结构工程师:平台钢结构焊接变形控制措施

　　0 概述$lesson$

　　钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，在海上油气结构设施中得到了迅速发展和普遍应用。而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，广泛应用于平台钢结构的预制与安装中，但随之带来的焊接变形问题也日益突出，对钢结构的外形美观、顺利安装和使用功能等造成了一定的影响，而且给焊后带来大量复杂的矫正工作，严重的变形甚至会使焊件结构报废。因此，综合分析平台钢结构焊接变形产生的原因及其影响因素，采取适当措施控制焊接变形，对于保证平台钢结构工程质量具有重要意义。

　　1 平台钢结构的组成

　　平台钢结构一般由平台立柱、梁、撑杆、铺板等组成。这些系统构件采用焊接H型钢、热轧H型钢、角钢、槽钢、钢板、结构无缝(有缝)钢管，以及各种用于节点的异型钢和箱形梁等。

　　2 平台钢结构焊接变形的基本形式及变形分析

　　2.1平台钢结构焊接变形的基本形式

　　平台钢结构焊接变形的基本形式有：焊接过程中产生的变形及焊后残留在结构中的焊接残余变形，其中焊接残余变形对平台钢结构焊接质量有较大影响。

　　焊接残余变形按其对整个结构影响程度不同，可分为整体变形和局部变形;按其特征可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形和错边变形等。在这些焊接残余变形中，角变形和波浪变形属于结构局部变形，其它的属于结构整体变形。而平台钢结构最多发生的是结构整体焊接变形。

　　2.2平台钢结构焊接变形的原因分析

　　根据焊接基本原理分析，平台钢结构产生焊接变形的根本原因是：焊接时局部的不均匀加热和冷却使结构中各部分金属热胀冷缩的程度不同，而焊件结构本身是一个整体，各部分金属的膨胀和收缩因受到了周围金属的影响、制约，不能自由地进行，这样在结构内部就会产生焊接变形。

　　2.3影响平台钢结构焊接变形的因素

　　2.3.1 焊缝的布置

　　焊缝若沿构件截面分布不对称，则会引起该构件焊接时产生弯曲变形。

　　2.3.2 结构刚性

　　焊后焊缝一般都产生纵向和横向收缩，这种收缩受到整个结构的限制而产生“收缩力”。对于刚性大的焊接结构在这种力的作用下产生的变形比较小;而刚性小的焊接结构在这种力的作用下就产生较大的变形。

　　2.3.3装配和焊接顺序

　　结构的整体刚性总是比它的部件的刚性大，抗变形能力也大。有了合理的装配顺序还需要有合理的焊接顺序配合，以控制变形。

　　2.3.4备料和装配质量

　　备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。例如，装配间隙大，焊缝的横向收缩也大。此外还应考虑焊件的自重和形状，对长形构件，在焊前需恰当地加以支撑。

　　2.3.5焊接参数

　　在诸多焊接参数中焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大则焊接时产生的塑性变形区面积越大，焊后的焊接变形越大，反之则越小。决定焊接线能量的因素主要有：焊缝尺寸的大小;焊接的分层方式;焊接的初始温度;焊缝是否连续。

　　2.3.6焊接方法

　　对于相同焊件、相同焊缝，不同的焊接方法，其焊接变形也不同，埋弧焊的焊接变形最大，其次为手弧焊，最小的焊接变形为CO2气体保护焊。

　　在平台钢结构焊接生产中，不同种类的焊接变形往往并不是单独出现的，而是同时出现，互相影响的。只有全面分析影响焊接变形的各种因素，掌握其影响规律，才能采取合理的措施来控制焊接变形。

　　3 控制平台钢结构焊接变形的设计措施

　　平台钢结构焊接节点构造形式多，比较复杂。如果在节点构造设计上考虑得比较周全，注意减少钢结构焊接变形，往往比单纯从焊接工艺上来解决问题方便得多。

　　在平台钢结构焊接节点构造设计时，应注意以下几点：

　　3.1尽量减少焊缝的数量、尺寸

　　钢结构中焊缝数量越多、尺寸越大，焊接热源对结构的热输入就越大，产生的焊接变形也就越大。因此在设计钢结构节点构造时，应力求减少焊缝数量和尺寸。

　　3.2合理选用焊缝的坡口形状和尺寸

　　设计平台钢结构节点焊缝时，应在保证结构具有足够承载能力的条件下，采用适当的坡口形状和尺寸，以减少焊缝截面积及结构的焊接变形。

　　3.3焊缝位置应对称于构件截面的中性轴

　　焊缝位置尽可能对称于构件截面的中性轴，或者尽量靠近中性轴，这对减少梁、柱等一类钢结构的挠曲变形有良好的效果。

　　3.4避免焊缝集中和双向、三向相交

　　这样可减少焊缝交叉点处或焊缝集中处的热量及应力，从而减少焊接变形。

　　3.5焊缝位置应避开高应力区

　　焊缝区的应力越大，则钢结构越容易产生焊接变形及焊接裂纹。

　　3.6不同的节点采用不同的焊接要求

　　例如，焊接组合箱形梁、柱的纵向角焊缝，宜采用全焊透(应采用垫板单面焊)或部分焊透的对接与角接组合焊缝;箱形梁与隔板的焊接，应采用全焊透焊缝。

　　4 控制平台钢结构焊接变形的工艺措施

　　在平台钢结构焊接施工过程中，根据不同的节点构造及焊缝形式，采取适当的焊接工艺措施，对于控制钢结构焊接变形也具有非常重要的作用。

　　4.1采用合理的装配焊接顺序

　　4.1.1应将钢结构尽可能先装配成整体再焊接

　　这样可以增大钢结构焊接时的刚性，以减少变形。以H型钢梁为例，先整体装配再焊接，其焊后的上拱弯曲变形，要比边装边焊顺序所产生的弯曲变形小得多。

　　4.1.2对称焊缝应采用对称焊接法

　　对截面形状、焊缝布置均匀对称的钢结构件，应采用对称焊接施工。

　　4.1.3不对称焊缝先焊焊缝少的一侧

　　一般先焊的焊缝由于结构刚度较小易使结构产生变形。因此，对于不对称焊缝的钢结构，应先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧。这样可使后焊的变形足以抵消先焊一侧的变形，以减少结构总体变形。

　　4.1.4采用不同的焊接顺序控制焊接变形

　　对于钢结构中的长焊缝，在可能的情况下将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，可使局部焊缝造成的变形适当减少或相互抵消，以减少结构总体变形。

　　4.2反变形

　　焊前将平台钢结构装配成具有与焊接变形方向相反、大小相等的预先反变形，以抵消结构焊后形成的变形。例如，为了防止H型钢梁上下翼板焊后产生角变形，可在焊前使用油压机或折边机将其翼板预先反向压弯。

　　4.3刚性固定

　　在没有反变形的情况下，利用外加约束来固定构件，限制其焊接变形。例如，采用装焊胎卡具等增加钢结构在焊接时的刚度，以减少变形。

　　4.4热平衡法

　　对于某些焊缝不对称布置的平台钢结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在结构上与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊缝同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减少或防止结构弯曲变形。

　　4.5合理地选择焊接方法和焊接工艺参数

　　选用热量集中、热影响区较窄的CO2气体保护焊等焊接方法代替手弧焊、埋弧焊，可减少平台钢结构焊接变形;选用较小的焊接热输入及合适的焊接工艺参数，可减少钢结构受热范围，从而减少焊接变形。

　　4.6提高平台钢结构板材平整度和构件组装精度

　　对于较长平台钢结构的扭曲，主要靠提高钢结构板材平整度和构件组装精度，来使坡口角度和间隙准确，电弧的指向对中准确，以使焊缝角变形和翼板及腹板纵向变形值与钢结构长度方向一致，以减少钢结构的扭曲变形。

　　4.7预拉伸法

　　采用机械预拉伸、加热预拉伸或两法同时使用的预拉伸，可使薄板钢结构预先得到拉伸而伸长。这时在张紧的薄板结构上装焊骨架，就可有效地防止波浪变形。

　　5 控制平台钢结构焊接变形的焊接施工管理措施

　　要控制平台钢结构焊接变形，还必须从以下三个方面采取相应的焊接施工管理措施：

　　5.1企业资质

　　平台钢结构工程焊接制作与安装单位应具有船级社认可的企业资质、焊接质量管理体系、平台焊接施工经验等条件。

　　5.2焊接工艺及人员资质

　　在开工建造前，焊接工艺应经船级社批准。焊接人员(包括焊接工程师、无损检测人员、焊工、切割人员等)，必须经过专门技术培训，取得相应资格证书，并应具有一定焊接实践经验和技术水平，方能持证上岗。

　　5.3严格执行焊接工艺和焊接检验程序

　　平台钢结构焊接人员应加强责任心，根据批准的设计图样和焊接工艺中的规定精心组织和施焊;焊接质量检验人员应按照批准的检验程序和标准要求严格把关，以确保平台钢结构的整体焊接质量。

　　6 结论

　　(1)通过采取适当的设计措施、工艺措施和严格的焊接施工管理措施，大多数情况下可有效地控制平台钢结构焊接变形，达到保证工程质量的目的。

　　(2)由于影响平台钢结构焊接变形的因素较多，钢结构有时出现焊接变形是难以避免的。因此在平台钢结构制造与安装中，焊后对钢结构焊接变形的矫正(机械矫正或火焰矫正)也是一种必不可少的工艺措施。

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