鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制

夏秋萍，唐照國(guó)，王賢軍

(1．天臺(tái)縣宏達(dá)機(jī)械設(shè)備安裝有限公司，浙江天臺(tái)317200;2．新昌德力石化設(shè)備有限公司，浙江新昌312500;3．浙江臨東工貿(mào)有限公司，浙江臨海317015)

0 引言

焊接是種熱加工，加工過程中就會(huì)存在焊接應(yīng)力和焊接變形，焊接變形的產(chǎn)生不僅影響了鋼結(jié)構(gòu)的外觀，降低裝配質(zhì)量，增加制造成本，還會(huì)降低焊接接頭的性能和降低結(jié)構(gòu)的承載能力，如果嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致焊件報(bào)廢，還可能在使用過程中造成人身財(cái)產(chǎn)安全隱患。因此，焊接施工前必須對(duì)焊接變形不同類型和產(chǎn)生原因進(jìn)行全面分析，并采取有力的措施控制焊接變形量，以確保鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量。

1 焊接應(yīng)力和焊接變形

焊接過程中，對(duì)焊件進(jìn)行局部不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形的主要原因。焊接應(yīng)力和焊接變形既同時(shí)存在又相互制約。如果焊接應(yīng)力減小則焊接變形會(huì)增大，如果焊接應(yīng)力增大則焊接變形會(huì)減小，一般焊接應(yīng)力和焊接變形都減小是不可能的。在實(shí)際制造過程中，往往焊后的焊接結(jié)構(gòu)既存在焊接應(yīng)力，又產(chǎn)生焊接變形。如果要使焊接應(yīng)力和焊接變形都減小，就不得不采取一定的工藝措施，比如焊后消除應(yīng)力熱處理，錘擊焊縫等可以減少焊接應(yīng)力，采取合理的焊接工藝可以減少焊接變形。

2 焊接變形的分類和產(chǎn)生的原因

1)焊接變形的分類。焊接變形通常指的是焊接殘余變形。焊接殘余變形是影響焊接質(zhì)量的主要因素。焊接殘余變形對(duì)結(jié)構(gòu)的不同層次的影響分為整體變形和局部變形;根據(jù)變形的不同特點(diǎn)則可分為:角變形、彎曲變形、收縮變形、扭曲變形、波浪變形和錯(cuò)邊變形。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生較多的變形類型是整體變形。

2)焊接變形產(chǎn)生的原因。①鋼結(jié)構(gòu)剛度:剛度是指結(jié)構(gòu)體對(duì)拉伸方向和彎曲變形的抵抗能力。鋼結(jié)構(gòu)的剛度主要取決于結(jié)構(gòu)截面形狀和尺寸的大小。例如工字鋼截面和縱向桁架變形量，主要取決于其橫截面積的大小，橫截面積大剛度好，抗變形能力強(qiáng)。②焊接連接縫的位置和數(shù)量:從經(jīng)濟(jì)上考慮，一般會(huì)盡量選用尺寸規(guī)格小的型鋼，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)剛度不足時(shí)，就應(yīng)在設(shè)計(jì)焊接連接縫位置和數(shù)量時(shí)，盡量減少焊縫數(shù)量，考慮在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱安排，使得構(gòu)件只能產(chǎn)生線性變形;當(dāng)焊縫為不對(duì)稱的安排，則會(huì)產(chǎn)生彎曲變形和角變形。③裝配順序:一般焊件整體剛性比零部件的剛性大，從增加剛性減小變形的角度考慮，對(duì)于截面對(duì)稱、焊縫對(duì)稱的焊件，采用整體裝配焊接，產(chǎn)生的焊接變形較小。然而有時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能整體裝配，而是邊裝配邊焊接。④焊接工藝方面:焊接線能量對(duì)焊接變形的影響也比較大，隨著焊接線能量的增加，加熱寬帶增加，引起的焊接變形也增大。斷續(xù)式焊縫與連續(xù)焊縫相比收縮變形量小。焊接變形還與坡口形式有關(guān)，坡口角度越大，則產(chǎn)生的角變形大。因此，在焊接施工過程中必須制訂合理的焊接工藝措施。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形防治措施

3．1 焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

1)控制焊縫的數(shù)量和大小。鋼結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)量多、尺寸大，焊接時(shí)的熱輸入量也越多，造成的焊接變形也更大。因此，在鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)法控制焊縫的數(shù)量和大小，盡可能減少焊接變形。鋼結(jié)構(gòu)所使用的工字鋼、槽鋼、角鋼等結(jié)構(gòu)材料盡可能長(zhǎng)、盡可能少拼焊以減少焊縫數(shù)量。

2)根據(jù)焊接工藝選擇適合的焊縫坡口的形狀和尺寸。對(duì)焊縫坡口形成與大小合理的選擇應(yīng)能夠確保鋼結(jié)構(gòu)整體的承載能力充分。板厚14 mm以上的對(duì)接焊縫采用X坡口如圖1，采用雙面焊，角焊縫采用對(duì)稱焊縫如圖2。

3)焊接節(jié)點(diǎn)的位置應(yīng)處于構(gòu)件截面的對(duì)稱處，結(jié)構(gòu)中性軸焊接節(jié)點(diǎn)的位置應(yīng)盡可能在構(gòu)件截面的中性軸對(duì)稱位置，同時(shí)應(yīng)避免在高應(yīng)力區(qū)。

4)對(duì)于節(jié)點(diǎn)形式的選擇，應(yīng)選用的剛性小的節(jié)點(diǎn)形式。避免由于焊縫集中而導(dǎo)致的高溫和焊縫應(yīng)力集中，從而減少焊接變形。

圖1 坡口示意圖

圖2 角焊縫示意圖

3．2 焊接工藝措施

1)組裝和焊接順序。鋼結(jié)構(gòu)的制作、組裝應(yīng)該在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水平臺(tái)上進(jìn)行。該平臺(tái)應(yīng)確保所受的自重壓力的程度足夠大，不會(huì)出現(xiàn)鋼構(gòu)件失穩(wěn)和下沉的現(xiàn)象，以滿足構(gòu)件組裝的基本要求。在焊接小型構(gòu)件時(shí)可一次完成，即在焊接固定好位置后，用合適的焊接順序組裝完畢。而大型鋼結(jié)構(gòu)組裝與焊接需要先將小件組焊接完畢，然后再進(jìn)行最后的組裝和焊接。

2)預(yù)留收縮余量。由于在冷卻過程中焊縫會(huì)產(chǎn)生收縮反應(yīng)，結(jié)果減少了工件焊接后的尺寸。在大型構(gòu)件焊接時(shí)常用預(yù)留收縮余量的方法。預(yù)留收縮余量就是在焊接前特意將構(gòu)件長(zhǎng)度加長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)，或者組裝時(shí)留一些間隙，防止構(gòu)件尺寸焊后縮短，留間隙會(huì)增加填充量，焊接熱量加大，又會(huì)另外增加了焊接變形，所以通常是將構(gòu)件尺寸放長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)，留有收縮量，焊后便保證了構(gòu)件的尺寸。

3)反變形。由于在冷卻過程焊縫會(huì)產(chǎn)生收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得構(gòu)件發(fā)生變形，在大型構(gòu)件焊接時(shí)常用反變形的方法。例如為了防止工字鋼梁上下蓋板的焊接角變形，可以在焊前用油壓機(jī)或折邊機(jī)在相反方向預(yù)先壓彎蓋板;為保證扁鋼與工字鋼焊后保持垂直，可先將扁鋼向后焊一邊傾斜一個(gè)小角度(通常2°左右)，焊后變形會(huì)垂直(如圖3)。

4)剛性固定法。大型結(jié)構(gòu)件在焊接接頭時(shí)各個(gè)工件和零件在自重和焊接應(yīng)力的作用下，要想使其位置固定是比較困難的。所以，每件焊接工件和零件除了要用焊接平臺(tái)固定位置外，還需要用一些焊接夾具將構(gòu)件夾緊以使得焊接過程中構(gòu)件得以固定，可使結(jié)構(gòu)件的水平度和垂直度得到保證。

圖3 扁鋼與工字鋼焊接的反變形示意圖

4 結(jié)語

通過采取適當(dāng)?shù)暮附庸?jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)措施和焊接工藝技術(shù)措施，可以有效地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，達(dá)到確保工程質(zhì)量和進(jìn)度的目的。并在實(shí)踐中不斷總結(jié)和積累焊接經(jīng)驗(yàn)，以提高控制焊接應(yīng)力和焊接變形的技術(shù)水平，確保鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量，并提高工程施工效率，為人身財(cái)產(chǎn)安全提供可靠的保障。

［1］王國(guó)凡．鋼結(jié)構(gòu)焊接制造［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［2］焊接材料、工藝及設(shè)備手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001．