报 2021年21期

姚小彬，刘殿民，赵会伟，王林昌，张玲

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

H型钢属于高效型材，具有更为合理化的强重比，与一般钢材相比，其抗弯能力优越，施工应用简单，结构重量较轻，经济性良好，因此在钢结构中较多使用H型钢。焊接H型钢在工业建筑中使用较多，但是由于尺寸较大，提升了控制焊接变形的难度，现围绕焊接H型钢的焊接变形控制与制作两方面问题展开研究。

1 焊接H型钢存在的主要问题

H型钢主要有焊接H型钢与热轧H型钢两种类型，热轧H型钢能够满足民用建筑与工业建筑的结构应用需求，同时采购过程更加便利，因此其使用率高于焊接H型钢。生产厂家的集约化生产体系与专业化的生产设备可以保障钢材符合制作精度标准，同时对于变形也能够产生良好的控制效果，使用中不需要对钢材实施二次校正，因此适用于施工活动中。但是，如果施工单位需要的H型钢数量较低，属于小批次生产任务，或者对于H型钢的结构有特定要求，就无法通过专门的生产厂家完成生产与加工，施工单位需自行加工所需的钢结构。由于缺少专业化的设备和加工制造经验不足，加工出的焊接H型钢可能存在焊接变形等问题，因此必须开展人工校正，否则难以达到应用标准，降低了施工质量和工作效率。

2 制作焊接H型钢的方法

2.1 放线与下料

制造H型钢的基本流程包括确定原材料是否符合标准，合格证明是否齐全；对接钢板；无损检测并完成矫正；采用半自动或者全自动系统切割下料；拼装H型钢；采用埋弧自动焊接技术校正翼板；调节旁弯与拱度；采用精密化切头划线并打磨钻孔；完成酸洗、油漆以及喷字。

焊接H型钢的组成部分包括加强肋、腹板、下翼缘与上翼缘。不同型号的H型钢，对于加强肋、腹板以及下、上翼缘的板材规格也存在不同的要求。钢梁长度较长，截面形式丰富，数量多，因此在下料与放线环节中需要充分考虑制作效率与制作精度，尽可能地降低返工概率，争取一次达到制造标准。下料前期，通过火焰矫正与手工矫正结合的方式精准矫正板材平整度，完成矫正之后，钢材表面禁止出现损伤或者凹面，划痕深度控制0.5mm以内。钢板的平整度要求如下，板厚小于或者等于14mm，可允许偏差控制在1.5mm，如果板厚超过14mm时，可允许偏差控制在1.0mm以内。

通过CAD软件完成材料排版任务，实现精准切割、精确放样，同时也要避免出现浪费材料，增加加工成本的情况。下料时需要使用形成切割变形幅度较小的火焰数控切割机设备，以此提高切割精度，缩短加工时间，减轻人工劳动强度[1]。如果在切割阶段使用半自动化切割设备，会降低切割目标的精度，同时切割效率较低；使用剪板机切割板材时，由于切割长度受限，需要进行二次拼接，增加加工时间，加大劳动强度。

2.2 组对与拼装

焊接H型钢可用的组对方法为平铺组对法与直立组对法。

使用平铺组对法，需要按照钢梁的型号，制作出一组工装支架，将腹板放置到工装支架的平台中间处，通过行车系统分别吊运下翼缘与上翼缘，使其放置在工装支架左右两侧设置的卡槽中，采用点焊的方式对预设线和翼缘加以固定。平铺组对法可以较好的应用于大批量生产活动中，但是也存在不足，组对时所应用的支架结构可能会受到钢梁翼缘宽度的限制，如果钢梁类别较多，需要依照翼缘的具体宽度制作多种工装支架。通过平铺组对法焊接H型钢，可以同时兼顾加工质量、加工效率与加工安全三方面的技术需求。拼接翼缘板时，可依照其长度方向完成拼接，腹板拼接和翼缘板拼接缝之间的距离需在200mm以上，翼缘板拼接长度需要超过板宽的2倍数值，同时腹板拼接宽度需在300mm以上，长度也应超过600mm，在组装焊接H型钢前需要完成拼接以及焊接工作。

直立组对法是小批量生产中常用的方法。利用经纬仪设备测量钢平台，确定其是否满足平面度要求，确定钢平台无任何问题后，放置钢梁的单侧翼缘，将勾铁以均匀的方式布设到翼缘两侧区域。校正腹板后，通过行车系统在预设位置进行点焊与固定，将斜撑设置到腹板两侧区域，避免腹板出现倾倒情况。使用行车系统对另外一侧翼缘进行吊运，达到腹板上方实施点焊固定。直立组对法劣势较为明显，在吊运过程中晃动幅度较大，行车占用时间过长，相比平铺组对方法，精度存在偏差，安全水平较低，稳定性较差。

2.3 焊接

实施焊接时，需要结合焊接对象选择焊接方法，当焊接量较高，钢梁数量较大时，可选择手工焊的方法，但是这种方法的人工劳动强度过大，焊接速度较慢，外观成形效果较差，控制焊缝宽度的难度较高，如果按照常规劳动力水平进行安排，每天每人只能完成约20m的焊接任务，整体效率较低。因此，可以通过埋弧自动焊技术，提升焊接效率，降低劳动强度，使用焊机进行焊接，每天的焊接量可达到76m以上，同时可以形成饱满的焊缝[2]。

选择埋弧自动焊技术后，需调试工艺参数，按照焊接等级、焊脚尺寸以及板厚等要求，设置焊接速度、焊接电压与焊接电流。按照焊接H型钢标准与设计图纸的要求，进行工艺评定，以此确定不同的工况下焊接参数的匹配值。当腹板厚度是16mm，翼板厚度是20mm时，电流范围是390A～480A，电压范围需控制到30A～46A，行车速度应调节成19cm/min；当腹板厚度是12mm，翼板厚度是14mm，电流范围30A～32A，行车速度应是19cm/min；腹板厚度是10mm，翼板厚度是12mm，焊接电流低于390A～400A，电压低于30A～32A的范围，行车速度应同样为19cm/min；腹板厚度仅为8mm，翼板厚度仅为12mm，焊接电压标准为30V～32V，焊接电流是380A，行车速度与前几种工况保持一致，为19cm/min。

钢梁的总焊接量较大且数量偏多时，为了满足焊接加工标准，按时完成焊接加工任务，可先制作出工装平台，以斜支撑的方式斜角摆放，完成组对环节钢梁。将轨道铺设至工装平台一侧，以此满足埋弧自动焊技术需求，参考钢梁具体型号调整轨道高度及工装平台与轨道之间的距离，优先使用可移动式、可调式轨道。应用组合式钢梁平行放置机构，为埋弧焊机提供运行轨道，依照钢梁型号快速调整。此种方法更加灵活，应用过程也较为简单，在控制焊接变形时，斜撑式工作平台可发挥作用。

3 控制焊接H型钢变形的建议

3.1 焊接H型钢存在的变形问题

制作H型钢的钢结构时，应重点关注钢材变形问题，有效预防变形。如果采用的焊接工艺不合适或者装配质量不符合预设标准，处于成型状态的H型钢在受热条件下会产生变形，且存在多种变形情况，如上拱弯曲变形，下翼板、上翼板出现角变形以及扭曲变形。如果H型钢梁产生的变形幅度未超出允许范围，这种变形问题不会影响钢梁的正常使用；但是当变形幅度超出允许变形范围时，钢梁的安装质量会受到直接影响，尤其在施加外部荷载作用后，钢结构的使用功能无法达到预期。因此，需要通过返修与校正的方式尽量缩小变形幅度，同时还需要考虑局部应力的问题，避免过多地使用材料，增加加工难度。

角变形是比较典型的变形问题，其主要形成原因是焊缝上产生的横向收缩顺沿板厚以不均匀的方式分布。钢件结构出现焊缝不对称以及焊件断面形状不完全对称时，受到焊缝收缩的影响，会产生变形。

3.2 提升组对与下料的精度

控制钢梁变形时，可以从组对以及下料环节切入。板材下料时，产生的误差大于允许偏差，便会影响后续组对环节，导致强行组对结果，构件也会因此出现变形与应力问题，进入焊接阶段时，焊接变形将更为严重，最终构件出现整体变形的情况[3]。翼缘板角变形的主要形成原因就是板材的平整度出现超差或者组对存在偏差。

下料加工前期需要给原有板材实施平直矫正处理，采用数控型火焰切割机完成切割任务，依照板材的实际厚度要求，选择相互匹配的割嘴，数控切割环节使用对称切割可以形成较好的变形控制效果，使板材两边区域均匀受热，变形幅度基本一致，切割变形得到有效控制。在加工前提之下，需使用专门的工装型胎具，控制变形，避免应力过度集中，保障装配质量。

3.3 对焊接顺序与焊接工艺展开有效控制

焊接H型钢梁变形情况受焊接顺序与焊接工艺的影响，因此实施焊接前，需要充分结合焊接方案中的焊接等级、材料的材质与厚度对焊接工艺进行筛选，尽量消除变形隐患。埋弧自动焊技术适合焊接H型钢的加工，按照钢梁型号以及评定结果选择工艺，面对型号存在差异的钢梁时，焊机的送丝速度、电流以及电压要有所区别。选择对称焊接工艺时，焊接顺序为先焊缝打底焊，再采用翻身焊接焊缝，然后进行二次翻身焊接，继续焊接焊缝。

在一定焊接条件下，焊接复杂且规模较大的钢结构时，可将其分解成若干部件，相比原本的钢结构，部件的结构更加简单，可对各个部件进行单独焊接，而后再将其组装成整体。开展焊接工作时，可以拉近结构截面上的中性轴与焊缝之间的距离。实施装配焊接时，如果需要布置不对称结构的焊缝，需要先对焊缝数量较小的一侧进行焊接，针对焊缝对称的钢结构可指派偶数数量的焊工进行焊接。如果焊缝长度较长，超过1m，应注意控制收缩变形。在后期焊接与前期组对环节中，应保障焊接接头有均匀热量，消除应力并缩减变形情况，面对焊缝应严谨检查搭接长度、坡口角度与对接间隙，按照焊接规范完成焊接任务。

3.4 实施反变形控制

翼缘倾斜角变形以及下挠变形问题的校正难度较高，对其进行强制校正后，会形成过大的内应力，局部区域随之产生死角，尽管有效校正翼缘边缘，但是翼缘与腹板翼缘的连接处产生的折弯变形状况难以得到校正[4]。因此，考虑到焊接H型钢梁时焊缝高度较大，可以在翼缘板顶进行反变形处理，依照翼缘板的厚度与宽度，设置反变形，相应高度是翼缘板宽度/100，结合翼缘板的实际厚度与梁构件的跨度，设置预起拱，其高度是梁截面高度/200，可以克服下挠的变形。

如果钢梁尺寸相对较小，可设置两根背靠方式的钢梁翼缘板，将小型方钢垫在翼缘板中间，形成反变形系统。如果钢梁尺寸较大，可借助勾铁将翼缘板楔在平台上，同时将小型方钢设置在平台与翼缘板之间，同样可以产生反变形作用。大型钢结构控制变形时，可以通过预先增加刚度的方法，在焊接主要框架前，增设工字梁等大型结构部件，提升钢结构的整体刚度，有效控制焊接变形。