赵 俊 左 松
(中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司， 河北廊坊 065000)
摘 要：在钢结构制作加工时，构件中不利的残余应力会直接导致构件出现变形、裂缝等缺陷。残余应力除了会影响钢构件的稳定性、疲劳强度以及抗应力腐蚀能力外，还会影响钢构件的使用年限和安全。首创丽泽工程的十字柱截面尺寸较小，板材较厚，焊接过程中极易产生焊接变形，通过分析十字柱产生焊接变形的原因，从坡口形式、焊接顺序、焊后校正等措施入手，对钢结构焊接变形的控制方法进行了探讨。
关键词：十字柱； 焊接变形； 残余应力； 变形控制
首创金融商务区F02、F03地块项目，位于北京市丰台区，主要包括裙房和塔楼，其中裙房主要用于商业，塔楼作为办公和酒店式公寓。F02地块总建筑面积200 467 m2，其中地下建筑面积50 567 m2，地上裙房建筑面积31 500 m2。F02-1塔楼建筑面积为67 550 m2，高度150 m；F02-2塔楼建筑面积为 50 850 m2，塔楼高度117.4 m；F03地块建筑总面积218 813 m2，其中地下建筑面积58 813 m2，地上裙房建筑面积41 000 m2，塔楼地上建筑面积119 000 m2，F02、F03塔楼的建筑形式为：型钢混凝土外框架+核心筒剪力墙结构。
该工程的十字柱设计比较有特色，典型的构件以F02-2塔楼外框柱和核心筒十字柱为例进行介绍，L2-YZ1-1十字柱截面(图1)的规格为700 mm×700 mm，翼缘板和腹板板厚均为30 mm，柱身长约10.5 m；SL1-HZ2-2十字柱截面(图2)尺寸为800 mm×700 mm，翼缘板和腹板板厚均为50 mm，柱身长约5.5 m。该十字柱截面尺寸较小，板材较厚，焊接过程中极易产生焊接变形[1]。
图1 L2-YZ1-1截面
图2 SL1-HZ2-2截面
图3 T形残余应力分布
2.1 T形构件的变形
T形接头组焊完成后，翼缘板与腹板上的残余应力分布如图3所示，在腹板的中间部位残留的是压应力区，腹板的近焊缝区域和远离焊缝的远端残留的是拉应力[2]；翼缘板的焊缝区域残留的是拉应力，两端残留的是压应力。施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律(变形前为平截面，变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。由于焊缝区与其邻近钢材是连续的，焊缝区因冷却产生的收缩变形又因平截面规律受到邻近低温区钢材的约束，使焊缝区产生拉应力。这个拉应力在焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材内，对于低合金钢材焊接后的残余应力常可达到其屈服极限。又因截面上残余应力必须自相平衡，焊缝区以外的钢材截面内必然有残余压应力。除产生上述焊接残余应力外，还会产生横向残余应力。横向残余应力的产生由两部分组成：其一是由焊缝区的纵向收缩引起的，其二是由焊缝的横向收缩引起的，最后的横向焊接残余应力应当为两者叠加。焊缝中由焊缝横向收缩产生的横向残余应力将随施焊的程序不同而异[3]。
由于T形的翼缘板与腹板之间为全熔透与半熔透混合焊缝，开制的坡口为3/7的全熔透焊缝坡口，造成焊缝填充量较大，单位厚度焊接线能量较大，再加上焊缝长度较长，造成了T形的横向收缩变形与纵向收缩变形；T形的焊缝中心线与结构截面的中性轴不重合，使纵向收缩力在焊件中性轴两侧引起的变形不能相互抵消，除了引起其收缩变形外，同时还会引起焊件的挠曲变形。
T形中腹板上开制的3/7坡口，由于腹板两侧的焊缝填充量不同，造成焊接区沿板厚方向的不均匀横向收缩，极易形成角变形。
2.2 H形构件的变形
图4为H形构件典型的残余应力分布。在腹板的中间部位是压应力区，在腹板的两端焊缝处和上、下翼缘板焊缝周围以及板边主要产生的都是残余拉应力，并且腹板和翼缘板焊缝周围拉应力重叠，由于翼缘板采用数控火焰切割机进行的切割，故在翼缘板边缘保留有火焰切割所产生的残余拉伸应力。
图4 H形残余应力分布
此外，焊接方法及焊接顺序的不合理会导致焊接残余应力的出现，尤其是对于一些焊接部位较多，焊接程序复杂的构件来说，采用不同的焊接顺序进行焊接，最终产生的焊接应力也是不尽相同的。焊接工艺参数设置不合理，在构件的焊接过程中，需要综合考虑构件的结构、材质、厚度等各种因素才能进行焊接方法的选择及焊接参数的设置，否则很容易在焊接的过程中形成凹坑、气孔、裂纹等缺陷。
2.3 产生焊接应力与变形的微观解释
通常情况下认为，焊件在焊接过程中受到局部的、不均匀的加热和冷却使焊接接头各部位金属热胀冷缩的程度不同，因焊件本身是一个整体，各部位是相互联系、相互制约的，不能自由地伸长和缩短，这就使接头内产生不均匀的塑性变形，在此过程中就要产生应力和变形。表述如下：焊接热输入引起材料不均匀加热，使焊缝区熔化，在热传导作用下致使焊接接头形成了高温区，材料发生热膨胀而受到周围母材形成的低温区域的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中已产生的压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的限制而不能自由收缩，不同程度上又被拉伸而“卸载”；与此同时熔池凝固金属冷却收缩也产生相应的应力与变形，也就是高温焊缝区受到拉应力，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变[4]。
在焊接过程中，焊缝金属在热膨胀过程中受到处于相对低温区的母材金属的内拘束和结构外拘束，不能够自由膨胀而产生压应力，压应力大于屈服强度时，就产生了压缩塑性变形，随着变形量的增加，焊接应力减小，焊接便形成了应力的释放形式，由于材料还未成为完全塑性材料，在材料内部还会产生压缩弹性变形，为使整个构件平衡，接头高温区产生压应力，母材低温区产生拉应力[5]。
在焊接接头冷却过程中，产生压缩塑性变形的焊缝区由于不能恢复到原来状态，缩短时受内外拘束条件的限制，焊缝金属产生了拉应力，屈服点却随温度的降低而升高，因此焊缝产生了一定量的拉伸应变，并未完全拉伸而卸载，即焊接拉应力在焊缝拉伸过程中有所减小，当减小到屈服点以下就以弹性应变的形式存在于焊接构件当中，即产生拉应力，以此平衡与此构件当中产生的焊接压应力，最终整个构件在一拉一压应力作用下平衡了，且构件面积变小。
由此可见焊接应力与变形总是成对出现，在焊接应力、温度和屈服强度的对比条件下相互转化，温度升高，屈服强度降低，变形增加，焊接应力减小；反之，屈服强度降低，变形减小，焊接应力增加。
将常用的控制焊接变形的措施与丽泽十字柱相结合，与产生变形的原因相对应，从刚性固定、火焰矫正、焊接顺序等方面出发，提出控制偏心十字柱变形的措施[6-7]。
3.1 选择合理的坡口尺寸
焊缝尺寸的大小直接影响到焊接变形的大小。通常在选择焊缝尺寸时会考虑在保证焊接承载力要求的前提下，优先选用焊缝尺寸较小的。因为，随着焊缝尺寸增大，在焊接过程中产生线能量增大，从而增大焊接量及焊接变形。将柱身范围内的全熔透坡口(图5)由3/7改为4/6，减小坡口尺寸与焊缝截面积，从而降低焊缝金属的填充量，减小收缩变形。
a—3/7坡口;b—4/6坡口。
图5 全熔透坡口示意
3.2 合理的装配焊接顺序
采用合理的装配焊接顺序和方向来减小焊接变形。一是尽可能考虑焊缝的自由收缩，对于大型结构的焊接应从中间向四周对称进行；二是收缩量大的焊缝先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，残余应力就比较小；三是采取对称焊接，对于刚性大而断面对称的构件，在施焊时可采用对称的焊接顺序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的；四是采用焊缝的不同焊接法，在焊接长焊缝时，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法。
3.2.1 H形钢组立与焊接
组立前先检查组装用零件的编号、材质、尺寸及坡口形式、数量和加工精度等是否符合图纸和工艺要求，确认后才能进行装配。 检查所下料的板件是否平整，否则利用立式液压机或铁锤进行矫正，以保证其平整度。对钢板有马刀弯者采用火焰矫正的方法进行矫正，火焰矫正的温度不得超过650 ℃。
H形钢的翼板和腹板下料后应标出翼板宽度中心线和腹板拼装位置线，并以此为基准进行H形钢的拼装。为防止在焊接时产生的角变形过大,拼装时可适当用斜撑进行加强处理,斜撑间隔距离视H形钢翼腹板的厚度进行设置。
H形钢拼装定位焊所采用的焊接材料须与正式焊缝的要求相同,厚板的定位焊须用火焰进行预热,预热温度40～60 ℃,定位焊的焊脚不应大于设计焊缝的2/3,且不得大于8 mm,厚板定位焊缝长度不得小于60 mm，间距不大于600 mm,定位焊焊缝不得有夹渣、气孔和裂纹，否则必须清除后重新焊接[8-10]。
3.2.2 组装十字柱
长焊缝可同时安排两名焊工从焊缝中心线往两头焊接，避免热量过分集中。如图6所示。该构件采用气保焊焊接，选两个焊工分别在一侧从中间位置对称向两端焊接，首先将①、②焊缝进行打底，然后将构件翻身，焊接③、④焊缝，打底，填充，接下来将构件再次翻身，将①、②焊缝填充，盖面，最后将③、④焊缝盖面，见图7。
a—拼装顺序；b—局部放大。
图6 H形钢拼装定位焊
在整个焊接过程中，对焊接规范参数进行有效合理的控制，采用小电流焊接，以减小热影响区的宽度和粗晶脆化的程度。做到多层多道，窄焊道薄焊层，既可以起到预热，又可以起到回火的作用，因此有利于降低热影响区的硬度、应力和提高塑性。
图7 焊接顺序
3.3 焊接后措施
3.3.1 机械矫正
机械矫正法是用机械来矫正焊接H 形钢及T形钢等构件的弯曲变形的一种方法，在加工厂内采用大功率翼缘矫直机，利用圆盘形滚轮来碾压焊缝及其两侧压缩塑性变形区，使之伸长来达到消除变形的目的。
3.3.2 火焰矫正
对于焊接变形常用到的加热方法有线状加热法、点状加热法、三角形加热法3种。翼缘板产生的角变形可采用纵向线状加热的方法；柱、梁、撑等构件局部弯曲变形，在翼缘板上，对着纵长焊缝，由弯曲中心向两头作线状加热，即可矫正弯曲变形。如果效果不理想，可用辅助加载的方法。翼缘板上作线状加热，在腹板上作三角形加热。加热三角形从顶部开始，从中心向两边扩大，一层层加热直到三角形的底为止；柱、梁腹板的波浪变形矫正是在波峰处用圆点加热法配合手锤矫正。加热圆点的直径一般为 100～200 mm。烤嘴从波峰起做圆形挪动，选用中温矫正。当温度到达 600～700 ℃时，在波峰位置加垫板后再用大锤击打垫板，使加热区金属受压，冷却后变平。矫正时完成一个点后再进行第二个波峰点的加热矫正。
通过采取一系列措施，丽泽十字柱的焊接变形得到了很好的控制。由于钢结构发生焊接变形的起因有很多，同时还会因操作环境及其焊工的操作技能的情况而受到影响。因此，为了真正实现对钢结构焊接变形的有效控制，必须在实践操作过程中进行不断的总结，提高控制焊接应力和焊接变形技术水平，方可对其进行有效的控制。在施工过程中，一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和焊接顺序，制定合理的焊接坡口，以便减少和消除焊后残余应力和变形。
参考文献
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[10] 戴为志，高良．建筑钢结构工程焊接技术及实例[M]．北京：化学工业出版社，2010.
Zhao Jun Zuo Song
(The Second Bureau Installation Engineering Co.Ltd, Langfang Steel Plant， Langfang 065000, China)
ABSTRACT：In the manufacturing process of steel structure, the unfavorable residual stress may directly lead to deformation, cracks and other defects. Residual stress can effect the stability, fatigue strength and stress corrosion resistance of steel components, as well as the service life and safety. Due to the characteristics of small cross-section and thick plate, the cross-shaped column applied in Shouchuang Lize Project was extremely easy to produce welding deformation. Through the analysis of welding deformation causes of cross-shaped column, welding deformation control methods were discussed in terms of groove type, welding sequence, post-welding calibration and so on.
KEY WORDS：cross-shaped column; welding deformation; residual stress; deformation control
收稿日期：2015-10-16
DOI:10.13206/j.gjg201604023
第一作者：赵俊，男，1985年出生，助理工程师。
Email：404636529@qq.com
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