钢结构柱的焊接

中图分类号：TU391文献标识码： A

1总述

随着经济的发展，钢结构在国民生活中占的比重约来越大，一些大型的结构逐渐采用钢结构代替了砖混结构。钢结构的制作过程中，焊接工序占的比重很，但是在实际过程中，往往对焊接工作的重视程度不足，从而产生了一些严重的问题，如结构的变形量超标、裂纹、层状撕裂、端面不平度超标等缺陷，从而影响整体结构质量。在实际工作中，完成了一批多层的焊接钢结构柱，在生产中严格控制焊接顺序，合理调整焊接方法，对焊接收缩量进行了控制，较好地完成了制作加工任务，博得了业主的好评。

此柱是一选煤厂房柱的一部分，一根柱被分成三部分进行制作，此为顶部柱，具体结构形式如“图一”所示。在中间部位是一100吨吊车的吊车梁的支腿部分，上部包含有与梁连接的端头板，下部有与中柱连接的连接板，以及吊车梁支撑以及一些柱间支撑连接板等附件构成。其中柱截面尺寸为主截面为HN1000X450X22X30/HN1300X450X26X30， 与梁连接的端头板、与柱连接的柱头板以及吊车梁支撑厚度均为30mm，一些加强筋为10mm。 材料为Q345B。吊车梁支撑与钢柱之间的焊缝为全熔透焊缝。此柱总长为7150mm，总重为4105.2KG。制作标准为AWS D1.1。

2焊接工艺评定及焊接工艺规程

按照AWS D1.1 的相关要求进行焊接工艺评定，其中包括板与板之间的对接焊缝，板与板焊接的角接头，厚度从6-30mm，焊接方法涉及到FCAW（CO2气体保护焊），SAW（埋弧焊），具体的应用会在下边的工序中详细说明，在此不作总结。

焊工及焊接操作工按照AWS D1.1 的要求进行了相关的技能考试及验证，在此不详细说明。

3制作工序

钢结构柱的制作一般情况下包含以下几个工序，1板材的下料，开坡口（如果有）；2 板材的拼接，质量检验3焊接H型钢及质量检验4放样及组对附属件；5焊接端附属件；最终检验。所以，从以上工序可以看出，焊接过程几乎贯穿了这个钢结构的制作过程，所以必须严格进行的控制。

有吊车梁支撑牛腿处为焊接量最大的部位，且焊接难度大，要求严格。此处为非对称结构，如果焊接过程控制不好，非常容易产生侧向的焊接变形，从而导致整根柱子的直线度超标，影响整体质量，所以此处的焊接是整个柱子制作的重点也是难点。

3.1板拼接

所有的板材拼接焊缝均要求按照全熔透焊缝进行焊接，所以对接焊缝必须要求开坡口，坡口形式如下图二所示，采用埋弧自动焊或者手工焊，或者二者相结合的方式进行焊接。采用埋弧焊焊接时，组对间隙0，并且要求板与板之间的间隙越小越好。根据焊接工艺规程选择焊丝为H10Mn2，配合与之相匹配的焊剂SJ101 进行焊接。一般情况下，埋弧焊焊接此种坡口形式的焊缝，不用背面清根基可以达到全熔透的效果，但是不同的焊接机械的能力不同也会产生区别，如果发现背面没有焊透，出现夹渣等缺陷，采用碳弧气刨得方法进行背侧清根后再进行下一层的焊接。。FCAW焊接时，坡口钝边1-2mm 为宜，并且根据实际情况留有0-1mm的焊接间隙，以保证根部的熔透效果，选择使用E71T-1C焊丝，。焊接完毕后打磨去掉余高，进行超声波检测。

3.2 H型钢焊接

板材拼接完毕后，组对成为H型结构进行柱主体的焊接。 焊接位置为水平位置。一般情况下，此种钢柱的焊接为船型焊，即工件放置在90度的专用工装上，使焊缝处于水平位置。焊接顺序为对称焊接，减少焊接变形，一般的焊接顺序是1-3-2-4，或者2-4-1-3进行。如果埋弧焊接一次不能填满整个坡口，必须进行多次填充才可满足焊缝高度，则必须按照以上步骤进行焊接，不能一条焊道填满后再焊接其它焊缝。这样的焊接顺序能够较好的保证H型钢的制作精度，减少焊接变形。并且，每次的翻转过程是一次焊接内应力的释放过程。此种大厚壁的钢结构H型钢一旦产生变形，很难通过火焰校正的方式进行调整，必须通过施加外力，如千斤顶或者专用的调直机械进行校正，且校正后的效果不是很理想。

3.3附属件的焊接

此道工序是产生焊接变形的主要点，应该特别给与关注。特别是柱端头板与H钢焊接，和牛腿和H型钢焊接，此两处的焊缝形式均为T型焊缝，且受动载荷冲击比较大区域，所以技术要求比较严格，采用完全焊透形式的T型焊缝，这也就是说，此处的焊缝属于坡口焊缝，焊接输入量比较大，并且焊缝布置复杂，空间距离小，焊接热循环比较多，很容易产生较大的应力集中，从而引起焊接变形，或者导致钢材产生层状撕裂。

3.3.1 H型钢与端头板的焊接

由于选取了一根顶部柱为例子，所以此根柱不但含有与梁相连接的端头板，还有和底部柱相连接的柱头连接板。由于柱与梁之间，柱与柱之间采用螺栓连接，所以要求此端面焊接后必须平整，不可一产生翘曲或者凹陷等缺陷，所以在焊接过程中必须减少变形，释放在焊接过程中产生的焊接应力，保证整个平面的平整度。

3.3.1.1坡口与焊接顺序

与端头板焊接处均开45度坡口，坡口形式如图四所示，在此特意选择了开45度的坡口角度，这样可以既可以减少填充量， 也可以保证根部的完全焊透。在焊接时要求焊工必须按照一个顺序进行焊接，并且保证所有的部位均按照从里到外，先短后长的原则进行焊接。

3.3.1.2焊接方法

采用 二氧化碳气体半自动焊进行焊接，此种焊接方法的优点是焊接速度快，其焊接速度是手工焊条电弧焊的1-4倍，且焊接成本比较低，焊接变形小，一般情况下，co2气体保护焊产生的变形为角变形为千分之五，不平度只有千分之三。

3.1.3焊接顺序，先焊接H型钢服板与端头板之间的焊缝，然后再焊接两个翼缘板与端头板之间的焊缝， 这样焊接的好处是腹板的焊缝焊接使，使应力可以从中间往两侧分散，避免焊接应力集中在焊缝内部，形成内应力。然后焊接两个翼缘板与H型钢之间的焊缝， 此处焊缝最好采用两个焊工对称焊接的形式，这样使焊接产生的内应力可以减小，同时在焊接过程中，使用小锤锤击焊道，使焊接应力得以释放。

3.4吊车梁支腿焊接

此处是整根柱的焊接重点所在，如果控制不好，将会产生很大的变形。特别指出的是吊车粱支腿下平面的板要插入变截面梁中，不可以断开。在此，按照图纸尺寸先将支腿进行预制，再将变截面部分与支腿进行组对，H型钢与支腿焊接的部位按照图四形式开坡口，采用FCAW进行焊接。焊接顺序按照3.3.1.1 的顺序进行，并且每焊完一道焊缝需要用小锤锤击焊道，释放产生的应力，此处控制的要点是，每一个焊道不能一次性填满，必须按照一定的方向进行焊接，并且焊接顺序一旦固定，原则上不能修改，从开始到焊接结束都要按照此顺序进行。

4焊接收缩量的控制

在焊接过程中，由于焊缝受到拉应力的作用，会产生变形和形变，所以柱在整个焊接过程中会缩短，为了保证整体的安装精度，所以在下料前必须根据收缩量的大小留出适当的余量。此种结构的柱子由于结构复杂，焊接收缩量计算公式已经不适合此种复杂焊缝的收缩量计算，所以工厂采用实际收缩量验证的方式来控制下料尺寸。在批量制作前，预先预制一件来验证焊缝收缩量。当第一件焊接完毕后，发现总长度方向会产生5mm 的焊接收缩量，宽度方向会有1-2mm 的收缩量（在可控范围内，不予考虑）。所以在结构柱下料前，每根柱在长度方向都会长出5mm。在以后的焊接过程中，通过复查的办法再次核实了这个收缩裕量是可以满足实际需求的。

5通过对现场焊接工艺的控制，对焊工进行了焊接顺序的交底，在实际中取得了较好的效果，此种结构柱在焊接完毕后，完全满足标准的要求，减少了校正工序，节省了成本，缩短了工期。

参考文献：焊接工程师手册第二版

AWS D1.1 -2008

焊接结构与生产

焊接手册第三卷焊接结构