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        鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中常用坡口選用及經(jīng)濟(jì)性分析

        2022-06-02 02:09:56
        中國(guó)金屬通報(bào) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)焊縫

        許 喆

        焊接在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中是影響成本的一個(gè)重要的因素,而坡口形式及尺寸的選用直接影響了焊絲的使用量以及焊接工時(shí)等材料和人工成本。對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的坡口選用依據(jù)是《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661-2011)中推薦的坡口形式,在此基礎(chǔ)上如何選用正確的坡口形式和尺寸,是影響焊接成本的關(guān)鍵。

        1 坡口尺寸對(duì)焊接質(zhì)量的影響

        為了保證焊接質(zhì)量,滿足熔透或者部分熔透的焊縫要求,需要將鋼板上開設(shè)坡口。坡口的尺寸過(guò)大和過(guò)小都會(huì)影響著焊接的質(zhì)量和成本。坡口的主要尺寸有坡口角度、鈍邊、坡口間隙等。

        (1)坡口角度:坡口角度增大有利于保證焊縫質(zhì)量,避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生,但是坡口不能過(guò)大,否則不但產(chǎn)生大的焊接變形,而且不經(jīng)濟(jì)。坡口減小所造成的最直接的問(wèn)題是熔深不足,容易造成夾渣。

        (2)鈍邊:鈍邊大,則焊接填充量小。但是,對(duì)于襯墊焊,鈍邊過(guò)大則會(huì)造成根部焊縫的未熔合;對(duì)于全熔透清根焊,鈍邊過(guò)大則會(huì)造成清根深度增大,對(duì)成本也會(huì)增加。對(duì)于部分熔透焊縫,鈍邊尺寸不能過(guò)大,必須根據(jù)圖紙要求進(jìn)行,否則會(huì)造成焊縫強(qiáng)度不夠。

        (3)間隙:間隙越小,焊接填充量越小,焊接變形也越小。如果是襯墊焊,間隙必須滿足一定尺寸,否則根部質(zhì)量無(wú)法保證。如果是清根焊,根部間隙在裝配過(guò)程中要滿足裝配公差要求。

        2 不同工序采用的坡口形式及尺寸分析和比較

        根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661-2011)附錄A中相關(guān)條款,規(guī)范中規(guī)定了手工電弧焊、氣體保護(hù)焊和埋弧焊的坡口類型和尺寸。實(shí)際生產(chǎn)中,需要結(jié)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用的鋼板厚度,生產(chǎn)工序特點(diǎn),控制焊接變形等靈活選用坡口,在滿足規(guī)范的前提下,有效減小焊接填充量,優(yōu)化焊縫成本。

        2.1 原材料拼接

        鋼板的拼接在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中是非常重要的工序。為了提高生產(chǎn)效率,改善焊縫質(zhì)量,通常采用的是埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接,對(duì)于無(wú)法采用埋弧焊的部位,可采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。通常鋼板拼接在平焊位置,采用V形坡口或X形坡口可有效保證焊縫的質(zhì)量,根據(jù)國(guó)家規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB50661-2011)要求,坡口尺寸宜滿足附錄A中表A的要求,括號(hào)中為規(guī)范允許的裝配公差。如表1要求。

        表1 對(duì)接坡口形式示意

        通過(guò)GB50661規(guī)定的兩種坡口形式進(jìn)行對(duì)比,對(duì)于V形坡口和X形坡口,采用埋弧焊和氣保焊焊接的差異性僅在于鈍邊尺寸。而鈍邊越大,則焊接填充量越小。

        因此,鋼板的拼接盡可能采用埋弧焊,薄板的拼接可采用CO2氣體保護(hù)焊,其坡口尺寸要滿足《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB50661)的要求。但是,鋼板的拼接既能采用V形坡口,又能采用X形坡口,不同板厚區(qū)間宜采用不同的坡口形式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的坡口形式,V形坡口的焊縫截面積是大于X形坡口的焊縫截面積,考慮到火焰切割以及焊接變形的特性,宜20mm以下采用V形坡口,20mm以上采用X形坡口,6mm以下薄板甚至可以不用開設(shè)坡口進(jìn)行焊接;

        另外,對(duì)于X形坡口,坡口深度不同,則焊接填充量也不同,根據(jù)焊縫截面積可以得到關(guān)于坡口深度的數(shù)值。

        根據(jù)以上表一中四組坡口組合形式,將α值和β值代入,求函數(shù)的最小值,可以得到最小焊接填充量時(shí)坡口深度與板厚t的關(guān)系,如下表2。

        表2 X形坡口最小填充量時(shí)坡口深度與板厚t的關(guān)系

        上表中,得到了最小的焊接填充量的坡口深度比值,除此以外,坡口深度對(duì)焊接角變形會(huì)產(chǎn)生很大的影響,即除了考慮焊接填充量減小的材料成本,還需要考慮控制焊接變形所增加的人工和時(shí)間成本。

        2.2 主要構(gòu)件的截面組裝焊縫

        鋼構(gòu)件常見的截面形式主要是焊接H形截面和焊接箱型截面,兩種截面的構(gòu)件占70%以上,在此也僅針對(duì)此兩種類型構(gòu)件的截面組裝焊縫進(jìn)行分析說(shuō)明。

        2.2.1 BH本體焊縫

        BH本體焊縫為了提高效率和焊接質(zhì)量,采用的是埋弧焊進(jìn)行焊接,BH本體焊縫的形式主要有角焊縫,部分熔透焊縫,L形坡口熔透焊縫和K形坡口熔透焊縫。

        BH本體焊縫的形式如表3所示。

        表3 焊接H型鋼拼裝焊縫形式

        其中:

        (1)角焊縫的焊腳尺寸與焊縫強(qiáng)度緊密相連,應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行。

        (2)部分熔透焊縫,其坡口角度與深度與焊縫強(qiáng)度有關(guān),也需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行。

        全熔透的L形坡口和K形坡口,如果直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接,需要開設(shè)60°坡口角以及6mm鈍邊,可以考慮采用氣保焊打底埋弧焊蓋面的方式減少焊縫填充量。如直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接,其坡口尺寸及公差要求見表4。

        表4 埋弧焊T形接頭坡口尺寸及公差

        如果采用氣體保護(hù)焊打底,埋弧焊蓋面的形式,則可采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的氣體保護(hù)焊的坡口形式,其坡口尺寸及公差要求見表5。

        表5 氣體保護(hù)焊T形接頭坡口尺寸及公差

        通常,為了控制焊接變形以及考慮切割因素,20mm以下(包括20mm)采用L形坡口,20mm以上采用K形坡口,則根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于L形坡口,板厚20mm以下的計(jì)算結(jié)果見表6。

        表6 板厚20mm以下L形坡口焊縫截面尺寸計(jì)算結(jié)果

        通過(guò)表5可知,板厚20mm以下的L形坡口,采用60°角,6mm鈍邊的坡口形式,定位焊結(jié)束后采用埋弧焊焊接,所使用的焊絲最少。

        對(duì)于BH的K形坡口,用于20mm以上的鋼板,對(duì)比雙面45°坡口2mm間隙和雙面60°坡口6mm間隙進(jìn)行計(jì)算,焊接填充量關(guān)系如表6所示,以雙面60°坡口,6mm間隙為基準(zhǔn)。

        通過(guò)對(duì)表6進(jìn)行分析比較,采用雙面45°、2mm鈍邊,氣保焊打底、埋弧焊蓋面時(shí)坡口截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于60°,6mm間隙的坡口。當(dāng)鋼板厚度較大時(shí),減少的焊絲用量能達(dá)到近40%。同時(shí),系統(tǒng)對(duì)焊接的坡口設(shè)計(jì)有以下功能:用戶在輸入焊接方法、接頭形式、母材厚度等參數(shù)后,系統(tǒng)即啟動(dòng)知識(shí)庫(kù),根據(jù)上述初始信息,在知識(shí)庫(kù)中找到能與之匹配的規(guī)則,并將規(guī)則的結(jié)論部分追加到全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中,在將設(shè)計(jì)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容相匹配,成功時(shí)即成為設(shè)計(jì)結(jié)果。

        2.2.2 箱型截面組裝焊縫

        對(duì)于箱型構(gòu)件的主焊縫,一般情況下全熔透采用單面襯墊焊,部分熔透采用L形坡口或者V形坡口,并且采用的是埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接,坡口形式有部分熔透L形、部分熔透V形,全熔透L形,全熔透V形四種。

        (1)部分熔透焊縫。箱型構(gòu)件的部分熔透焊縫一般采用L形和V形坡口,坡口角度不同,同時(shí)如果采用45°角坡口,為保證構(gòu)件強(qiáng)度需要進(jìn)行3mm的厚度折減。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-2012)中相關(guān)要求,焊接箱型組裝焊縫為部分熔透時(shí),熔透深度不得低于1/2板厚。

        經(jīng)計(jì)算,熔深為40mm(板厚80mm)以下時(shí)采用V形坡口,坡口尺寸最小。

        (2)全熔透焊縫。箱型構(gòu)件本體全熔透焊縫采用單面襯墊焊,考慮到層狀撕裂等因素,20mm以下采用L形坡口,20mm以上采用V形坡口。關(guān)于單面襯墊焊,常用的有3個(gè)尺寸組合形式,分別是45°坡口,6mm間隙;35°坡口8mm間隙,30°坡口10mm間隙。

        經(jīng)過(guò)計(jì)算,采用30°、10mm間隙時(shí),與45°6mm間隙相比,對(duì)于厚板填充量可以減少達(dá)30%;與35°、8mm間隙對(duì)比,填充量也可以減少10%

        (3)V形坡口與L形坡口對(duì)比。對(duì)于全熔透焊縫,當(dāng)采用相同坡口角度和間隙等參數(shù)時(shí),開設(shè)角度對(duì)稱的V形坡口或者非對(duì)稱的V形坡口乃至L形坡口時(shí),所獲得的填充量是不同的。

        經(jīng)過(guò)計(jì)算,如果采用襯墊焊(32mm以下采用35°坡口,32mm以上采用30°坡口),對(duì)接坡口如果采用V形坡口比采用L形坡口,填充量能減少5%~7%。

        表7 板厚20mm以上K形坡口焊縫截面尺寸計(jì)算結(jié)果

        3 其他經(jīng)濟(jì)成本的建議

        3.1 關(guān)于自然坡口

        有些項(xiàng)目中存在因?yàn)殇摪逍狈?,而形成自然坡口的情況。通常情況下為了保證焊縫的強(qiáng)度,以及避免形成應(yīng)力集中,要將焊縫沿其夾角方向平滑過(guò)渡到鋼板上,可以通過(guò)加長(zhǎng)鋼材的尺寸,并斜切一個(gè)坡口減小焊接填充量,但是會(huì)增加鋼材的用量如圖1。

        圖1 自然坡口開坡口斜接焊縫示意

        上圖中,陰影區(qū)域?yàn)楹缚p截面積,自然坡口的焊接填充量較大;通過(guò)延長(zhǎng)鋼板尺寸并斜切一個(gè)坡口,可以減少部分焊接填充量。

        3.2 襯墊焊及清根焊的選擇

        很多焊縫即可以采用單面襯墊焊也可以采用清根焊接,需要對(duì)其綜合成本進(jìn)行比對(duì)。

        因?yàn)樯婕暗降拿姹容^廣,需要進(jìn)行全面的成本測(cè)算,本文在此并不打算進(jìn)行詳細(xì)敘述。

        3.3 氣保焊的飛濺

        氣保焊焊接過(guò)程中造成的焊接飛濺,影響焊絲的使用率。需要強(qiáng)調(diào)的是焊工要按照下發(fā)的WPS進(jìn)行焊接。同時(shí),養(yǎng)成良好的焊接習(xí)慣,焊絲送絲不暢時(shí)要及時(shí)修理或清理,愛護(hù)焊接設(shè)備。

        3.4 焊材的使用

        焊材的使用,避免焊材的浪費(fèi),勿混用焊材等。

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)接焊縫20mm以下采用V形坡口,20mm以上采用X形坡口,當(dāng)采用X形坡口時(shí),坡口深度比例為6:4時(shí),焊縫填充量最小。

        (2)部分熔透焊縫和角焊縫的尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行焊接。

        (3)板厚20mm以下的T接焊縫采用V形坡口,直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接的填充量最小;板厚20mm以上的T接焊縫采用K形坡口,且K形坡口用氣體保護(hù)焊打底,埋弧焊填充和蓋面焊接,焊縫填充量最小。

        (4)板厚30mm以下的襯墊焊采用坡口角度為35°,間隙8mm的組合,填充量最??;板厚30mm以上的襯墊焊采用坡口角度30°,間隙10mm的組合,填充量最小。

        (5)對(duì)于襯墊焊,相同坡口角度和間隙的情況下,V形坡口填充量小于L形坡口的填充量。

        (6)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管控也是控制焊接成本的一種方式。

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