大面积薄钢板平铺焊接变形的控制技术

第28卷第4期Vol.28No.42007

青岛理工大学学报

Journal of Qingdao Technological University

大面积薄钢板平铺焊接变形的控制技术

覃志清,姚建伟

(青岛安装建设股份有限公司,青岛266042)

摘　要:薄钢板焊接变形是施工过程的控制重点,结合工程实例,针对焊接面积大,钢板较薄,整体

表面要求平整,耐久滚压等特点,从焊接变形控制措施,施工技术措施,施工工艺环节出发,系统介

绍了从板幅选择、排料、施工、过程控制等方面所采取的施工措施,工程实践表明所采取的施工措

施保证了工程的质量.

关键词:大面积薄钢板;平铺焊接;焊接变形;施工技术

中图分类号:TU741.2 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2007)04—0117—04

如何控制焊接应力和变形到最小,是大面积薄钢板焊接中最关键的一个环节,合理的施工顺序可以减少结构内部残余应力,使整体钢板不变形.不同的施工顺序,大面积薄钢板的变形程度不一样,例如在韩国的一个项目中,钢板敷设之前,没有预埋角钢框,钢板敷设满焊完后,使用过程中受热变形,大面积鼓起或凸起,钢棍子和叉车过时,产生振动,对设备的稳定生产产生影响.因此选择合理的构件组拼顺序、焊接顺序、焊接方法,把大面积薄板焊接变形控制到最小[122].

1　工程概况

晓星钢帘线(青岛)有限公司安装工程,由韩国独资建设,占地面积161000m2.一期、二期车间建筑面积各为37250m2,主要分为A区:一次拉丝、B区镀锌、C区绞线区.其中C区面积12000m2,全部采用δ=5mm的花纹钢板平铺地面,并进行全部焊接.

2　技术难点

C区生产车间200m×60m,建筑面积12000m2,根据绞线机的工艺性能,一般的水泥地面满足不了缠线钢辊子的来回拖动,且地面灰尘直接影响着钢丝的产品质量,以至整个车间都要全铺花纹板,并且焊接部位一切满焊.由于焊接整体面积大,且钢板薄,施焊过程中,局部高温受热造成焊件温度分布不均匀,焊件组拼的顺序和焊接顺序不一样,最终导致了钢板结构内部产生焊接应力和变形[3].为使整体钢板不变形以及焊接应力和变形控制到最小,必须了解焊接变形产生原因,采取有效合理的焊接顺序和焊接方法.

3　焊缝预控措施

3.1　焊接变形产生的原因[425]

在焊接过程中,不均匀的受热,使得焊缝及其附近的温度很高,而远处大部分金属表面不传热,其温度还是室内温度,这样不等的膨胀和收缩,冷却后,焊缝就产生了不同程度的收缩和纵向内应力以及横向内应力,造成了焊接结构的各种变形.当受热温度小于塑性变形温度时,冷却后存在残余变形而不存在残余应力;加热温度大于塑性变形温度时可能会出现下面三种情况:①当焊件之间有间隙时,仅出现残余变形而无残余应力;②如焊件受到限位,那么焊件没有变形而存在较大的残余应力;③如果焊件间隙预留不充分,焊件既存在残余应力又存在残余变形.

收稿日期:2007—03—19

青岛理工大学学报第28

卷图2　钢板边缘一侧加热和冷却时的应力和变形图1　钢板中心加热和冷却时的应力与变形

由于车间的焊缝坡口是对接形式,板的面积

比较大,导致了焊件的受热不均匀,焊缝部位温度

比较高,离焊缝部分越远,温度越低,这样,焊件收

缩不充分,导致焊件中既存在残条应力又存在残

余变形,图1、图2是钢板受热引起的应力和变化

图.

(1)钢板中心加热引起的应力与变化见图1.

(2)钢板一侧加热引起的应力与变化见图2.

总之,在钢板焊接过程中,由于受热不均,只

要温度高于材料屈服点的温度,钢板就会产生塑

性变形.冷却后必然有残余应力与残余变形.

3.2　焊接残余应力的分布[3]

焊接残余应力分为纵向残余应力和横向残余

应力,作用方向平行于焊缝轴线方向的残余应力

称为纵向残余应力σx 1,在焊接结构中,焊缝及其

附近区域的纵向残余应力应为拉应力,一般可达

到材料的屈服点,随着焊缝距离的增加,拉应力急

剧下降为压应力.其分布情况见图

3.

将垂直于焊缝轴线的残余应力称为横面残余

应力,焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩而引

起的横向残余应力σy 1,见图4.图3　横向收缩时引起的纵向残余应力σx 的分布

图4　纵向收缩引起的横向残余应力σy1的分布

一条焊缝先焊的部分先冷却,后焊的部分后

冷却,先冷却的部分又限制后冷却的横向收缩,就

引起了横向残余应力σy 2,见图5.

横向残余应力的两个组成部分同时存在,焊

件中的横向残余应力是δy 1与δy 2的合力.

4　施工工艺和技术措施

4.1　施工顺序

由于施焊面积比较大,为使焊接变形达到最

小,首先选择合理的板幅和组拼顺序、焊接顺序和焊接方法,尽量减少焊缝数量和焊缝尺寸,具体施工顺序如下:

板幅选择→排料→号样→固定划焊→平整满焊→消除应力811

第4期 覃志清,等:

大面积薄钢板平铺焊接变形的控制技术图5　不同方向焊接时σy 2的分布 (1)预埋件、板幅选择:采用L40×4的角钢

框进行整体预埋,纵向边框中心距1263mm ,横

向中心距1200mm.花纹钢板选用4000×1260

的板幅,既节约材料损耗又能保证焊接的牢固和

整体的焊接效果.

(2)排料和号样:根据车间开间和进深及预埋

角钢的尺寸进行排料,花纹钢板严禁采用卷板开

平钢板,避免材料本身应力的出现,对材料稽核尺寸检验,保证材料的对角线与预埋角钢框对角线的统一,避免出现纵、横焊缝歪斜影响整体外观效果,防止出现花纹钢板四边与角钢搭界处尺寸大小不一,确保焊接的牢固性和耐久性.

(3)固定划焊:花纹钢板局部开口,便于进行局部焊接固定,固定后进行机械锤击,消除局部焊接后的应力,并进行单张钢板的划焊,划焊长度控制在100～150mm 之间,完毕后再次进行锤击,释放局部应力.保证接触面的饱和性.

(4)平整满焊消除应力:整体焊接完毕后再进行锤击平整,释放整体应力,克服局部翘起,保证整体的平整度.

4.2　减小焊接残余应力的措施

(1)从设计措施考虑:花纹板下料时,用等离子切割机代替氧气方法进行切割,使切口受热比较均匀,产生的残余应力比氧气切割产生变形轻.

(2)尽量减少钢板的焊缝数量和焊缝尺寸,根据进货钢板尺寸(4000mm ×1263mm ),在土建基础上预埋角钢框(1200mm ×1263mm ),并保证角钢框的纵向平行度和横向平行度以及整个平面的水平度,这样大幅度减少焊缝数量.然后根据所买的钢板板幅,横向是1263mm ,纵向是4000mm ,进行钢板敷设,并且在纵向方向上与预埋角钢搭接部位,加工两个方口(10mm ×30mm ),进行钢板定位,与预埋角钢进行点焊.结合实际焊接顺序和方向,花纹板纵向定位位置有6点左右,具体位置见图

6.

图6　角钢框与花纹板平面布置图图7　钢板焊接顺序示意图

然后对横向焊缝进行施焊.焊接

方法采用分段退焊法,从中间向两边

施焊,一般每隔500mm 进行分段施

焊,当横向焊缝满焊结束后,用锤击焊

缝法,即用圆头小锤对焊缝敲击,使焊

缝适当锻延,使其伸长来补偿焊接过

程中产生的收缩量,减少焊接收缩量.

随后把纵向点焊(焊点1、2、3、4、5、6)

消去,使钢板尽量回复原结构形式,再

对纵向焊缝施焊,最后对四个开口进

行满焊,满焊之前首先要用吸尘器把

槽里灰尘和焊渣吸净,以防止焊接过

程有杂物产生气泡和气孔.最后用小

锤敲击焊缝,使其焊接变形到最小.这

是一张板幅的焊接顺序,具体焊接顺

序见图7.

对于大面积的钢板敷设,施焊方法同上,结合预埋角钢框,钢板敷设过程中存在着交叉焊缝,其焊接顺序见图8.

(3)采用二氧化碳气体保护焊进行焊接,可减少焊接电流,且焊接速度比手工电弧焊快,使焊接变形轻.

总之,为了减少焊接变形,必须尽量减少焊缝的数量和焊缝尺寸,避免焊缝过度集中,焊缝间应保持足911