【qc成果】完善工艺控制箱形结构制作变形

完善工艺、控制箱型结构制作变形,*京唐金结公司制造厂*QC小组 编者： * 日期： 2007-12-25,一、工程概况 随着我国经济建设的发展，钢结构建筑得到了广泛的应用和发展，在诸多结构形势当中，箱型钢结构在民用高层钢结构以及冶建工程中所占的比重越来越大。由于其它形式的钢结构的制作工艺和流程相对成熟和完善，因此箱形钢结构的制作便成了关键的步骤和难点。目前，金属结构工程公司制造厂承建的曹妃店大炼钢主厂房钢结构工程高跨结构主要是由双腹式箱形结构与普通工字型的组合阁构柱，由于该转炉炉容较大，使得高跨部分钢结构钢板厚度均为60mm 80mm,材质为Q345B; 截面尺寸为1200×600×80×80 1000×600×70×70;单根箱型结构长度平均约为12.000米左右。累计数量大约190根，考虑到厚板焊接周期较长且箱形数量较大，如何在保证质量的前提下按期履约便成了一个难题,因此形成一套合理高效的并且能够适应我厂目前生产状况的箱形制作工艺便显得尤为紧迫。,*京唐金属结构工程公司,二、小组简介 该小组成立于2007年7月1日，在QC小组活动上和施工上都一定的的经验。其中大多数人员都参加过LG双子大厦和石家庄开元广场以及国贸三期工程，有着较为丰富的箱型钢结构现场制作经验和实际问题处理能力，而且请公司副总工程师贾志军担任本次小组活动的技术顾问。,*京唐金属结构工程公司,小组概况：,小 组 成 员 概 况 一 览 表,*京唐金属结构工程公司,三、选题理由： 1.箱型钢结构制作质量要求高，制作难度大，焊接变形控制是制作过程中的主要施工难点，而且一旦出现扭曲变形后，校正十分困难，甚至造成构件报废，但是又不能单纯的依靠焊接过程控制来减少变形，精心控制组对精度和合理的装配方法都是减少焊接变形的前提；我厂在7月份开始制作曹妃甸钢结构工程构件，该工程特点主要是板材均为6080mm厚板，结构多为双腹式箱形结构，该结构由两块翼缘板和两块腹板组成，其中设有内隔板作为加强板。如图1所示。由于翼缘板比腹板在截面上高出50-200mm的距离，这就给焊接过程造成了更大的困难。使得焊接周期长，技术操作难度大，,*京唐金属结构工程公司,图1 箱形截面图,*京唐金属结构工程公司,翼缘板,腹板,隔板,2.箱形结构由于其复杂性，在焊接过程中焊接方法和工艺参数选择非常重要，如果选择不当，将会造成严重的扭曲变型，一但产生扭曲变形，现有设备难以矫正，须用火焰经多次矫正，矫正成本高昂，甚至于矫正不过来造成产品报废。如何保证双腹式箱型结构焊接质量，控制焊接变形是目前制造厂所面临的一重要难题。也是我厂在制作曹妃甸工程构件焊接过程中的重中之重。,*京唐金属结构工程公司,根据以上理由，决定了此次的选题目标完善工艺、提升箱型结构制作质量。 四、现状调查： 从小组成立后，全体成员对制造厂在建工程北京国贸三期外框柱腰桁架部位的80个箱形结构和北京金融街工程的160根箱形柱开始着手进行调研研究，通过对以上构件从原材料、下料、切割、组对、焊接等各个环节的原始记录进行分析整理得出以下结果 ：,造成箱形结构成型后扭曲变形超标因素调查表,*京唐金属结构工程公司,根据上述调查表，做如下排列图：,10,40,50,70,60,80,30,20,90,100,40,50,70,60,80,30,20,90,10,100,第一项,第二项,第三项,第四项,第五项,第六项,第七项,第八项,频次,累计频率,A类问题,*京唐金属结构工程公司,结论：由排列图可以看出，第六项、第七项的累计频率分别达到了是：65.63%和98.75%；因此箱型结构组对尺寸不合乎要求，并且造成同侧焊缝坡口截面面积大小不一和焊接工艺不完善，这是要求我们首要解决的，是A类问题。 五、活动目标： 1.目标值 1.1箱型钢结构（冶金行业）外观几何尺寸达到GB50205-2001要求；保证箱型结构在组对完毕后，外部几何尺寸和同侧坡口截面积合格率由原来的90.2%提高到活动后的95.2%；箱型结构主缝焊接完毕后，外部几何尺寸的一次交工合格率由原来的82.7%提高到活动后的92.7%，详见下图：,*京唐金属结构工程公司,总目标,合格率,*京唐金属结构工程公司,2. 箱型柱扭曲偏差达到下表要求,*京唐金属结构工程公司,3.实现目标值的可行性论证 1）为了提高生产效率、降低施工成本按期提供出合格的构件，公司领导专门成立了技术攻关小组，对该工程给予了高度的重视。小组人员组成如下表：,*京唐金属结构工程公司,2）由于该项工程属于北京首钢搬迁项目，并地处于唐山市重点发展的曹妃甸工业园区，对公司以后在北方钢结构市场占有率、声誉和影响力都会产生深远的影响，金结公司经理以及班子成员对该项工程给予了高度的关注，并明确下达了必须确保创下鲁班奖的目标。 3）委托质检部门对材料入场，切割以及机械加工、箱形结构的组对和焊接进行严格的过程控制。并且在现场施工过程中，由质量管理部组织实行了工序之间的自检、互检；工程管理部介入验收；驻厂监理、监造三方联合检查的质量管理制度，杜绝不合格品进入下道工序，力争使出场构件达到零缺陷。 综上所述，目标可行！,*京唐金属结构工程公司,六、原因分析： 在前面已经得出箱形结构最终成型后产生变形的主要原因（A类问题）后，小组成员根据分工深入施工现场进行调研，并对过往工程项目的类似结构所有出现过的同类问题问题从人、机、料、法、环五个方面进行分析总结，现将分析情况汇总如下：,*京唐金属结构工程公司,*京唐金属结构工程公司,七、要因确定,*京唐金属结构工程公司,*京唐金属结构工程公司,根据箱形结构变形因果分析图进行要因确定： 1)组对以前发现板条几何尺寸超差而且存在旁弯及钢板自身存在的弯曲； 2)原设计坡口尺寸过大，不但浪费焊接材料、增加人工而且增加生产周期； 3)组好的箱形结构截面尺寸自身存在超差现象，没有经过修整直接进入下道工序进行施焊； 4)组对后个别箱形同侧坡口截面尺寸不一致导致箱形两端坡口收缩量不同，造成变形； 5)在焊接过程中同侧焊缝使用一台焊机施焊，造成两侧焊缝变形不同步无法相互抵消； 6)箱形同侧焊缝采用两台焊机施焊时，焊接工艺参数出入较大，造成两侧焊缝热输入不一致，内应力无法抵消；以上六项为导致箱形结构产生变形的要因。,*京唐金属结构工程公司,八、对策制定： 针对以上确定导致箱形结构产生变形的要因对箱形结构的生产过程采取如下措施：,*京唐金属结构工程公司,*京唐金属结构工程公司,九、对策实施： 1、材料要求： 1.1一般要求：箱型钢结构的制作板厚度一般在60mm80mm不等，材质一般为Q345级别钢板，所用的钢板应当随有质量证明书，各项理化指标都应当符合设计文件要求， 1.2特别要求：由于钢板在轧制或运输的过程中，可能在钢板的内部存留有部分残余应力或是运输方式不当可能造成钢板的平整度下降，以至于在钢板的局部出现凸起、凹陷的现象，如果不进行处理就直接进行下料切割机有可能造成切割后的腹板或盖板出现波浪弯或者是旁弯而且坡口的加工精度也无法保证，最后不得不进行火焰校正，即增加施工成本又耽误工期，所以要求来料后首先进行平整度检查，对不符合要求的钢板采用平板机对钢板进行平整，即释放了钢板的内部残余应力，又能保证切割精度。为了下一步控制组对精度做好准备。 如下图所示采用辊床对钢板进行平整：,*京唐金属结构工程公司,*京唐金属结构工程公司,2.切割 切割是箱形制作过程中的一道重要保障工序，箱型腹板、盖板的切割质量及那个直接影响到装配的精度，而坡口的切割则会直接关系到焊接的内、外在质量和焊接变形量的大小，特备是腹板两侧的坡口如果不一致将会导致焊缝两侧金属填充量的不同和热输入不同，使得两侧的焊接变形无法相互抵消，进而产生扭曲或侧弯变形。 2.1箱型腹板及盖板的切割我们一般采取多头数控火焰切割机进行切割，速度快且板条两侧受热平均不容易发生变形，不需要进行矫正。,*京唐金属结构工程公司,腹板两侧的坡口一般采用半自动精密切割机，但是对于厚度较薄且宽度较窄的腹板由于受热严重，一般变形量较大，采用火焰矫正难度较大，效率较低，而且坡口角度精度较低，而机械加工成本较高且目前没有较为高效的加工机械，我们可以采用双头半自动切割机同时加工腹板半条两侧的坡口，这样一来两侧受热均匀，变形相互抵消，修整工作量大大减小。另外，在板条加工完毕后，考虑到板条受热一定会产生一定程度变形，应当在在平板机上进行二次矫正以确保组对精度。,切割允许偏差,*京唐金属结构工程公司,2.2隔板尺寸的加工精度是保证箱形结构组装精度的关键，在组合焊箱板时可以起到胎板作用，隔板的垂直度是直接影响组装的箱型的旁弯和扭曲度，所以在组装前必须对隔板垂直度等制作公差进行复核使之达到设计要求。隔板的加工方式是先将电渣焊板条与隔板进行焊接然后整个隔板进行机械加工的方式这样可以减少累计误差。,如图所示：,2.3机加工精度要求：L3-L40.5mm，L3L40.5mm。 a）隔板安装尺寸 （b）组对尺寸 （c）机加工后尺寸,*京唐金属结构工程公司,3.箱形的组装 箱形结构应当在测平的平台上进行组装，然后依据箱形的外形尺寸设置挡板 。首先在翼缘板上用粉线画出两侧腹板和隔板定位线然后将其组成形结构，进行隔板两侧气体保护焊的焊接，为了保证手把焊的质量，铆工在组装点焊时不应当焊在坡口位置，应当垫板位置进行花焊，在组对的过程中重点控制箱形的扭曲度和端头部位是否串角并做好记录，并严格控制电渣焊补位的垫板是否和盖板顶严以防焊接过程中出现跑渣现象。另外应当特别注意的是箱形自动焊主缝的坡口间隙，必须组对均匀一致，这样才能保证主缝焊接时两端热输入量一致，使得变形相互抵消。,*京唐金属结构工程公司,*京唐金属结构工程公司,4、坡口设计 焊接坡口的设计首先应考虑保证结构强度要求，即焊缝应具有足够的熔深和厚度，其次考虑经济性，即在保证焊透的前提下，尽量减少焊接坡口的填充金属量，降低焊接成本，缩短焊接时间，提高生产效率。 由于该项工程中结构件板比较厚，箱形结构板厚大多是60mm，70mm和80mm不等, 厚板焊接过程中，我厂目前一般采用的坡口为35度6mm减息，在整个焊接过程中填充量较大，并且清渣时间长。不仅延长焊接周期，还增加了焊接材料，加大了施工成本为了减少焊接变形及焊丝的填充量，我们在满足焊缝质量等级的情况下缩小了坡口角度，经过实验改进，设计了较小的坡口焊缝形式，坡口角度为25度8mm间隙。改进后的焊缝截面积（80mm板厚情况下）由原来的2720mm2 变为2120mm2焊接材料消耗只是原来的78%，而且减少了箱形结构盖板延长部位的变形的仅此一项提高效率20% 以上，在降低焊接成本的同时提高了生产效率！,*京唐金属结构工程公司,下图是不同坡口角度的截面尺寸。,*京唐金属结构工程公司,5.箱形主焊缝的焊接 箱形主缝一般采用平焊焊接位置，以前我们一直采用四条主缝分四次焊接的方式，容易产生扭曲变形，因此对箱形焊接难题有必要采用新的思路，创新焊接工艺，如果将箱形同一侧的两道主缝按照同一规范一次焊接完成，产生的焊接变形可以相互抵消，可以一定程度上消除焊接变形的产生。 1）箱型主缝一般来说采用埋弧自动焊焊接，焊接前检查焊缝坡口的角度及坡口间隙是否满足焊接规范要求。 2）焊接前应当将箱型构件摆放在事先超平的胎架上，并在箱形的两侧设置自动焊轨道。 3）施焊时要求箱型两侧的主焊缝必须由箱形的同一侧开始同时同步进行施焊，并且在施焊时要求两侧焊缝的热输入也相同（即焊接参数基本一致），确保两侧焊接变形能够相互抵消。 4）在焊接时，先将箱形同一侧焊缝焊完1/3后，然后将箱形结构翻个焊接另一面，将此面焊接完毕后，将上一侧的剩余2/3 焊缝焊接完毕