包黎冰

(上海夢(mèng)胡實(shí)業(yè)有限公司,上海 201424)

1 工程概況

珠海海泉灣度假區(qū)建設(shè)項(xiàng)目是中國(guó)旅游集團(tuán)投資運(yùn)營(yíng)暨香港中旅國(guó)際投資有限公司(簡(jiǎn)稱“中旅投資”)開(kāi)發(fā)建設(shè)的。它位于珠海西部海濱，總占地5.1 km2，首期開(kāi)發(fā)建設(shè)面積約1 km2，投資25億元。項(xiàng)目分為酒店區(qū)、娛樂(lè)區(qū)、度假區(qū)等。項(xiàng)目效果圖如圖1所示。

本工程屬于該項(xiàng)目中的游樂(lè)區(qū)域場(chǎng)地。主要設(shè)施構(gòu)筑物采用異形鋼結(jié)構(gòu)組合而成的造型，且兼具游樂(lè)功能。整個(gè)場(chǎng)地的鋼結(jié)構(gòu)部分采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的組裝方式。本工程鋼結(jié)構(gòu)重量約為400 t，分為高塔、飛船等結(jié)構(gòu)。采用的鋼結(jié)構(gòu)型材有H型鋼、圓管立柱、方管、L型鋼等。焊接涉及到6G焊，主要節(jié)點(diǎn)形式有T型、K型、Y型接頭。型材的異種對(duì)接有圓管接方管、異徑管相交、H型鋼接圓管等。焊接方式由氬弧焊、CO2氣保焊、手工焊條焊組成。

2 造成焊接變形的因素分析

焊接變形主要是指鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中存在著由于焊接造成的鋼結(jié)構(gòu)不同部分之間受熱不均的現(xiàn)象[1]。在焊接的熱影響區(qū)域溫度較高，產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，而在遠(yuǎn)離焊接熱影響區(qū)域的部位，則溫度較低，產(chǎn)生冷縮效應(yīng)。因而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的效應(yīng)。在本工程中，造成焊接變形除了焊接熱影響，還有以下幾點(diǎn)原因：

1)該工程型材截面復(fù)雜。例如該工程的圓管的直徑跨度從φ25 mm～φ610 mm。該工程使用了多種截面的型材，造成異徑對(duì)接、異型管焊接較多。由于異徑對(duì)接或者不同類型的型材對(duì)接，焊接填充量，焊接順序都不規(guī)則，因此對(duì)焊接變形的控制增加了相當(dāng)?shù)碾y度。

2)結(jié)構(gòu)異形、焊接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜。該工程由于需要焊接成游樂(lè)造型，非常規(guī)曲面、復(fù)雜相交等情況出現(xiàn)較多，如圖2所示。在結(jié)構(gòu)及造型設(shè)計(jì)中，由于需要優(yōu)先滿足造型、空間使用方面的要求。部分結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)交錯(cuò)、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、施工空間不足的情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段并未完全考慮到對(duì)焊接變形控制帶來(lái)的難度。

因此在實(shí)際施工中，焊接造成的型材變形，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的線型發(fā)生改變，后續(xù)的裝飾板等附著于鋼結(jié)構(gòu)骨架的附件都會(huì)發(fā)生變化，從而使整個(gè)外觀造成與效果圖有偏差的情況。故而焊接變形控制成為了保證項(xiàng)目整體效果的關(guān)鍵因素。

3)氣候環(huán)境差。該工程施工場(chǎng)地位于珠海海泉灣的海邊，因此空氣濕度經(jīng)常大于80%，風(fēng)力時(shí)常達(dá)到5級(jí)，且雨水繁多，天氣多變。經(jīng)常是“前一秒出著太陽(yáng)，下一秒就傾盆大雨”，早晚溫差可達(dá)十幾度。氣候的復(fù)雜對(duì)焊接變形造成的影響主要有以下幾點(diǎn)：

a.溫差過(guò)大，造成焊接熱影響區(qū)域冷卻速度過(guò)快，加劇構(gòu)件變形。

b.雨水過(guò)多、濕度較大，對(duì)焊接質(zhì)量影響較大，有缺陷的焊縫需要碳弧氣刨后返修，返修造成的額外熱輸入量，造成了構(gòu)件的二次變形。

4)施工條件差。由于造型復(fù)雜，該工程的現(xiàn)場(chǎng)焊接空間也十分狹窄，有些原本可以使用固定角碼板的地方，由于空間受限，只能直接焊接，因此缺少了限位措施的節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)了較大的焊接變形。另外，由于造型怪異，有些地方無(wú)法搭設(shè)腳手架，采取了登高車、吊籃等方式進(jìn)行高空焊接。

在受限的焊接空間中進(jìn)行操作，意味著原本可以對(duì)稱施焊的節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在只能單向施工。原本可以施加角碼的地方，現(xiàn)在只能直接焊接。缺少了必要的工藝措施，使得受限空間的結(jié)構(gòu)變形加劇。

3 焊接變形控制措施

1)通過(guò)WPS，確定不同截面型材焊接的焊接參數(shù)。WPS(焊接工藝評(píng)定)是根據(jù)本工程的項(xiàng)目特點(diǎn)、原材料特性、焊材、焊機(jī)、焊接方式、焊接位置等信息，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行焊接，確定各種不同屬性排列組合時(shí)的焊接電流、電壓、焊接速度等參數(shù)。在本工程中，選擇了方管對(duì)方管的十字連接接頭、圓管的T/K/Y型相貫線接頭，以及方管和圓管混接的組合型接頭。除此之外，在WPS階段還額外多做了一組異型型鋼的焊接變形測(cè)試。

該測(cè)試由12 m長(zhǎng)、100 mm×100 mm的方管，在不同的約束情況下，通過(guò)在兩端施加不同量的焊接熱輸入，以及在中間施加熱輸入，進(jìn)而得出該梁在不同的焊接位置，彎曲變形和扭曲變形分別是3 cm和2 cm。根據(jù)于前等人對(duì)箱體焊接變形的數(shù)據(jù)，即蓋板翹曲變形1 mm～2 mm進(jìn)行比對(duì)[2]，證明該測(cè)試的有效性。

根據(jù)王江超等人對(duì)船體外板焊接變形的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析以及變形預(yù)測(cè)，采用反變形的方法進(jìn)行施工從而有效的降低了外板的變形[3]。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，可以對(duì)該梁預(yù)先加放3 cm的反變形余量，從而達(dá)到消除焊接變形的目的。該參數(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)焊接施工放反變形量的參考數(shù)據(jù)，對(duì)焊接變形的控制具有重要的參考意義，但在實(shí)際實(shí)踐中，反變形量受到不同焊工水平、焊接設(shè)備、焊接環(huán)境等多方面影響，數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一，需要謹(jǐn)慎使用。

2)制定合理的焊接施工措施，控制復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的焊接變形。

本工程制定了一系列關(guān)于焊接順序的原則，在施工時(shí)指導(dǎo)焊接，確保減少焊接變形。具體措施如下：

a.焊接時(shí)，以減少熱輸入量，避免過(guò)度填充金屬為基本原則。

b.合理的進(jìn)行焊接構(gòu)件選擇，組成單元焊接。

c.原則上由中間向兩端焊接。

d.先對(duì)接，再角接。先短焊，后長(zhǎng)焊，如圖3所示。

e.環(huán)焊縫由中向兩端，對(duì)稱施焊。直徑大時(shí)，采用分層法，逐步焊接，如圖4所示。

f.焊接時(shí)注意觀察固定角碼的變形情況，必要時(shí)采取措施。

g.合理的使用焊后變形應(yīng)力釋放措施，如錘擊、加熱、震動(dòng)等。

同時(shí)針對(duì)較為異形的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)，制定了焊前進(jìn)行反變形施工的工序。

3)通過(guò)構(gòu)件分析，對(duì)焊接變形區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)Midas軟件對(duì)結(jié)構(gòu)位移分析的結(jié)果，在高塔結(jié)構(gòu)中，較容易產(chǎn)生位移的是高塔結(jié)構(gòu)的平臺(tái)部分，如果由于焊接變形造成的結(jié)構(gòu)變形，在發(fā)生位移時(shí)，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，那會(huì)是對(duì)結(jié)構(gòu)很不利的情況，容易造成結(jié)構(gòu)的破壞，如圖5所示。 因此，在控制焊接變形時(shí)，主要針對(duì)該構(gòu)件的平臺(tái)區(qū)域結(jié)構(gòu)，以及異型廊橋底管部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，防止焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利效果。

本工程采用中心圈，來(lái)避免平臺(tái)梁相交與圓心的多重相貫線接頭，從而減少多重節(jié)點(diǎn)造成的焊接困難，以及結(jié)構(gòu)變形大的隱患。另外，將斜撐的工作點(diǎn)，設(shè)置在平臺(tái)梁的中間，既能達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，又不至于使焊縫接頭相交過(guò)多造成焊接變形。過(guò)渡梁、中心圈、斜撐如圖6所示。

4)通過(guò)焊接現(xiàn)場(chǎng)管理措施，避免氣候及施工環(huán)境造成的焊接變形。

針對(duì)控制焊接變形的主要管理措施有以下幾點(diǎn)[4]:

a.焊接前檢查原材料變形情況，如原材料變形超差，需采取措施調(diào)整后方可進(jìn)行焊接。

b.焊接前對(duì)焊接接頭的外觀質(zhì)量、接頭參數(shù)進(jìn)行檢查。主要檢查項(xiàng)有：坡口角度、坡口間隙、錯(cuò)邊梁、留根高度、同軸度等。確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行坡口焊接。

c.氬弧焊風(fēng)速大于2 m/s，氣保焊、焊條焊風(fēng)速大于8 m/s，環(huán)境相對(duì)濕度大于90%時(shí)，嚴(yán)禁焊接作業(yè)。

d.焊接過(guò)程中，不斷監(jiān)測(cè)變形量。可通過(guò)矯直線、測(cè)量、參照點(diǎn)等方法進(jìn)行測(cè)量。發(fā)現(xiàn)變形應(yīng)當(dāng)勤糾、小糾。

e.對(duì)于空間狹小場(chǎng)所，宜使用半剛性材質(zhì)搭建臨時(shí)工作平臺(tái)，不應(yīng)使用吊掛、懸空等方式進(jìn)行焊接。工作平臺(tái)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。

f.現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，宜采取合理的分段、分區(qū)作業(yè)形式。交替作業(yè)，保證充足的作業(yè)面和工作條件。

g.嚴(yán)格按照WPS所規(guī)定的焊接速度進(jìn)行施焊，手工焊條焊不得超過(guò)250 mm/min。

5)通過(guò)監(jiān)控測(cè)量，及時(shí)修正焊接變形量。本工程結(jié)構(gòu)多為異形結(jié)構(gòu)，具有難以找到參考點(diǎn)，以及結(jié)構(gòu)遮擋較多，測(cè)量困難的情況。因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，監(jiān)控測(cè)量的關(guān)鍵是找到參考線，或者找出參考點(diǎn)。參考線和參考點(diǎn)可以設(shè)置在焊接結(jié)構(gòu)外部，且不應(yīng)受焊接變形、地面沉降、風(fēng)、溫度影響。本工程采用的165 mm×5 mm的圓管標(biāo)尺，通過(guò)法蘭固定在硬化地面上，用于標(biāo)高基礎(chǔ)。同時(shí)在地面使用全站儀放線，油漆畫出十字中心線，作為平面位置基準(zhǔn)。在焊接時(shí)，通過(guò)焊接管件在平面和標(biāo)高位置的對(duì)比，確定其變形情況。

在確定測(cè)量基準(zhǔn)后，所有的焊接施工的焊前、焊中、焊后，都要確認(rèn)基準(zhǔn)點(diǎn)后方可進(jìn)行焊接施工。應(yīng)當(dāng)將焊接參照基準(zhǔn)的確認(rèn)，作為焊接變形控制中的重要環(huán)節(jié)之一。

4 焊接變形的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本工程使用GB 50205—2020鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以及EN1176歐洲游樂(lè)設(shè)備規(guī)范，作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。主要焊接變形量的參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)參數(shù) mm

本工程采用的檢驗(yàn)流程中需要特別指出的是，焊接變形的檢驗(yàn)，不宜在結(jié)構(gòu)形成整體構(gòu)架之后進(jìn)行。應(yīng)隨單個(gè)構(gòu)件的制作，隨做隨檢。同時(shí)，應(yīng)劃分為焊前檢驗(yàn)、焊中檢驗(yàn)、焊后檢驗(yàn)。每個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的變形超差，需立即糾正后，方可進(jìn)入下道工序。

焊接變形檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有專職檢驗(yàn)人員負(fù)責(zé)。檢驗(yàn)工作應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照工程質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定執(zhí)行，依據(jù)規(guī)定采用合理的檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)工具。施工完成后，應(yīng)按照施工隊(duì)自檢程序，由施工人員先自檢，自檢合格后，由專職檢驗(yàn)人員進(jìn)行復(fù)檢。復(fù)檢合格后方可提交外檢。整個(gè)檢驗(yàn)過(guò)程需要做好書面過(guò)程記錄，檢驗(yàn)完畢后注意歸檔。

5 焊接變形超差的返修措施

本工程在實(shí)際施工中，也出現(xiàn)過(guò)個(gè)別大截面變形以后無(wú)法矯正的情況，如圖7所示扇形構(gòu)件焊前底梁為直管，焊后由于焊接順序錯(cuò)誤，底梁變成了扭曲管，且焊接完成無(wú)法矯正，如圖8所示。針對(duì)這樣的塑性變形，在使用熱輸入矯正或者冷加工矯正，只會(huì)使該型材產(chǎn)生硬點(diǎn)，破壞其晶相組織，從而降低該型材的力學(xué)性能。通常這種情況下，可以采用局部或整體更換的方法進(jìn)行矯正。

對(duì)于局部變形，或者變形不大且較為規(guī)則的，可采用冷熱彎曲、機(jī)械頂平、人工加壓、反向加熱等方法進(jìn)行局部返修。

本工程較多使用的是圓點(diǎn)加熱矯正法。圓點(diǎn)矯正法是指使用火焰在構(gòu)件上加熱成圓點(diǎn)狀的一種矯正方法，使其沿圓點(diǎn)方向進(jìn)行熱量的均勻分布，待冷卻后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與焊接變形相平衡，從而獲得較好的構(gòu)件平整度[5]。

在進(jìn)行局部返修的過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)細(xì)節(jié)：

1)同一位置的焊縫，返修不能超過(guò)2次，否則應(yīng)當(dāng)整體更換。

2)對(duì)于較高強(qiáng)度鋼材(Q345以上)，慎重使用水火矯正工法。

3)采用火焰矯正時(shí)，需要注意加熱溫度以及加熱位置。以防止過(guò)高的矯正溫度對(duì)焊縫熱影響區(qū)的焊縫組織產(chǎn)生不利影響。

4)采用機(jī)械矯正時(shí)，需要考慮施加的外力是否對(duì)已經(jīng)焊接完畢的構(gòu)件產(chǎn)生影響，出現(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)變形。

6 本工程焊接變形控制的效果

1)整體結(jié)構(gòu)線形得以保障，線性光順，造型效果完美呈現(xiàn)。

2)局部的異形造型、節(jié)點(diǎn)焊接變形在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，報(bào)驗(yàn)合格率達(dá)到98%。

3)焊接變形構(gòu)件的焊前矯正措施實(shí)施得當(dāng)，焊中產(chǎn)品變形超差率小于1%。

4)個(gè)別焊接變形構(gòu)件經(jīng)過(guò)更換、熱矯正、機(jī)械矯正等方法，均通過(guò)報(bào)驗(yàn)，且均為一次性整改完成。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程作為異形景觀類鋼結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)造型限制、截面復(fù)雜不利、焊接空間受限、施工環(huán)境不佳等不利因素的情況下，針對(duì)焊接變形的幾大因素，從焊接工藝評(píng)定、焊接順序、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、改善現(xiàn)場(chǎng)焊接施工環(huán)境等方面，提出了針對(duì)焊接變形的控制措施。最終取得了良好的施工效果，保證了結(jié)構(gòu)的造型，同時(shí)也符合相關(guān)焊接變形標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)同類工程施工具有一定的借鑒。