鋼結(jié)構(gòu)焊接防治與對(duì)策

馬春虎

摘要：在大多數(shù)的情況下，通過采取適當(dāng)?shù)暮附庸?jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)措施和技術(shù)措施，可以有效地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，以達(dá)到確保工程質(zhì)量的目的。但由于材料、結(jié)構(gòu)以及焊接施工現(xiàn)場環(huán)境等因素的復(fù)雜多變，還應(yīng)該在實(shí)踐中不斷總結(jié)和積累焊接經(jīng)驗(yàn)，提高控制焊接應(yīng)力和焊接變形技術(shù)水平。本文詳細(xì)分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基本類型及其原因。為了有效防治焊接變形，必須精心焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)，提高焊接工藝質(zhì)量，加強(qiáng)工程施工管理。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接;變形

前 ?言

作為鋼結(jié)構(gòu)制作和連接的主要技術(shù)，焊接已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝工藝之中。然而，焊接中產(chǎn)生的變形問題不僅影響了鋼結(jié)構(gòu)的外觀和使用性能，如果嚴(yán)重的話甚至?xí)?dǎo)致焊件報(bào)廢，給企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失。特別是在大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)中，這一問題表現(xiàn)得尤其突出。有鑒于此，必須對(duì)焊接變形不同類型和原因進(jìn)行全面分析，并采取有力措施控制焊接變形量，以確保不斷提高生產(chǎn)效率和鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

一、焊接變形的基本類型分析和原因分析

1.焊接變形的基本類型

所謂焊接變形是指鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中，由于施焊電弧高溫引起的變形，以及焊接完成后在構(gòu)件中的殘余變形現(xiàn)象。在這兩類變形中，焊接殘余變形是影響焊接質(zhì)量的主要因素，也是破壞性最強(qiáng)的變形類型。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。在這些變形類型中，角變形和波浪變形屬于局部變形，而其他類型的變形屬于整體變形。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)生的原因分析

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面積的弦桿截面大小的部分。再如，工字型、丁字型或其他形狀的型鋼的彎曲變形量主要取決于截面的抗彎剛度。焊接連接縫位置和數(shù)量：當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)剛度不足時(shí)，在設(shè)計(jì)焊接連接縫位置和數(shù)量時(shí)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)體對(duì)稱安排，且焊接順序是合理的，構(gòu)件只能產(chǎn)生線性變形;當(dāng)焊縫為不對(duì)稱的安排，產(chǎn)生的多為彎曲變形。焊接工藝：焊接電流偏大、焊條直徑較粗，使得焊接速度緩慢，可能導(dǎo)致焊接變形大;厚鋼板焊接時(shí)，手工焊接方法比自動(dòng)焊接方法引起的變形量較小;采用多層焊接工藝時(shí)，首層的焊縫收縮變形最大，第二和第三層焊接變形量分別是首層的20%和5%～10%。也就是說，多層焊接的層數(shù)越多，焊接變形越明顯;斷續(xù)式焊縫與連續(xù)焊縫相比收縮變形量小;對(duì)接式焊縫的橫向收縮變形量比縱向收縮變形量大2至4倍;焊接順序不當(dāng)或在沒有焊接妥當(dāng)分部構(gòu)件時(shí)就進(jìn)行整體組裝焊接，很容易產(chǎn)生焊接變形。因此，為了防治焊接變形，在焊接施工過程中必須制訂合理的工藝措施。

二、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形防治

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。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。適當(dāng)?shù)钠驴谛螤詈痛笮?，可以通過減少截面積，進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)的焊接變形量。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，或盡量接近中性軸，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。節(jié)點(diǎn)應(yīng)避免在雙向、三向交叉處，這樣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。

2.工藝措施

2.1 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)的水平面上進(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。在進(jìn)行部件組裝時(shí)，為了防止組裝過程中產(chǎn)生過度的應(yīng)力和變形，應(yīng)該使不同型號(hào)的零配件符合構(gòu)件規(guī)定的規(guī)格、形狀大小和樣板的要求，并且組裝時(shí)不能有較大外力強(qiáng)制拼裝，以防止零部件過度焊接應(yīng)力和較大約束力帶來的變形。此外，組裝與焊接過程中應(yīng)使焊接接頭熱量均勻，消除應(yīng)力并減少變形;焊縫應(yīng)做到對(duì)接間隙、坡口角度、搭接長度和T形貼角的尺寸無誤，且形式、大小應(yīng)與構(gòu)件的設(shè)計(jì)和焊接規(guī)范一致。

2.2 反變形。由于在冷卻過程焊縫會(huì)產(chǎn)生收縮反應(yīng)，結(jié)果使得減少了工件焊接后的尺寸。針對(duì)這個(gè)問題，為了彌補(bǔ)熱脹冷縮帶來的變形，在大型構(gòu)件焊接時(shí)常用反變形的方法。反變形方法是在進(jìn)行焊接前使構(gòu)件預(yù)先發(fā)生變形，使變形方向和焊接變形方向相反、變形量大小基本相等。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。

2.3 焊件夾具。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，還需要用到焊件夾具有效地夾緊，以便防止工件發(fā)生變形。

三、鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中變形控制

我們可以根據(jù)對(duì)焊接變形的分析有重點(diǎn)的對(duì)焊接過程進(jìn)行控制，盡量減小變形收縮量。對(duì)于在焊接過程如何控制焊接變形，可以采取以下措施方法：選擇合理的焊縫位置、焊接方式、焊接順序，采用反變形焊接，采用剛性固定焊接，這些措施都可以有效的減少焊接過程中所產(chǎn)生的變形，保證鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1.焊縫的合理選擇

為了達(dá)到減少梁或者柱等構(gòu)件撓性變形收縮量的目的， 應(yīng)該盡量將焊縫置于截面中性軸或者對(duì)稱于中性軸。對(duì)于焊接方法的選擇：①為盡量減少焊接變形，所選擇的焊接方法的線能量越低越好。②在對(duì)H 型鋼翼板與腹板的焊接，應(yīng)該選用埋弧自動(dòng)焊。③在對(duì)不同截面積的構(gòu)件焊接中，為減少焊接變形發(fā)生及減小焊接線能量，對(duì)于小截面焊縫進(jìn)行CO2焊打底，對(duì)蓋面采用手弧焊方式。對(duì)于焊接順利的合理選擇：在焊接過程中，選用上下對(duì)角焊接的順序可以保持構(gòu)件的平直性，抵消焊縫所引起的撓曲變形，保證受熱均勻性以減小收縮變形量。類似的焊接順序同樣適用于筋板等多種構(gòu)件。

2.在焊接過程中，最普遍采用的焊接方法為反變形法

反變形焊接方法的具體步驟是：在焊接之前對(duì)于焊縫結(jié)構(gòu)的大小及位置進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估，在實(shí)際的裝配過程中對(duì)于焊縫施加一個(gè)相反的變形，用于抵消焊接變形收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力， 確保構(gòu)件在焊接之后的質(zhì)量要求。

3.對(duì)于焊接工作，要做好焊接前，焊接中，焊接后各項(xiàng)檢測控制

在焊接前需要準(zhǔn)確測量構(gòu)件的中心線、長度、標(biāo)高等。在焊接過程中，需要采用合理的焊接手段及順序，隨時(shí)觀察焊接質(zhì)量，如若發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，應(yīng)該及時(shí)的采取補(bǔ)救措施。焊接工作完成后，要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行再次測量確認(rèn)，保證焊接工作的質(zhì)量。

四、結(jié)束語

在大多數(shù)的情況下，通過采取適當(dāng)?shù)暮附庸?jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)措施和技術(shù)措施，可以有效地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，以達(dá)到確保工程質(zhì)量的目的。但由于材料、結(jié)構(gòu)以及焊接施工現(xiàn)場環(huán)境等因素的復(fù)雜多變，還應(yīng)該在實(shí)踐中不斷總結(jié)和積累焊接經(jīng)驗(yàn)，提高控制焊接應(yīng)力和焊接變形技術(shù)水平。

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