鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素、類型及其控制方法

張杰

【摘 要】在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中必然產(chǎn)生的殘余變形可能會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)接下來的制作過程造成影響，甚至?xí)?duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度及其施工質(zhì)量帶來極大的影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)承載能力的大幅度降低。文章對(duì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素、類型及其控制方法進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；焊接；變形；影響；類型

1.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的影響因素

導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接變形有一種是在焊接時(shí)因?yàn)樗查g高溫而產(chǎn)生的變形，一種是在常溫冷卻時(shí)產(chǎn)生的變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個(gè)方面。

1.1材料因素的影響

焊接變形關(guān)于材料這一個(gè)因素有兩方面，除了和焊接材料以外，母材也是一個(gè)因素，材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都是能夠引起焊接變形的因素，在變形的形成過程中起著重要作用。熱傳導(dǎo)系數(shù)是熱物理性能參數(shù)對(duì)變形這一結(jié)果的主要原因，一些變形的情況往往是因?yàn)?，材料的熱傳?dǎo)系數(shù)過低，溫度梯度太大所導(dǎo)致的。而力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響就很復(fù)雜了，影響最多的是熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)越大，變形就越嚴(yán)重。同時(shí)材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，擁有較大的彈性模量的材料，在焊接時(shí)變形會(huì)比較小，較高的屈服極限會(huì)引起較高的殘余應(yīng)力，焊接結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的變形能量也會(huì)因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減少。

1.2結(jié)構(gòu)因素的影響

在焊接之前的設(shè)計(jì)工作也是影響焊接變形的一個(gè)關(guān)鍵因素，而且非常的復(fù)雜。越多的拘束力，焊接時(shí)就會(huì)出現(xiàn)更多的殘余應(yīng)力，所以焊接變形就比較少，這個(gè)是總體原則。焊接結(jié)構(gòu)的拘束度會(huì)隨著焊接變形而不斷改變，因?yàn)楣ぜ诤附拥臅r(shí)候，它的拘束度會(huì)不斷變化，加上外加拘束的影響，就會(huì)形成變拘束結(jié)構(gòu)。一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，常需要采用筋板或加強(qiáng)板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區(qū)域，如筋板、加強(qiáng)板等，拘束度發(fā)生較大的變化，給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)減小焊接變形有著十分重要的作用。

1.3工藝因素的影響

焊接工藝對(duì)焊接變形的影響是非常多樣化的，焊接的手法、電源的電流電壓、固定固件的手法、焊接的先后次序等等都是影響焊接變形的因素。其中焊接順序是比較突出的因素，所以在平時(shí)焊接時(shí)注意改變焊接次序能夠有效的改變殘余力的分布和狀態(tài)，起到減少變形的情況出現(xiàn)。

2.常見的焊接變形

焊接是一種不均勻的熱過程，鋼材不論在焊接的加熱還是冷卻過程中，都會(huì)產(chǎn)生變形。因此，焊接是鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的一種主要因素。焊接變形有以下幾種基本形式：

2.1縱向變形

在鋼板冷卻的過程中，原來溫度高的部分被壓縮的多，因而冷卻后收縮的也多，因此產(chǎn)生的縱向收縮造成縱向變形。

2.2橫向變形

形成橫向變形的主因是板材的不均勻受熱。由于板材的不同部分的受熱不均，熱過程不同，因此在板材冷卻時(shí)，橫向收縮是不均勻的，這就造成了橫向變形。

2.3彎曲變形

彎曲變形在焊接中常出現(xiàn)的現(xiàn)象，它對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大。鋼材的縱向收縮與橫向收縮都會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。就是T形梁，翼緣板很厚，而腹板很薄時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生特殊的彎曲變形。

2.4角變形

對(duì)較厚鋼板進(jìn)行單面焊接時(shí)，焊接的這一側(cè)溫度高，背面溫度低，這樣在冷卻時(shí)，焊接的一側(cè)收縮較大。加熱區(qū)在橫向上的收縮，就引起了相對(duì)角度變化的角變形。

2.5波浪變形

也叫做褶皺變形，主要發(fā)生在薄鋼板構(gòu)件中。薄鋼板冷卻收縮的時(shí)候，不同區(qū)域之間互相產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力較大時(shí)，薄鋼板就無法維持穩(wěn)定出現(xiàn)褶皺。

2.6扭曲變形

扭曲變形的產(chǎn)生原因很多，它是一個(gè)復(fù)雜的過程。主要表現(xiàn)是橫斷面發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。

3.控制焊接變形的方法

在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，要充分考慮變形的問題，通過合理的焊接方法，減少焊接變形。

3.1設(shè)計(jì)合理的焊縫

連接是鋼結(jié)構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)，連接的承載能力必須不小于鋼件的承載力，也就是說，焊縫與鋼件強(qiáng)度要相當(dāng)。對(duì)于不同功能的焊縫要區(qū)別對(duì)待，受力焊縫是主要承受傳力的焊縫，強(qiáng)度要高；綴連焊縫主要起連接作用，它的應(yīng)力可忽略不計(jì)，不過抗裂能力和延展性能要求較高，因此強(qiáng)度可適當(dāng)減小，韌性適當(dāng)提高。

從尺寸上說，焊縫的尺寸不宜過大。因?yàn)檫^大的尺寸增加了焊接變形，也增大了工作量。所以，在保證強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小焊縫尺寸。對(duì)于T型接頭，以使用開坡口焊接接頭為宜。優(yōu)化焊縫的布局，可以減少變形，主要注意以下幾點(diǎn)：焊縫布置要對(duì)稱，焊縫長(zhǎng)度要減小，焊縫布局不宜過分密集，對(duì)于互相平行的焊縫要保證距離，最后，要結(jié)合情況采用不同的坡口。

3.2焊接的準(zhǔn)備工作

鋼件不能隨意擺放，要平整的放置。要為鋼件提供數(shù)量足夠，位置合理的支撐點(diǎn)。否則，焊接過程中鋼件的自重會(huì)引起變形。為了補(bǔ)償焊機(jī)后的收縮，放樣和下料必須要留出余量，余量大小視工藝和情況而定。

3.3合理的裝配和焊接順序

要有標(biāo)準(zhǔn)的水平平臺(tái)，用于制作和拼接鋼件，這樣保證了構(gòu)件的平直。小件可以一次裝配，先定位焊接一遍，再按順序一次完成。大型鋼結(jié)構(gòu)要先將小件組焊，然后，總體裝配，之后再焊接。拼裝過程中要注意避免過大的外力強(qiáng)制組對(duì)，防止焊件的變形。對(duì)接口的間隙，搭接長(zhǎng)度，坡口角度連接要合理。對(duì)稱的焊件具有對(duì)稱分布的焊縫，對(duì)稱焊接可以將焊接變形互相抵消和簡(jiǎn)化。但是由于焊接順序依然是有先有后的，先期的焊縫變形大，后期的焊縫變形小，這樣對(duì)稱焊接依然會(huì)產(chǎn)生變形，所以，焊接順序不能隨便安排。在焊接過程中，對(duì)稱的構(gòu)件要先裝配好，再由成對(duì)的焊工對(duì)應(yīng)的同時(shí)焊接。有些鋼結(jié)構(gòu)很難同時(shí)對(duì)稱的焊接，此時(shí)，只能將焊縫先后焊接，不過依然可以通過順序的合理安排減少變形。對(duì)于焊縫不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，保證焊縫少的一側(cè)先焊，焊縫多的一側(cè)后焊，這樣就仍然可以通過焊接順序的合理安排來減少形變。

3.4選擇合理的焊接工藝

焊接時(shí)能量越小，焊接后變形就越小，因此，要盡量用多層焊、小焊條，電流、速度要控制得當(dāng)。焊接鋼件時(shí)，先焊短縫后焊長(zhǎng)縫，先焊立角焊后焊平角焊，先焊對(duì)接縫后焊角接縫；先縱后橫，先內(nèi)后外，先中后邊。長(zhǎng)焊縫采取斷續(xù)焊，1m左右的焊縫用分中對(duì)稱焊法，1.5m以上采取逐步退焊法和跳焊法等。采取斷續(xù)焊法時(shí)，由于焊接接頭比較多，易產(chǎn)生缺陷，要仔細(xì)操作，保證質(zhì)量。

3.5適當(dāng)應(yīng)用預(yù)熱法

在焊前可以對(duì)焊件進(jìn)行加熱，局部預(yù)熱或整體預(yù)熱之后再進(jìn)行焊接。這樣能減少焊接應(yīng)力，預(yù)防變形。預(yù)熱溫度視焊而定，一般在80～200℃。

3.6剛性固定法

剛性固定法是指焊接時(shí)將構(gòu)件用夾具等固定在具有一定強(qiáng)度的工作臺(tái)上，這樣，構(gòu)件在受熱時(shí)與冷卻時(shí)收到約束，變形被外力所限制。這種方法適用于塑性較好的材料和厚度在10mm以下的薄板。常用的幾種剛性固定法有卡具夾緊法，定位焊固法胎具焊接法和局部加固法。

4.焊接變形的矯正

鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素很多，當(dāng)焊接變形難以避免或構(gòu)件的變形程度超過設(shè)計(jì)要求時(shí)，必須進(jìn)行矯正。通常焊接變形的矯正可分為冷加工法和熱加工法兩種。

（1）冷加工法也叫機(jī)械矯正法，是使用機(jī)械力的作用，對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正，一般適用于小尺寸焊件或變形程度較小的焊件，常用器具有千斤頂、壓力機(jī)、矯板機(jī)等。矯正時(shí)，先將焊件固定在支撐之間，再對(duì)構(gòu)件施加與焊接變形方向相反的力，使其產(chǎn)生相反的塑性變形，補(bǔ)償原來的變形即可。注意，冷加工法不適用于脆性傾向較大的鋼材料。

（2）熱加工法也叫火焰矯正法，是利用火焰的溫度對(duì)鋼材局部進(jìn)行加熱，在其冷卻時(shí)，產(chǎn)生新的局部形變，從而抵消舊的形變，達(dá)到矯正的目的。正確的選取加熱位置，溫度以及冷卻時(shí)間可以獲得很好的矯正效果。加熱溫度越高，矯正能力越強(qiáng)大，加熱溫度越低，矯正能力越弱，要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇加熱溫度，一般應(yīng)控制在600℃到800℃之間，不超過900℃，常使用氣焊焊炬加熱。熱加工法適用于低碳鋼結(jié)構(gòu)和部分普通低合金鋼結(jié)構(gòu)。

火焰矯正法的加熱方法有點(diǎn)狀加熱，線狀加熱和三角形加熱三種。點(diǎn)狀加熱主要適用于矯正板料的凸凹變形，要根據(jù)鋼板自身的厚度，材料和變形程度確定加熱點(diǎn)的直徑，數(shù)量和間距。一般情況下鋼板厚度越大，變形越大，加熱點(diǎn)越多，直徑越大，間距越小。加熱點(diǎn)直徑一般在10mm到30mm之間，相互距離一般為50～100mm，排布形狀往往采用梅花形狀。線狀加熱有三種基本形式：直線加熱、曲線加熱和環(huán)線加熱，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)酌情選擇。三角形加熱主要用于工資鋼梁和框架結(jié)構(gòu)的彎曲變形。

5.結(jié)束語

總結(jié)了施工中鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的主要種類，控制要點(diǎn)和矯正方法，這些經(jīng)驗(yàn)在過去的幾次大型鋼結(jié)構(gòu)工程中起到了很好的預(yù)防和指導(dǎo)作用。鋼結(jié)構(gòu)的焊接形變?cè)诠こ讨薪?jīng)常發(fā)生，且影響質(zhì)量，危害很大，必須注重控制和矯正。

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