关于大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究

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1、万方数据第3o卷，第3期2O09年5月中国铁道科学CHINARAII。WAYSCIENCEV01．30No．3May，2009文章编号：1001—4632(2009)03一0033一07大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究曾志斌，史志强‘，史永吉。(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)摘要：针对国内外现有预测钢板对接焊接变形的经验公式不适用于大型钢结构厚板的现状，结合南京长江第t大桥钢塔的制造，开展厚板足尺模型对接焊接变形试验研究。结果表明：为了减小焊接变形，必须对厚板对接坡u尺寸进行优化，并采用合理的焊接顺序，对于非对称X形坡口

2、，宜先焊大坡口侧，后焊小坡LJ侧，对于不同板厚应合理预设反变形；结构自蕈对焊接变形影响较大；厚板对接焊接的横向变形随板厚的增加而线性增大；纵向变形与焊缝面积成正比，且随着板厚增加而减小；角变形随板厚的增加呈指数趋势减小。依据试验结果，给出厚板对接焊接横向、纵向变形和角变形的预测经验公式。关键词：大型钢结构；厚板对接焊；焊接变形；试验研究；预测中图分类号：Tm57．1l文献标识码：A近年来，我国在桥梁和高层建筑等基础设施的建设中广泛使用钢结构，而且随着冶金轧制技术和钢结构制造技术的快速发展，所使用的钢板也越来越厚。在钢结构制造过程中，如果焊接变形

3、过大，将直接影响结构的受力和正常使用，采用火焰矫形不仅费时费力，增加制造成本，而且会进一步加大收缩变形，从而影响结构的精度，因此，焊接变形的预测和控制一直是学者和工程师们密切关注的问题[1’4]。国外学者通过理论推导和验证性试验，得到了许多计算焊接变形的经验公式；我国学者在借鉴国外经验的基础上，结合国内的试验结果，也提出了一些经验公式[5。121。但这些经验公式都是在实验室对窄板条小试件的焊接变形试验结果进行归纳整理后得出的，而且基本都是厚度不超过25mm的薄板，也没有考虑实际结构的自重等因素的影响[13

4、。近些年，国内外在焊接数值模拟技术方面

5、取得了许多成果[1’3’12J引。大型钢结构制造的焊接变形预测单纯依赖理论和数值模拟是远远不够的，还需要足尺模型和实际结构的焊接试验，文献[15]在这方面做了有益的尝试，但板厚也不超过16mm。厚板的焊接变形试验数据很少，许多钢结构制造厂家完全凭经验估计，缺乏系统的试验研究。为了掌握厚板对接焊接变形的规律，制定合理的焊接工艺，控制焊接变形，减少火焰矫形工作收稿日期：2008-01一07；修订日期：2009一03-13作者简介：曾志斌(1969一)，男，湖北天门人。副研究员。量，结合南京长江第三大桥钢塔节段制造工程实际，进行大型钢结构厚板对接焊接

6、变形的试验研究。1对接焊接变形的主要类型、影响因素和经验公式钢结构焊接时一般采用集中热源在局部加热，因此在焊件上产生不均匀温度场。非线性分布的不均匀温度场使材料不均匀膨胀，处于高温区域的材料在加热过程中的膨胀量大，但受到周围较低温度和材料膨胀量较小的限制而不能自由膨胀，于是焊件中出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性变形。在冷却过程中，已经承受压缩塑性应变的材料由于不能自由收缩而受到拉伸，于是在焊件中又出现1个与焊接加热时方向相反的内应力场，从而使焊件产生拉伸塑性变形。在焊接完成并冷却至室温后，压缩和拉伸塑性变形残留于焊件上，此即

7、为焊接变形。大型钢结构厚板对接焊接残余变形分为板面内变形和板面外变形。板面内变形又分为纵向和横向变形，板面外变形又分为弯曲变形和角变形，如图1所示。影响对接焊接变形的主要因素有焊接方法、接头形式、焊接顺序和拘束度以及焊接条件[16

8、。万方数据标准分享网www.bzfxw.com免费下载中国铁道科学第30卷L为钢板长度；B为钢板宽度；

9、Il为钢板厚度；△L为纵向收缩变形；△B为横向收缩变形；口为焊接角变形；△H为弯曲变形图1钢板对接焊接变形示意图钢结构制造采用的焊接方法主要有手工电弧焊、C02气体保护焊和埋弧自动焊。不同的焊接方法选择的焊接工艺参

10、数不同，输入的线能量也不同，从而引起的焊接变形也不同。钢板对接焊接接头形式的差别主要体现在板厚、坡口形式及其尺寸、根部间隙等参数，这些参数直接影响焊缝的横截面积，从而影响焊条(焊丝)的熔敷金属量和输入的线能量，最终导致焊接变形不同。钢板对接的焊接顺序包括先焊一侧后焊另一侧和两侧交替焊接，先焊的部分能够对后焊部分的收缩变形起到约束作用，进而影响最终变形。厚板对接每隔一定距离有定位焊，而且常在钢板和胎架之间采用码板连接，这些措施都增强了拘束度，结构的自重也起到一定的拘束作用，拘束度的大小直接约束钢板的收缩变形。钢板对接焊接时，如果采用预热或回火处理

11、，或者采用非自然的冷却方式，都将影响到钢材冷却时的温度梯度，从而影响到最终的收缩变形。国内已有钢板对接焊接变形的预测经验公式见表1。表l对接焊接变形经