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1、1非常非常规规 H 型型钢钢制作工制作工艺艺研究研究一一 前前 言言目前国内的成品型钢种类相对比较少，尤其是小截面、窄翼缘（翼、腹板的厚度比较薄）以及特殊翼缘厚度和特殊腹板厚度的型钢。而现在设计所采用的型钢有很多又属于这种类型，现在签订的工程合同又以总价包干居多。为了满足工期要求，在市场上购买不到设计所要求的类型的型钢的情况下，我们通常是采用材料代用的方法解决，这样一来就增加了主材成本降低了工程效益。薄板焊接的焊接变形历来是焊接变形控制的难点，国内外大中型企业在薄板焊接工艺研究方面投入了大量的人力、物力，特别是新世纪以来，焊接工艺得到了很大得提高，焊接技术日渐成熟。我公司在薄板焊接方面存在技术
2、力量薄弱，人力、物力投入少，焊接技术不够成熟等现状，加上现有矫直机相对落后不能满足小截面、窄翼缘型钢的矫直需求，对公司相关工程的进度和利润造成了较大的影响。针对小截面、窄翼缘，翼、腹板的厚度又比较薄焊接时焊接速度、焊接电流电压不好控制、矫直困难等技术难点，结构厂已成立专门的研究攻关小组 ，负责解决技术难题，并通过 RH 工程的实践培养了一批专业的小截面、窄翼缘（翼、腹板的厚度比较薄）以及特殊翼缘厚度和特殊腹板厚度的型钢制作人员，为公司在相关工程业务的开展提供有力的技术支撑。二二 研究方案和实施过程研究方案和实施过程2RH 真空精炼是连铸前炉外精炼工艺之一。为了保证连铸坯的质量，钢水在进入连铸机
3、浇注前要对其进行精炼，即用 RH 钢水真空处理装置或LF 炉对钢水进行处理。该工程工期非常紧张，钢结构、介质管道及机电设备安装总工期仅为 3 个月，并且施工地点是在攀钢炼钢厂方坯炼铸繁忙的生产现场。我项目部承担的是铁合金部分及主体全部钢结构制作，工程总量约 900T， H 型钢柱、箱型柱、平台梁等 H 型钢种类多达 30 余种。H 型钢的截面从 1500mm 到 200mm 不等，翼缘板厚度从 50mm 到 8mm不等，还有腹板厚于翼缘板的异型钢，既有 Q235 材质又有 Q345 材质。下面我以两种特殊 H 型钢为例对该工艺进行介绍，一种是：H200*150*8*6 mm（即：小截面、窄翼缘
4、，翼、腹板的厚度又比较薄这种H 型钢） ；一种是：H400*250*10*20 mm（即：特殊翼、腹板厚度 H 型钢） 。一H 型钢焊接变形的产生及控制1、产生变形的原因产生变形的原因是焊接应力。金属焊接时是一个在局部加热、熔化的过程。焊缝加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高状态，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用，焊接区因此受压应力，而母材受拉应力。随着电弧的前移，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而周围的木材起约束其收缩作用。在这种作用下产生的是焊接应力，金属冷却后还存在不对称焊接残余应力。残余应力方向不同（横向、纵向及母材厚度方向） ，根据应力大小及构件的结构型式、约束
5、程度，产生变形的方向也不相同，因而产生3变形结果也不相同。2、焊接工艺分析由于 RH 工艺钢平台的特殊性：布局紧凑层次多、静载荷大、瞬间动载荷特别大。因此既要满足高精度的外形尺寸，又要保证高要求的焊接质量。同时还应结合异常紧张的工期等来制定合理的工艺。2.1 焊接工艺设想由于板材较薄（翼板厚 8mm、腹板厚 6 mm）焊接应力不易释放焊接变形较大，因此采用焊接线能量较小的 CO2气体保护进行施焊。而 H400*250*10*20 mm 则采用我厂的门式埋弧焊机进行（见图 1） ，既能保证速度又能满足焊接质量要求。图 1 门式埋弧焊机3、模拟试验为了验证我们制定的焊接工艺和方法的可行性，我们采取
6、了先进4行模拟试验的方法。现场模拟试验在施家坪制作场地进行，我们加工焊制H200*150*8*6 mm 型钢和 H400*250*10*20 mm 型钢等试件 9 件（每件长 6 米） ,并测出其变形值（取 3 个测试点之平均值）如表 1、表 2。 （注：所有试件经处理合格后用作平台梁的制作）表 1 焊接变形试验实测值B(mm)200 250 300 350 400 450 500 550 600板厚T(mm)F(mm)变形角度 （平均值）613122.5 344.5 5812222.5 33.5 455.510141.5 22.5 33.5 444.5 52011222.5 33.5 44.
7、5 4.5表 2 焊接收缩余量实测值结构类型焊件规格特征焊缝收缩量（mm）钢板对接各种板厚长度方向每米焊缝 0.7 宽度方向每个接口 1.0实腹结构及焊接 H截面高小于等于600 mm 且板厚小于四条纵焊缝每米共缩 0.5，焊透梁高收缩 0.9，每对加劲焊缝，梁的5型钢等于 20 mm长度收缩 0.3通过模拟试验验证了我们制定的焊接工艺和方法是可行性。4.焊接变形的控制4.1 号料号料时应注明其型号、长度、编号等。同时可以采用预先制作的样板进行号料，这样既快又省事。制作样板的允许偏差和号料的允许偏差应符合表 3 的规定表 3 样板与号料的允许偏差（mm）项目允许偏差项目允许偏差平行线距离和分段
8、尺寸0.5加工样板的角度20对角线差1.0零件外形尺寸1.0宽度、长度0.5孔距04.2 对下料时材料变形的控制由于 H 型钢的翼板、腹板都较薄，切割时受热变形大，在切割加工时必须采取适当的措施4.2.1 钢板下料前必须进行校平 、校直并清除钢材表面切割区的铁锈、油污等，切割后应清除熔渣和飞溅物；4.2.2 切割用半自动切割机进行，切割时采用留点形式，每切割1.5m 左右留一点不动，每切割一条缝大约留 23 点，待钢板完全冷却后，再切割所留的点，这样可有效减少钢板的变形。切割的允许偏差应符合表 4 的规定表 4 切割与机械剪切的允许偏差（mm）6项目允许偏差项目允许偏差零件宽度、长度3.0零件
9、宽度、长度 3.0切割面平面度0.05t 且不大于2边缘缺棱 1.0局部缺口深度1.0型钢端部垂直度2.04.2.3 加强筋板等用机械剪切的零部件，其厚度宜小于 12.0mm，剪切面应平整。机械剪切的允许偏差值应符合表 4 的规定。4.2.4 下料时 ,腹板 、翼板宽度方向加 0.51.0 mm 裕量 ,长度方向应根据贴角焊缝大小的不同 ,按 0.6%0.9%加放裕量；4.2.5 筋料拼缝与板材对接焊缝应错开一定距离 ,一般为 11.5 mm。4.3.对板料拼接时变形的控制4.3.1 拼接缝需采取焊透工艺 , H 型钢的腹板、翼板的拼接均为对接接头形式，腹板与翼板、加劲肋与腹板翼板为“T”形接
10、头。厚度超过 8mm 以上的均要加工坡口。组拼前要检查坡口的尺寸是否正确 ,并将坡口及焊缝两侧各 30mm 范围内的铁锈 、毛刺等 ,用磨光机修整磨光。4.3.2 坡口制备采用半自动切割机进行，再用磨光机修磨至工艺尺寸要求。当确定了接头形式后便可根据钢板的厚度及采用的手工、自动焊接来确定坡口形式。当钢板的厚度小于 26mm 的对接缝且手工CO2气保焊宜采用“V”型坡口。其它厚钢板的对接坡口，当钢板厚度 t40mm 时，采用 X 形坡口，7见下图：8mm60当 t40mm 时，采用双 U 形坡口，见下图：8mm 20t当 t40-60mm 时，也可采用下图 X 形坡口:61mm 605 605
11、4.3.3 拼缝两头搭上引弧板 ,引弧板的材质 、厚度及坡口与母材相同 ,长度不小于 100mm ,引出焊缝长度不小于 80mm。焊前用手工电弧焊点焊定位 ,点焊长度 20mm 左右 ,点焊间距：当焊缝长度大于1m 的为 200mm, 1m 的为 100mm。接焊方法采用手工电弧双面焊 ,焊条为 J422 ,焊接工艺参数见表 5。表 5 钢板对接焊工艺参数焊接位置 焊件电压（V） 焊接电流（A） 焊接速度（m/h）t t8正面3638180210810背面384016019010124.4 H 型钢装配与焊接的控制4.4.1 机具配备H200*150*8*6 mm 型钢采用 NBC400 型脉
12、动送丝 CO2气体保护半自动弧焊机 ,此焊机最大的特点是：焊接效率高（是一般手工电弧焊的 23 倍）成本低 、焊缝质量好 、电弧稳定 、焊接变形小；另外还特地制作了焊接变形约束装置 ,目的是调整翼预变形值 ,并附加焊件刚度 ,以防 H 型钢翼板焊后变形超标 ,见图 2。注：本装置适用于多种不同宽度翼板之预变形值调节图 2 H 型钢焊接变形约束装置4.4.2 H 型钢组对H 型钢组对在加工平台上进行。拼装前 ,要将上 、下翼板的9定位中线和装配边线划出,打上冲眼号 ,并在边线两侧和腹板上下两边缘各 30 mm 左右范围内将铁锈 、毛刺等打磨干净。为了减少焊接后的变形，在组对时我们采用了预变形的方
13、法来控制，见图 3（经实践证明该方法的效果非常好）图 3 预变形控制法简图拼装时 ,用手工电弧焊点焊定位 ,定位焊缝高度为 23 mm ,点焊间距 200300 mm,点焊缝的质量应满足正式焊缝的要求。4.4.3 H 型钢焊接采用 T 型焊接接头 ,为了保证根部焊透 ,当腹板厚度 12 mm 时 ,双面开半 V 型坡口 ,坡口角度约 30。焊接方式采用 CO2气体保护半自动弧焊打底 ,手工电弧焊盖面 ,焊接技术参数见表 6。表 6 H 型钢焊接技术参数焊接材料 焊接方法 焊件电压（V） 焊接电流（A） 型 号规 格CO2 焊3436230245H08MnA1-2电弧焊3638180210J42
14、2410焊接前 ,将已点焊组装的 H 型钢半成品放在约束装置平台上 ,腹板与圆钢对正 ,用斜契块把底部翼板压紧 ,并按表 I 调好翼板的反变形值。焊接时 ,两名焊工应从 H 型钢两侧同一端同步施焊 ,焊接工艺参数保持一致。二H 型钢焊接变形的矫正1、H 型钢焊接变形的种类H 型钢焊接变形的种类一般有三种：角变形（见图 4） 、弯曲变形（见图 5） 、和扭曲变形（见图 6） 。2、变形的矫正2.1 角变形的矫正我厂有 60 和 40 两种型号的我厂的矫直机，40 矫直机最小能校截面高度为 300mm 和翼缘宽度为 250mm 的 H 型钢。截面高度大于等于 300mm 和翼缘宽度大于等于 250
15、mm 的 H 型钢的角变形我们采用矫直机进行矫正。而截面高度小于 300mm 和翼缘宽度小于 250mm 的 H型钢的角变形，我们不能采用我们的 40 矫直机进行矫正。为了能校H200*150*8*6 mm 这种型钢我们对我厂的 40 矫直机进行了改进（将11夹紧腹板的双轮改为单轮） 。翼板的角变形 ,也可用火焰在贴角焊缝的外侧用线加热进行矫正 ,加热宽度为翼板厚度的 23 倍 ,加热温度为 600700；2.2 弯曲变形的矫正弯曲变形是指顺着翼缘方向的变形。截面高度大于 300mm 和翼缘宽度大于 250mm 的 H 型钢的弯曲变形我们采用矫直机进行矫正。不能用矫直机进行矫正的采用火焰矫正法
16、进行矫正。见图 7使用火焰矫正法进行矫正可在凸起一侧用三角形加热法矫正，加热的温度应在正火温度以内 600700左右，三角形夹角在 30左右，钢板外观呈暗红色。这种方法实际是将上、下翼缘板“烤短”12（即使钢板经加热冷却后收缩） ，因此根据实际情况下料预留焊接收缩余量时考虑进去。收缩余量值一般根据经验留取，也可以利用公式计算：2.2.1 单道焊纵向收缩量L=K1*AW*L/A （1-1）式中：L纵向收缩量 mmAW焊缝截面积 m（焊脚高 hf=10mm 10*10*2=50）A杆件截面积 mA=150（宽）*8（厚）*2（上下翼缘板）+6（厚）*184（高）=3504A=250（宽）*10（厚）*2（上下翼缘板）+20（厚）*380（高）=12600L杆件长度 mm K1与焊接方法、材料热膨胀系数和多成焊层数有关的后焊角焊缝系数，对于不同焊接方法、系数 K1 的数值不同。CO2 焊，K
