淺析鋼結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生及防治

莊利軍

（山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024）

在建筑鋼結(jié)構(gòu)火速發(fā)展的今天，各種焊接方法日新月異，焊接技術(shù)成了一項關(guān)鍵的課題。但在施工過程中，由于焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形，嚴(yán)重影響著工程的制作精度，進(jìn)而影響安裝進(jìn)度、質(zhì)量甚至?xí)钩休d力大大降低。因而，了解焊接變形產(chǎn)生的原因及防治措施是鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)。

1 焊接變形的產(chǎn)生原因

金屬構(gòu)件焊接時，焊縫區(qū)域局部受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)式或加熱溫度不高，因而對受熱區(qū)域母材的膨脹起約束作用，因而焊接區(qū)受壓，而母材受拉；隨著電弧前移，已完成焊接的熱影響冷卻收縮，而其周圍的母材此時起到了約束其收縮的作用，因而焊縫區(qū)域受拉，而其周圍的母材金屬受壓。

在焊接應(yīng)力作用下，如果焊件的拘束度較小，則焊件會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，如縮短、彎曲、翹曲等；如果焊件的拘束度很大，此時焊件不能自由變形，但在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生局部的應(yīng)變，同時產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

2 焊接構(gòu)件的殘余變形的種類

構(gòu)件經(jīng)局部加熱冷卻后產(chǎn)生不可復(fù)的變形稱為殘余變形。殘余變形的種類如下：

（1）縱向收縮變形：指構(gòu)件在焊縫方向收縮。

（2）橫向收縮變形：指構(gòu)件垂直于焊縫方向縮短。

（3）彎曲變形：焊縫的縱向和橫向收縮引起構(gòu)件的整體彎曲。

（4）角變形：焊縫的橫向收縮使焊件平面繞焊縫軸產(chǎn)生的角度變化。

（5）波浪式變形：薄鋼板焊接后，母材板面產(chǎn)生的翹曲。

（6）扭曲變形：構(gòu)件焊接后，角變形沿構(gòu)件縱軸方向變形大小不同，以及構(gòu)件翼緣和腹板的縱向收縮量不一致，形成的變形形態(tài)。

3 焊接殘余變形量的影響因素

3.1 焊縫截面積的影響

焊縫截面積對縱向、橫向及角變形的影響起主要的作用。在板厚相同的情況下，開坡口尺寸和預(yù)留的間隙越大，變形量越大。

3.2 焊接熱輸入的影響

一般情況下，熱輸入越大時，受熱的高溫影響區(qū)域范圍也越大，冷卻速度越慢，因此接頭塑性變形區(qū)也增大。橫向、縱向、角變形量都會增大，但在表面堆焊時，由于加熱作用只集中于表面，因此隨著熱輸入增大，塑變區(qū)向板厚方向擴(kuò)大，會引起角變形增大。如果熱輸入增大到一定程度，由于整個板厚溫度趨近，因而即使熱輸入繼續(xù)增大，反而會使角變形下降。

3.3 工件的預(yù)熱、層間溫度影響

預(yù)熱溫度和層間溫度高，會增大熱輸入，使冷卻速度減慢，收縮變形增大。

3.4 焊接方法的影響

各種焊接方法的熱輸入不同，且差距較大。因此在其他條件相同情況下，收縮變形值不同。熱輸入越大，則焊接變形越大。在鋼結(jié)構(gòu)幾種常用的焊接方法中，埋弧焊熱輸入最大，手工電弧焊次之，CO2氣體保護(hù)焊熱輸入值最小。因此在施工中要盡量采用熱輸入較小的工藝施焊。

3.5 接頭形式的影響

焊接接頭形式有很多種，常見的有堆焊、對接焊和角焊，在其他因素相同的情況下，不同的接頭形式對變形量有不同的影響。

（1）表面堆焊時，構(gòu)件的橫向變形不但要受到母材表面兩個方向的約束，而且同時受到板厚方向母材的約束，其變形量相對較小。

（2）對接接頭在單層焊道的情況下，其焊縫橫向收縮量要比堆焊時產(chǎn)生的變形量大。在單面坡口焊且坡口較大時，板厚方向上、下兩側(cè)收縮量差別很大，因而會產(chǎn)生較大的角變形。雙面焊時，因為坡口角度和間隙都較小，產(chǎn)生的橫向收縮和角變形量也較小。

（3）T形接頭角焊時，構(gòu)件的翼緣板相當(dāng)于堆焊，腹板則相當(dāng)于對接，如采用兩面坡口角對接，則其角變形值比T形接頭角焊時小得多。

3.6 焊道層數(shù)的影響

（1）橫向收縮：在對接接頭多層焊時，第一道焊縫的橫向收縮與對接焊的變形規(guī)律相同，以后各層則相當(dāng)于無間隙對接焊，在接近于蓋面焊道時，與堆焊的變形規(guī)律相似，因此收縮變形量相對較小。

（2）縱向收縮：多層焊時，各層焊縫的熱輸入值比一次完成單層焊時小得多，加熱范圍窄、冷卻快，因此產(chǎn)生的收縮變形小得多；而且多層焊時每層焊縫所產(chǎn)生的變形區(qū)會發(fā)生重疊，其總變形量并未加大，而且前層焊縫成形后會對后層焊縫形成約束，因此，多層焊的縱向收縮量比單層焊時要小得多，且焊道的層數(shù)越多，縱向變形越小。

4 焊接變形的矯正方法

焊后殘余變形的矯正方法，分為加熱矯正和施力矯正。施力矯正一般用千斤頂、翼緣矯正機(jī)等設(shè)備。施力矯正方法比較簡單，只需在變形的反方向加力，使其恢復(fù)到原來狀態(tài)即可，但有些復(fù)雜變形必須用加熱矯正的方法方可消除。下面重點介紹火焰加熱矯正。

4.1 低碳鋼火焰矯正加熱溫度及注意事項

低溫矯正：500℃～600℃

冷卻方式：水

中溫矯正：600℃～700℃

冷卻方式：水或自然冷卻

高溫矯正：700℃～800℃

冷卻方式：自然冷卻

火焰矯正時加熱溫度不宜過高，否則會引起金屬變脆，影響沖擊韌性，強(qiáng)度在Q345以上的鋼材在高溫矯正時不可用水冷卻。

4.2 焊接變形火焰矯正經(jīng)常采用加熱方法

經(jīng)常采用的有以下3種：①點加熱法；②線加熱法；③三角形加熱法。

4.3 不同部位變形的矯正方法

4.3.1 薄板波浪變形

對于薄板波浪變形，可以用點加熱方式，見圖1。加熱火焰應(yīng)朝向變形鼓起的板面，根據(jù)變形量掌握加熱點間的距離，變形量大則間距小，變形量小則間距大。加熱點直徑在15 mm以上，并隨板厚度增大而增大，在加熱過程中可配合小錘敲擊。

圖1 薄板波浪變形——點加熱方式圖

4.3.2 H型鋼翼緣板的角變形矯正

H型鋼柱、梁翼緣的角變形。在翼緣板上側(cè)進(jìn)行縱向線狀加熱，見圖2。加熱溫度宜控制在650℃以下，加熱范圍以不超過兩焊腳范圍為宜，加熱后不宜用水冷卻。

4.3.3 H鋼柱、梁的上拱

翼緣板上做線狀加熱，在腹板上做三角形加熱，見圖3。用這種方法矯正H型鋼柱、梁的彎曲變形有較好的效果。線狀加熱寬度控制在80 mm以內(nèi)，板厚較小時，加熱寬度可以適當(dāng)窄一些，同時縮小間距，加熱時要從中間向兩邊擴(kuò)展，最好由兩人同時操作，保證兩側(cè)受熱均勻；三角形加熱的寬度控制在板厚的2倍以內(nèi)，三角形的底邊與對應(yīng)的翼板上部線狀加熱寬度一致，加熱三角形從頂部開始，然后從中心向兩側(cè)擴(kuò)展，加熱腹板時溫度不能太高，否則造成凹陷變形，很難修復(fù)。低碳鋼加熱完成后立即用水冷卻，效果更加明顯。

圖2 H型鋼算緣板的角變形矯正

圖3 H鋼柱、梁的上拱

5 結(jié)束語

焊接變形產(chǎn)生的機(jī)理多種多樣，同時還受到操作環(huán)境和操作技能的影響。只有在實踐中不斷總結(jié)，才能有效防治。同時加熱矯正引起的應(yīng)力會與焊接應(yīng)力疊加，同向應(yīng)力疊加甚至可能會使構(gòu)件的總應(yīng)力超過允許應(yīng)力，從而導(dǎo)致構(gòu)件承載力增大引起結(jié)構(gòu)破壞，因此在鋼結(jié)構(gòu)制造過程中，要盡量采用科學(xué)合理工藝，以減少構(gòu)件變形。

[1]ISBN 7-80159-487-8/TU·246.《鋼結(jié)構(gòu)工程施工與驗收實用手冊》北京建材工業(yè)出版社

[2]ISBN 7-80177-012/TU·008《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊》.中國計劃出版社

[3]GB 50205-2001.《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》