第35卷第6期 Vo1.35 No.6 2014 青岛理工大学学报 Journal of Qingdao Technological University 钢板剪力墙超厚钢板焊接技术研究与工程应用 王立峰 ,黄伟平 ,孙婷 (1.青岛新华友建工集团股份有限公司,青岛266101;2.青岛交运集团,青岛266034) 摘要:以东营市中石油装备国际交流中心工程为背景,对超厚钢板的焊接技术进行研究.利用大型有限元程 序ANSYS,采用生死单元技术和热一结构耦合技术,对不同环境温度和不同焊接层数的焊接方案进行了有限 元模拟分析,得到焊接温度场和等效残余应力分布规律.结果表明:超厚钢板在焊接后,焊缝附近各点,离焊缝 中心越近,温度越高;近焊缝区温度变化较快,而远离焊缝区各点的温度变化较慢.焊缝的等效残余应力在焊 缝区的应力峰值最高,甚至达到材料的屈服强度.对于超厚钢板,随着施焊层数的增加,试件的等效残余应力 的峰值有所降低.在低温环境下,采用焊前预热、焊后保温可有效缓和残余应力峰值,研究成果可为工程提供 参考. 关键词:超厚钢板;钢板剪力墙;多层多道焊接;有限元模拟 中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2014)06-0001-08 Study and application of the welding technology of extra thick steel plate shear wall WANG Li—feng ,HUANG Wei—ping ,SUN Ting (1.Qingdao Xinhuayou Construction Group Company,Qingdao 266101,China; 2.Qingdao Jiaoyun Group Company,Qingdao 266034,China) Abstract:This paper with the background of Dongying Petroleum Equipment International Exchange Center studies the extra thick steel plate welding technology under low tempera— ture.By using the birth-and-death elements and thermal~structural coupled technology of the large finite element analysis program ANSYS。it analyzes the welding schemes of different temperature and layer numbers and obtains the distribution law of the welding temperature field and equivalent residua1.The results show that:when the extra thick stee1 plate is wel— ded with the weld centerline near the weld zone,the temperature gets high and vice versa. When the welding layers increase,the stress peak of the equivalent residual stress of extra thick steel plate will decrease.Under low temperature environment,the methods of the pre- heating before welding and the heat treatment after welding can effectively ease the peak of the residua1 stress.The research results can provide a reference for engineering. Key words:extra thick steel plate;steel plate shear wall;multi—layer multi—channel soldering; finite element sim1llation 收稿日期:2014—10—05 作者简介:王立峰(1983一),男,山东青岛人.硕士,工程师,主要从事结构工程方面的研究.E-mail:XHYZGS@163.corn. 第6期 王立峰,等:钢板剪力墙超厚钢板焊接技术研究与工程应用 3 30 nlnl { 0g瘩 {l I 500mra 【(a)模型平面 (b)模型立面 图3试件尺寸 2.2有限元计算参数 模型焊接初始温度分别取低温一2O℃ (ETS-A试件),室温20℃(ETS_B试件)和 200℃(ET C试件).其中,初始温度,200℃系 列试件是为了模拟焊前预热焊后保温对焊件温 度场及应力应变的影响.焊接采用COz气体保 护焊,取焊接电流 ===150 A,电弧电压U一24 V,焊接恒定速度 一10 mm/s,焊接效率77— 0.75进行多道焊接. 图4试件有限元模型 4 2 1 / 3 5 ● ● ●/ ● ● 图5有限元模型考察点 表1 ETS-A有限元模型 4 青岛理工大学学报 第35卷 2.3有限元计算结果分析 2.3.1温度路径和时间历程分析 以ETS-A5模型为例,ETS-A5分6层焊接,每层5道,每层用时250 s,沿模型焊缝方向中心线选取 时间点为第2,4,6层焊缝加温结束时刻与焊接过程冷却结束时刻考察模型温度沿路径1变化的情况.图 6是时间点为500,1000,1500,3000 s时路径1上各点的温度分布曲线,各路径的位置如图7所示. 400 35O 300 250 密20o 赠150 10O 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 离焊接开始点的距离dim 图6焊接瞬态温度分布曲线 ~_500 s:一lO00 s;—1500 s;+3000 图7路径示意 从图6中可以看到焊接过程中温度场的动 l600 1400 l200 】O00 态变化状况.路径1上的最高温度出现在距离 起始点0.4~0.5 ITI处,且各点的温度随着下 一层的焊接增加而升高,直至3000 S冷却结束 时,路径1上的各点温度基本相同,均降至5O 。C左右. 800 蓦㈣ 400 图8为焊缝中心及其附近各考察点的热循 环时间历程. 200 0 由图8可以看出,离焊缝中心线越近,温度 越高.焊接过程中热源沿焊接方向移动,从图可 以看出,各考察点的温度都在变化,分别在 200 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 时间“s 125,375,625,875,1125,1375 S时,热源作用在 考察点1处,每层焊缝的温度达到高值,热源移 恒定值. 图8焊缝中心及其附近各点的热循环时间历程 注:点2与点3,点4与点5的曲线重合 走后,温度再降低;而且各考察点的升温速度明显比冷却速度要快.冷却结束时,各点的温度逐渐趋于某一 图9为焊缝中心考察点1的热循环曲线.图9(a)为ET A系列不同施焊层数的各模型沿焊缝方向 模型中心考察点1的热循环曲线;图9(b)为不同初始温度条件的ET A5、ETS-B5、ETS-C5各模型中心 考察点l的热循环曲线. 从图9(a)可以看出,由于焊接层数的不同,在试件上相同位置的取样点的热循环曲线的峰值温度个 数不同且出现在不同的时刻.显然,试件峰值个数与试件分层数相同,随着焊接层数的增加,模型沿焊缝中 心线温度平均值减小. ET A5、ETS-B5、ETS-C5分别是环境温度为一20,20,200℃的6层焊接模型,从图9(b)中可以看 出,500 S前试件焊缝中心温度受环境温度影响较大,500 S以后3个试件的焊缝中心点温度趋于一致. 2.3.2焊接残余应力分析 焊接残余应力对结构的刚度和稳定性都有影响.在厚板焊接中产生的三向焊接残余应力会阻碍塑性 变形,容易产生裂纹,加速构件的脆性破坏.笔者对15个模型选取3条路径的残余应力进行数值分析. 第6期 赵赠 1580 0 掩 粥 O O 王立峰,等:钢板剪力墙超厚钢板焊接技术研究与工程应用 0 他 屯 O O O 1580 1380 1l8O 138O — 980 1 蛊780 赠580 I、 | ,380 h r\ ,、 、 个 O \ :乏:l l8O 一20 500 1000 15O0 2000 2500 3000 0 500 1000 l500 2000 2500 3000 时间t/s 时间 s (a)ETS—A系列试件焊缝中心热循环历程 ~(b)A5,B5,C5焊缝中心热循环历程 ——ETS—AS;…ETS—BS;一一ETS—CS; ETS—A1;…一ETS—A2;一一ETS—A3;一…ETS A4;——ETS—A5图9焊缝中心热循环历程 其中,路径1为模型纵向中心线,路径2为模型横向中心线,路径3为模型沿厚度方向中心线,如图7 所示.冷却后,对应的时刻为3000 s,3组模型路径l的等效残余应力分布如图1O所示,以第1层焊缝的起 始位置为坐标原点. 600 500 500 400 苫 兰400 b 300 300 200 篓200 l00 O 蓁10o O o.1 0.2 0。3 d{m o.4 o.5 0.1 0.2 0.3 d}m 0.4 0.5 (a)ET8一A系列模型 一(b)ETS—B系列模型 ETS—A5 —ETS—A1;一ETS—A2;一ETS~A3;一500 ETS—A4;一_I1TS—B1 一ETS—B2;一ETS—B3;一ETS—B4;一ETS—B5 400 山 罨300 200 镁 100 图1O路径1焊接等效残余应力 路径1为焊缝的长度方向,从图10中可知,各系列试件的焊接等效残余应力沿该路径的应力峰值均 很高,甚至达到钢材的屈服强度.对比ETS-A、ETS-B、ETS-C各个系列试件可以看出:随着焊接层数的增 加,试件的等效残余应力的峰值会有所降低.Nn,-t,对比ETS-A、ETS-B、ETS-C三个系列试件可以看出: 青岛理工大学学报 第35卷 随着施焊的环境温度增加,试件等效残余应力的峰值也会有所降低. 一3000 S时3组模型路径2的等效残余应力分布曲线,即横向等效残余应力分布曲线如图11所示,以 侧钢板的边缘为坐标原点. 400 500 400 窑 300 岂 300 收 200 篓20o 龄100 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 dfm d|m (a)ETS—A系列模型 一(b)ETS—B系列模型 ETS~A5 一FrS—Al;一ETS A2; ETS—A3;一ETS—A4;一ETS—B1;一ETS—B2;一ETS—B3:—卞一ETS-B4;一ETS—B5 400 300 皇 菩2oo 馔 100 O 0.1 0.2 0.3 0.4 a/m (c)ETS-C系列模型 一ErS—Cl;一ETS—C2;一ETS—C3;一ETS—C4;一ETS—C5 图11路径2焊接等效残余应力 由图l1可以看出:随着焊接层数的增加,试件横向的等效残余应力的峰值有所降低,并且等效残余应 力的分布区域也变小.同时,对比ETS-A5、ETS--B5与ETS-C5可以看出:随着环境温度的增加,试件横向 等效残余应力的峰值有所降低,并且残余应力的分布区域也变小. 3000 S时3组模型路径3的等效残余应力分布曲线,即沿钢板厚度方向残余应力分布曲线如图12所 示,以钢板厚度方向一侧面为坐标原点. 由图12可以看出:随着焊接层数的增加,试件沿钢板厚度方向的等效残余应力的峰值有所降低,并且 等效残余应力的分布区域也变小;同时,对比ETS-A5、ETS-B5与ETS-C5可以看出:随着环境温度的增 加,试件沿钢板厚度方向的等效残余应力峰值有所降低,并且残余应力的分布区域也变小,与路径2得出 的结论一致,符合工程实际. 3现场焊接应用 针对该工程钢板厚度达到60 mm,根据《建筑钢结构焊接技术规程》及上述有限元分析,组织了焊接 工艺评定,并确定了工艺参数,制定了完整、合理的工艺措施和流程. 3.1工艺流程 焊接试验和工艺评定一焊接顺序和焊接条件确认一检查引弧板/熄弧板一预热一定焊位一低氢焊条 第6期 王立峰,等:钢板剪力墙超厚钢板焊接技术研究与工程应用 打底焊一焊条或焊丝焊接一焊中检测一焊接完成一焊缝外观检查一填写外观质量检查记录一打磨一超声 波探伤检测 山 皇 _R 镁 按 湘 d/m d{m (a)ETS-A系列模型—・ (b)ETS—B系列横型 ETS—A5一ErS啊Bl;一ETS—B2;一ET B3 一ETS—B 一ETS—B5 S—A1 …ETS A2;ETS…A3; ETS A4,一盏 枷 d/m (c)ETS-C系列模型 一ETS——Cl 一ETS—C2;一ETS_-C3;…ETS C4; ETS—C5 图l2路径3焊接等效残余应力 3.2焊接 焊接前对钢材进行预热.超厚钢板的预热在150 ̄200℃,预热范围为焊道两侧各100 inli1.预热采用 氧炔中性火焰加热,用测温笔检查,加热温度须达到钢板预热所需的要求. 焊接引弧打火应在引弧板大于10 mm处进行,使焊条和构件保持2~4 mm间隙产生电弧,中途接头 引弧则在焊缝接头前方15 ̄20 mm处打火引弧.焊接施工应以焊接工艺要求进行焊接作业,保证焊缝厚 度和宽度.焊接主要采用COz气体保护焊及手工电弧焊的焊接方法.手工电弧焊接打底,CO 气体保护 焊,填充和盖面以小电流和微小的摆动手法,采用双人对称、节点对称、结构对称的全方位对称焊接技术以 尽量减少焊接残余,防止焊接变形,确保焊接质量.为了减少焊接残余应力和变形,采用小电流多焊道的手 法,逐层逐道进行施焊,同一节点采用双人对称焊接施工. 3.3层间温度 超厚板焊接的层间温度应控制在90 ̄120℃,每个接头宜一次性焊接完成,除特殊天气外,一般应焊 接完节点的1/3以上焊缝,方可停焊. 3.4后热及保温 焊接节点焊接完成后,为保证焊缝中扩散氢有足够的时间得以逸出,从而避免产生延迟裂纹,必须进 行后热处理.后热采用中性火焰,在焊道两侧100 ̄--150 mm处进行烘烤.烘烤温度在200 ̄250℃,力Ⅱ热 0.5 h,最后采用石棉布将焊缝包裹.测温点选在直接加温处的相对部位,严禁在直接施热部位测试.达此 温度后用多层石棉布紧裹,保温的时间以接头区域、焊缝表面、背部均达环境温度为止. 8 青岛理工大学学报 第35卷 4 结论 1)焊缝附近各点,离焊缝中心线越近,温度越高.近焊缝区温度变化比较快,而远离焊缝区各点的温 度变化比较慢. 2)焊缝的等效残余应力在焊缝区的应力峰值较大,可以达到材料屈服强度. 3)随着焊接层数的增加,试件沿焊缝纵向、横向、厚度方向的等效残余应力的峰值有所降低;同时,随 着环境温度的增加,试件沿钢板纵向、横向、厚度方向残余应力峰值有所降低. 4)多层多道施焊对改善焊缝的受力状态有重要作用.由于焊接的线能量小,可以改善焊接接头的性 能,而且由于后焊的焊道对前一焊道及其热影响区进行再加热,使加热区组织和性能发生相变重结晶,形 成细小的等轴晶,使塑性和韧性得到改善. 5)低温作业条件下对于超厚钢板的焊接,应考虑焊前预热,焊后保温一定时间,采用多层多道施焊, 可以有效缓解纵向、横向、厚度残余应力峰值,并减小焊接热影响区. 参考文献(References): [1]丁洁民,吴宏磊,赵昕.我国高度250 m以上超高层建筑结构现状与分析进展[J].建筑结构学报,2014,35(3):1—7. 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