[发明专利]降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法

说明书

降低厚壁钢结构现场焊接应力变形的焊接方法，它涉及一种焊接方法。本发明解决了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。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”；内置腹板焊制：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；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。本发明用于降低厚壁钢结构现场焊接应力变形。

技术领域

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。