浅谈树丫形焊接H型钢钢柱制作

摘要：武汉汉口江滩节能改造示范工程运动草地休闲长廊为单层钢结构，屋面为轻质彩钢板，总长112米，宽24米，钢结构钢柱最高达6.2米，建筑面积2688m2，由47根钢架柱组成，钢架柱和屋面梁都是焊接H型钢，钢架柱是树丫形的。制作过程中出现了腹板不平度偏高，树丫形钢柱扭曲等缺陷，针对此缺陷，我们分析原因，找准关键点焊接应力集中，然后采取相应的一系列改进措施，简单可行的梅花形点状加热法消除应力，取得了明显的成效。

关键词： 树丫形钢柱钢柱扭曲焊接应力集中消除应力

中图分类号： TG4 文献标识码： A 文章编号：

2009年11月我项目部承接了武汉汉口江滩节能改造示范工程运动草地休闲长廊钢结构制作安装工程。运动草地休闲长廊为单层钢结构，屋面为轻质彩钢板，总长112米，宽24米，钢结构钢柱最高达6.2米，建筑面积2688m2，由47根钢架柱组成，钢架柱和屋面梁都是焊接H型钢。钢架柱是树丫形的。焊接H型钢H450*250*8*12，材质Q345B。钢梁多达200根。焊接H型钢的腹板与翼缘板间的角焊缝应采用自动和半自动埋弧焊，所有坡口焊缝均应按二级焊缝质量等级验收，其余焊缝按三级质量等级验收。

树丫形钢柱的图形如下：

图示一 图示二

图示一是整体钢柱的型式，图示二是钢柱中部的一部分（树丫形）。

一、制作难点、重点

钢柱制作工艺流程：

下料-翼缘板按照树丫的弧度上卷管机）滚弧 -组装-焊接-除锈-涂装-出厂

在此工艺流程中，对于制作树丫形钢柱，滚弧、组装、焊接是我们必须注意的几个难点，在制作过程中焊接应力集中导致构件变形，消除应力是树丫形钢柱制作的重点。。

滚弧

中部翼缘板按设计展开图下好料，然后在卷管机上弯曲成形，应采用弧形样板检查。当零件弦长小于或等于1500mm时，样板弦长不应小于零件弦长的2/3；零件弦长大于1500mm时，样板弦长不应小于1500mm。成形部位与样板的间隙不得大于20mm。

组装

1）在钢结构加工平台上，按树丫形钢柱的1:1的比例，搭建一个树丫形H型钢真实形状和尺寸的胎具，

2）布置拼装胎具时，其定位必须考虑预放出焊接收缩量及齐头、加工的余量。

3）板材、型材的拼接应在组装前进行；构件的组装在部件组装、焊接、矫正后进行。

4）组装顺序根据结构形式、焊接方法和焊接顺序等因素确定。连接表面及焊缝每边30～50mm范围内铁锈、毛刺和油污必须清除干净。当有隐蔽焊缝时，必须先预施焊，经检验合格方可覆盖。

5）将实样放在装配台上，按照施工图及工艺要求预留焊接收缩量。装配台具有一定的刚度，不得发生变形，影响装配精度。

6）装配好的构件立即用油漆在明显部位编号，写明图号、构件号和件数，以便查找。

7）焊接结构组装按需分别选用以下工具：

卡兰或铁楔夹具：可把两个零件夹紧在一起定位，进行焊接。

槽钢夹紧器：可用于装配板结构的对接接头。

矫正夹具及拉紧器：矫正夹具用于装配钢结构；拉紧器是在装配时用来拉紧两个零件之间的缝隙。

手动千斤顶。

8）定位点焊所用焊接材料的型号，要与正式焊接的材料相同，并应由有合格证的焊工人点焊。

9）焊接结构组装工艺：

无论翼缘板，腹板，均应先进行装配焊接矫正，与钢柱连接的节点板等，应先小件组焊，矫正后再定位大组装。

放组装胎时放出收缩量，一般放至上限(L≤24m时放5mm，L≥24m时放8mm)

10)翼缘板、腹板均先单肢装配焊接矫正后进行大组装。组装前先进行基本定位，并焊接好加劲板和拉条，以确保在进行交叉施焊时结构不变形。

焊接

1)焊接材料：

选择的焊条型号应与主体金属力学性能相适应。Q345级钢材连接的焊条采用E50系列。

埋弧自动焊： Q345级钢材的连接采用F50XX型焊剂，H10MnSi、H08MnA或H10Mn2焊丝，其性能应符合现行国家标准《低合金钢埋弧焊用焊剂》(GB12740)、《熔化焊用钢丝》(GB/T14957)的规定。

CO2气体保护焊，焊丝采用ER50-6。

2)操作工艺

树丫形钢柱中部我们采用CO2气体保护焊、电弧焊，丫形钢柱下部和上部采用埋弧自动焊。应力集中部位主要在中部。

为了减少焊接变形与应力我公司常采取如下措施：

A 焊接时尽量使焊缝能自由变形，焊接要从中间向四周对称进行。

B 收缩量大的焊缝先焊接。

C 对称布置的焊缝由成双数焊工同时焊接。

D 长焊缝焊接可采用分中逐步退焊法或间断焊接。

E 采用反变形法，在焊接前，预先将焊件在变形相反的方向加以弯曲或倾斜，以消除焊后产生的变形，从而获得正常形状的构件。

F 采用刚性固定法：用夹具夹紧被焊零件能显著减少焊件残余变形及翘曲。

G 锤击法；锤击焊缝及其周围区域，可以减少收缩应力及变形。

二、分析原因，找出改进方法

按照此工艺流程制作成的钢柱存在的质量缺陷：分支扭曲；腹板平面度偏差大。引起这些质量缺陷的原因是：一、人，施工人员的操作技能不高，导致焊接引起的应力变形。二、料：钢板厚度薄，H型钢截面小，焊接应力集中，导致变形大。三、法：焊接方法不科学，使用手把焊，焊接变形大，飞溅多。

我们从以下几个环节解决钢柱的质量问题，首先，对操作人员进行技术方面的理论培训，着重从焊接方式、焊接电流、电压的使用方面进行培训。然后，我们将原来采用的手工电弧焊改为二氧化碳气体保护焊。最后焊接完后，对腹板不平度超标的进行焊后热处理。

1、通过以下方式提高施工人员的操作技能：

a、提高全体制作作业人员的施工技能，组织施工人员进行理论知识方面的学习，并进行现场实际操作。并对每道工序进行检测，符合要求才能进行下一道工序，要层层严把关。

b、对于影响外观质量的部位选用技术娴熟的作业人员进行施工。

2、在制作加工的过程中，先将原材料及下料零部件进行处理：

a、钢板厚度薄，易变形，在下料前将钢板用钢板校平机进行校正。

b、采用多头切割机进行下料，或在下料时在钢板上压一块重物，阻止钢板受热变形。

c、在H型钢组装前，将每个零件校平其平面度至钢结构工程施工质量验收规范之内。

3、手工电弧焊的焊接特点：所有焊接结构中，因受热应力的作用，都存在着焊接残余应力和变形，外形复杂的焊缝、长焊缝和大工件上的焊缝，使残余应力和变形问题更为突出。采用手工电弧焊，可以通过工艺调整，如跳焊、逆向分段焊、对称焊等方法，来减少变形和改善应力分布。焊接质量不稳定。手工电弧焊的焊接质量，与焊工的技能有关，培训焊工技能的难度较大，也由于手工操作的随意性比较大，使焊接质量不稳定，这是手工电弧焊的最大缺点。

CO2气体气体保护焊的特点，能提高焊速，减小变形。二氧化碳气体保护焊的优点：1．焊接成本低。其成本只有埋弧焊、焊条电弧焊的40~50%。2．生产效率高。其生产率是焊条电弧焊的1~4倍。3．操作简便。明弧，对工件厚度不限，可进行全位置焊接而且可以向下焊接。4．焊缝抗裂性能高。焊缝低氢且含氮量也较少。5．焊后变形较小。角变形为千分之五，不平度只有千分之三。6．焊接飞溅小。当采用超低碳合金焊丝或药芯焊丝，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飞溅。

通过对这两种焊接方法的比较，我们采用二氧化碳气体保护焊焊接树丫形钢柱的分叉部分。减小变形，减小不平度。采用焊接变形小的CO2气体保护焊焊接分叉处，针对CO2气体保护焊焊缝外观成型不很美观，我们挑选焊接技术好的焊工进行施焊，二氧化碳气体保护焊的焊接速度比较快，减少应力集中。

三、焊接变形的预防和控制

焊接变形的大小与焊缝的尺寸、数量和布置有关。首先从设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸，并恰当地安排焊缝的位置，对于减少变形十分重要。在工艺上采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量。采用合理的装配、焊接顺序、反变形和刚性固定可以减少焊接变形。

利用局部加热产生压缩塑性变形使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。

焊接变形：1、横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。2、失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；

焊接应力是由于焊接产生的热量输入不均匀造成的，简单来说就是热胀冷缩的原理。不同区域热量不同，变形不同，产生应力。减小措施：在满足要求情况下，尽量使用小电流，减小热量输入。尽量对称焊接，从中间往两边，分段退焊。焊前预做反变形。或是焊后热处理消除应力，或用机械矫正法拱平。

四、实际焊接应力集中消除方法

此钢柱采用的钢板厚度：翼缘板10mm，腹板8mm。钢板薄，在丫形分叉处应力集中导致腹板变形。

针对出现的缺陷及分析，采取的校正方法：分叉处的腹板主要由于焊接应力集中，要使焊接应力释放出来，我们采取下列方法消除应力。一、可以采用火焰校正，在不平处，进行梅花点状火烤；二、可以用低成本简便易行的方法，在焊接T形焊缝时，在腹板上压一重物；三、振动法来消除焊接残余应力构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

五、通过实践出成效

从第一批产成品中总结经验、改进操作方法、采取有效地预防措施，以后的钢柱腹板不平度、扭曲现象得到有效地改善。艺术造型的休闲长廊给风景秀丽的江滩增添了不少色彩。

汉口江滩休闲长廊框架图片