异形钢结构焊接变形控制的技术措施

包黎冰

(上海梦胡实业有限公司,上海 201424)

1 工程概况

珠海海泉湾度假区建设项目是中国旅游集团投资运营暨香港中旅国际投资有限公司(简称“中旅投资”)开发建设的。它位于珠海西部海滨，总占地5.1 km2，首期开发建设面积约1 km2，投资25亿元。项目分为酒店区、娱乐区、度假区等。项目效果图如图1所示。

本工程属于该项目中的游乐区域场地。主要设施构筑物采用异形钢结构组合而成的造型，且兼具游乐功能。整个场地的钢结构部分采用工厂预制、现场焊接拼装的组装方式。本工程钢结构重量约为400 t，分为高塔、飞船等结构。采用的钢结构型材有H型钢、圆管立柱、方管、L型钢等。焊接涉及到6G焊，主要节点形式有T型、K型、Y型接头。型材的异种对接有圆管接方管、异径管相交、H型钢接圆管等。焊接方式由氩弧焊、CO2气保焊、手工焊条焊组成。

2 造成焊接变形的因素分析

焊接变形主要是指钢结构焊接过程中存在着由于焊接造成的钢结构不同部分之间受热不均的现象[1]。在焊接的热影响区域温度较高，产生热膨胀效应，而在远离焊接热影响区域的部位，则温度较低，产生冷缩效应。因而对结构产生变形的效应。在本工程中，造成焊接变形除了焊接热影响，还有以下几点原因：

1)该工程型材截面复杂。例如该工程的圆管的直径跨度从φ25 mm～φ610 mm。该工程使用了多种截面的型材，造成异径对接、异型管焊接较多。由于异径对接或者不同类型的型材对接，焊接填充量，焊接顺序都不规则，因此对焊接变形的控制增加了相当的难度。

2)结构异形、焊接节点复杂。该工程由于需要焊接成游乐造型，非常规曲面、复杂相交等情况出现较多，如图2所示。在结构及造型设计中，由于需要优先满足造型、空间使用方面的要求。部分结构存在结构交错、节点复杂、施工空间不足的情况，结构设计阶段并未完全考虑到对焊接变形控制带来的难度。

因此在实际施工中，焊接造成的型材变形，使整个结构的线型发生改变，后续的装饰板等附着于钢结构骨架的附件都会发生变化，从而使整个外观造成与效果图有偏差的情况。故而焊接变形控制成为了保证项目整体效果的关键因素。

3)气候环境差。该工程施工场地位于珠海海泉湾的海边，因此空气湿度经常大于80%，风力时常达到5级，且雨水繁多，天气多变。经常是“前一秒出着太阳，下一秒就倾盆大雨”，早晚温差可达十几度。气候的复杂对焊接变形造成的影响主要有以下几点：

a.温差过大，造成焊接热影响区域冷却速度过快，加剧构件变形。

b.雨水过多、湿度较大，对焊接质量影响较大，有缺陷的焊缝需要碳弧气刨后返修，返修造成的额外热输入量，造成了构件的二次变形。

4)施工条件差。由于造型复杂，该工程的现场焊接空间也十分狭窄，有些原本可以使用固定角码板的地方，由于空间受限，只能直接焊接，因此缺少了限位措施的节点，出现了较大的焊接变形。另外，由于造型怪异，有些地方无法搭设脚手架，采取了登高车、吊篮等方式进行高空焊接。

在受限的焊接空间中进行操作，意味着原本可以对称施焊的节点，现在只能单向施工。原本可以施加角码的地方，现在只能直接焊接。缺少了必要的工艺措施，使得受限空间的结构变形加剧。

3 焊接变形控制措施

1)通过WPS，确定不同截面型材焊接的焊接参数。WPS(焊接工艺评定)是根据本工程的项目特点、原材料特性、焊材、焊机、焊接方式、焊接位置等信息，通过对试样进行焊接，确定各种不同属性排列组合时的焊接电流、电压、焊接速度等参数。在本工程中，选择了方管对方管的十字连接接头、圆管的T/K/Y型相贯线接头，以及方管和圆管混接的组合型接头。除此之外，在WPS阶段还额外多做了一组异型型钢的焊接变形测试。

该测试由12 m长、100 mm×100 mm的方管，在不同的约束情况下，通过在两端施加不同量的焊接热输入，以及在中间施加热输入，进而得出该梁在不同的焊接位置，弯曲变形和扭曲变形分别是3 cm和2 cm。根据于前等人对箱体焊接变形的数据，即盖板翘曲变形1 mm～2 mm进行比对[2]，证明该测试的有效性。

根据王江超等人对船体外板焊接变形的结构应力分析以及变形预测，采用反变形的方法进行施工从而有效的降低了外板的变形[3]。现场施工时，可以对该梁预先加放3 cm的反变形余量，从而达到消除焊接变形的目的。该参数作为现场焊接施工放反变形量的参考数据，对焊接变形的控制具有重要的参考意义，但在实际实践中，反变形量受到不同焊工水平、焊接设备、焊接环境等多方面影响，数据难以统一，需要谨慎使用。

2)制定合理的焊接施工措施，控制复杂结构节点的焊接变形。

本工程制定了一系列关于焊接顺序的原则，在施工时指导焊接，确保减少焊接变形。具体措施如下：

a.焊接时，以减少热输入量，避免过度填充金属为基本原则。

b.合理的进行焊接构件选择，组成单元焊接。

c.原则上由中间向两端焊接。

d.先对接，再角接。先短焊，后长焊，如图3所示。

e.环焊缝由中向两端，对称施焊。直径大时，采用分层法，逐步焊接，如图4所示。

f.焊接时注意观察固定角码的变形情况，必要时采取措施。

g.合理的使用焊后变形应力释放措施，如锤击、加热、震动等。

同时针对较为异形的结构形式和节点，制定了焊前进行反变形施工的工序。

3)通过构件分析，对焊接变形区域进行优化。

根据Midas软件对结构位移分析的结果，在高塔结构中，较容易产生位移的是高塔结构的平台部分，如果由于焊接变形造成的结构变形，在发生位移时，产生局部的应力集中，那会是对结构很不利的情况，容易造成结构的破坏，如图5所示。 因此，在控制焊接变形时，主要针对该构件的平台区域结构，以及异型廊桥底管部分进行结构优化，防止焊接变形对结构产生的不利效果。

本工程采用中心圈，来避免平台梁相交与圆心的多重相贯线接头，从而减少多重节点造成的焊接困难，以及结构变形大的隐患。另外，将斜撑的工作点，设置在平台梁的中间，既能达到稳定结构的作用，又不至于使焊缝接头相交过多造成焊接变形。过渡梁、中心圈、斜撑如图6所示。

4)通过焊接现场管理措施，避免气候及施工环境造成的焊接变形。

针对控制焊接变形的主要管理措施有以下几点[4]:

a.焊接前检查原材料变形情况，如原材料变形超差，需采取措施调整后方可进行焊接。

b.焊接前对焊接接头的外观质量、接头参数进行检查。主要检查项有：坡口角度、坡口间隙、错边梁、留根高度、同轴度等。确认无误后方可进行坡口焊接。

c.氩弧焊风速大于2 m/s，气保焊、焊条焊风速大于8 m/s，环境相对湿度大于90%时，严禁焊接作业。

d.焊接过程中，不断监测变形量。可通过矫直线、测量、参照点等方法进行测量。发现变形应当勤纠、小纠。

e.对于空间狭小场所，宜使用半刚性材质搭建临时工作平台，不应使用吊挂、悬空等方式进行焊接。工作平台应具有足够的强度、刚度、稳定性。

f.现场环境复杂时，宜采取合理的分段、分区作业形式。交替作业，保证充足的作业面和工作条件。

g.严格按照WPS所规定的焊接速度进行施焊，手工焊条焊不得超过250 mm/min。

5)通过监控测量，及时修正焊接变形量。本工程结构多为异形结构，具有难以找到参考点，以及结构遮挡较多，测量困难的情况。因此，在对结构进行焊接时，监控测量的关键是找到参考线，或者找出参考点。参考线和参考点可以设置在焊接结构外部，且不应受焊接变形、地面沉降、风、温度影响。本工程采用的165 mm×5 mm的圆管标尺，通过法兰固定在硬化地面上，用于标高基础。同时在地面使用全站仪放线，油漆画出十字中心线，作为平面位置基准。在焊接时，通过焊接管件在平面和标高位置的对比，确定其变形情况。

在确定测量基准后，所有的焊接施工的焊前、焊中、焊后，都要确认基准点后方可进行焊接施工。应当将焊接参照基准的确认，作为焊接变形控制中的重要环节之一。

4 焊接变形的检验标准

本工程使用GB 50205—2020钢结构质量检验标准，以及EN1176欧洲游乐设备规范，作为检验标准。主要焊接变形量的参数如表1所示。

表1 结构检验参数 mm

本工程采用的检验流程中需要特别指出的是，焊接变形的检验，不宜在结构形成整体构架之后进行。应随单个构件的制作，随做随检。同时，应划分为焊前检验、焊中检验、焊后检验。每个过程中发现的变形超差，需立即纠正后，方可进入下道工序。

焊接变形检验标准应有专职检验人员负责。检验工作应当严格按照工程质量检验规定执行，依据规定采用合理的检验方法、检验工具。施工完成后，应按照施工队自检程序，由施工人员先自检，自检合格后，由专职检验人员进行复检。复检合格后方可提交外检。整个检验过程需要做好书面过程记录，检验完毕后注意归档。

5 焊接变形超差的返修措施

本工程在实际施工中，也出现过个别大截面变形以后无法矫正的情况，如图7所示扇形构件焊前底梁为直管，焊后由于焊接顺序错误，底梁变成了扭曲管，且焊接完成无法矫正，如图8所示。针对这样的塑性变形，在使用热输入矫正或者冷加工矫正，只会使该型材产生硬点，破坏其晶相组织，从而降低该型材的力学性能。通常这种情况下，可以采用局部或整体更换的方法进行矫正。

对于局部变形，或者变形不大且较为规则的，可采用冷热弯曲、机械顶平、人工加压、反向加热等方法进行局部返修。

本工程较多使用的是圆点加热矫正法。圆点矫正法是指使用火焰在构件上加热成圆点状的一种矫正方法，使其沿圆点方向进行热量的均匀分布，待冷却后产生的残余应力与焊接变形相平衡，从而获得较好的构件平整度[5]。

在进行局部返修的过程中，需要注意以下几点细节：

1)同一位置的焊缝，返修不能超过2次，否则应当整体更换。

2)对于较高强度钢材(Q345以上)，慎重使用水火矫正工法。

3)采用火焰矫正时，需要注意加热温度以及加热位置。以防止过高的矫正温度对焊缝热影响区的焊缝组织产生不利影响。

4)采用机械矫正时，需要考虑施加的外力是否对已经焊接完毕的构件产生影响，出现更大的结构变形。

6 本工程焊接变形控制的效果

1)整体结构线形得以保障，线性光顺，造型效果完美呈现。

2)局部的异形造型、节点焊接变形在检验标准范围内，报验合格率达到98%。

3)焊接变形构件的焊前矫正措施实施得当，焊中产品变形超差率小于1%。

4)个别焊接变形构件经过更换、热矫正、机械矫正等方法，均通过报验，且均为一次性整改完成。

7 结语

本工程作为异形景观类钢结构，在结构造型限制、截面复杂不利、焊接空间受限、施工环境不佳等不利因素的情况下，针对焊接变形的几大因素，从焊接工艺评定、焊接顺序、结构设计优化、改善现场焊接施工环境等方面，提出了针对焊接变形的控制措施。最终取得了良好的施工效果，保证了结构的造型，同时也符合相关焊接变形标准的要求。对同类工程施工具有一定的借鉴。