淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制措施

陳琦 應(yīng)奇云

摘要： 本文從設(shè)計(jì)階段、施工階段和矯正階段三個(gè)方面進(jìn)行探討，分析論述各個(gè)階段控制焊接變形的措施。

關(guān)鍵詞：焊接；焊接變形；控制措施

前言 ：在焊接過(guò)程中，受熱傳導(dǎo)等因素的影響，工件很容易發(fā)生焊接變形，從而降低了焊接質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)的承載力。所以，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑中，若無(wú)法控制焊接的變形程度，將嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)需要大量的焊接，因此需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量。但是，在焊接過(guò)程中由于熱傳導(dǎo)等因素的影響，不可避免的出現(xiàn)焊接變形，引起焊接質(zhì)量下降。為此，探討分析控制焊接變形的各種措施，并將其系統(tǒng)化分類，從鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工到焊接完成后矯正三個(gè)方面，系統(tǒng)性論述焊接過(guò)程中的控制措施，從而減小焊接變形，保證焊接質(zhì)量。

一、設(shè)計(jì)階段

在鋼結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)其焊接變形成因的分析，選擇合理的焊縫坡口、數(shù)量、位置等，從而設(shè)計(jì)出減小焊接變形的科學(xué)焊接形式。

1、焊縫坡口的設(shè)置，坡口是根據(jù)設(shè)計(jì)或工藝的需求，將焊件的待焊部位加工成一定幾何形狀的溝槽，其目的是使焊件上的焊縫全部焊透。為達(dá)到這一目的，通常用一塊與母材材料相同的墊板放置在坡口背面，在使焊縫焊透的同時(shí)，不至于根部被燒穿。常用的坡口形式其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接而言，當(dāng)結(jié)構(gòu)具備足夠的承載力時(shí)，科學(xué)合理的選擇焊縫坡口的形式以及尺寸，盡可能減少焊縫截面面積，可最大程度上控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形。 例如：對(duì)于拼接焊縫，特別是板材較厚的拼接焊縫，為減少其焊接變形，須將坡口設(shè)置成非對(duì)稱坡口。其施焊工藝為，先對(duì)坡口較深的一側(cè)的1/3，翻轉(zhuǎn)焊件背面，待焊接完成后，再翻過(guò)來(lái)焊接剩余的2/3，通過(guò)兩次翻轉(zhuǎn)焊接，是焊縫成為整條拼縫。實(shí)踐證明，此方法翻轉(zhuǎn)次數(shù)少，焊接變形小，生產(chǎn)效率高。

2、焊縫數(shù)量的設(shè)置，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，為避免不必要的焊縫，應(yīng)盡量選用型鋼、沖壓件等代替焊件，并且要合理地選擇筋板的形狀，適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢?，?yōu)化肋板數(shù)量，力求通過(guò)減少肋板數(shù)量以及焊縫數(shù)量來(lái)減少焊接變形，并降低矯正變形的工作量。

3、焊縫位置的布置，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的焊接設(shè)計(jì)而言，焊縫位置的設(shè)計(jì)尤為重要。由于焊縫橫向收縮通常比縱向收縮顯著，因此焊縫的位置應(yīng)盡可能同其橫向收縮相對(duì)稱，將焊縫布置在平行于最小焊接變形量的方向上或者盡量同構(gòu)件截面的中心線（或軸線）相接近，同時(shí)，焊縫之間需保持足夠的距離，盡量避免布置在應(yīng)力嚴(yán)重的區(qū)域，并防止三軸交叉的焊縫出現(xiàn)。這樣可以有效減少鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，尤其是針對(duì)梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的扭曲變形具有良好的控制效果。

二、施工階段

在鋼結(jié)構(gòu)的施焊過(guò)程中，以設(shè)計(jì)階段確定的焊縫形式，布置方式為依據(jù)，通過(guò)科學(xué)合理的焊接工藝，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行有效控制。施焊過(guò)程中控制焊接變形的主要工藝有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。

1、焊接方法以及焊接規(guī)范的選用

在施焊過(guò)程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其使用要求，可以選擇合適的且熱能量較低的焊接方法以及科學(xué)合理的焊接規(guī)范參數(shù)以有效地防止焊接變形。

2、合理的施焊順序，

對(duì)于焊縫較多的構(gòu)件，組焊時(shí)要采取合理的焊接順序，從而減小焊接應(yīng)力集中，防止焊接變形。如針對(duì)腹板較寬需多塊鋼板拼接時(shí)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)和焊縫的布置，先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫。如圖，圖中有四處焊縫，應(yīng)先焊橫焊縫，后焊縱焊縫。其中，焊縫編號(hào)1、2、3互換焊接順序，但焊縫編號(hào)4必須再其他焊縫焊接完成后才可以進(jìn)行，這是因?yàn)?、2、3號(hào)焊縫焊接完成后產(chǎn)生的橫向收縮，會(huì)在焊接4號(hào)焊縫時(shí)，與4號(hào)焊縫產(chǎn)生的縱向收縮相互作用，促使橫向收縮得到釋放。而如果全部點(diǎn)焊后不按照合理的順序進(jìn)行焊接，在丁字口處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且鋼板焊后易產(chǎn)生波浪狀變形。

焊接順序?qū)附討?yīng)力以及焊接變形具有重要影響，通過(guò)改變焊縫的焊接順序，可以控制殘?jiān)茟?yīng)力的分布規(guī)律，并在一定程度上影響殘余應(yīng)力整體幅值的大小。同時(shí)，合理的焊接順序?qū)O大減少焊接變形程度，并在多段焊時(shí)，作用尤其明顯。

3、各施焊措施作用

采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可有效降低殘余應(yīng)力并減小焊接變形。其中，采用隨焊兩側(cè)加熱措施，可以使焊縫的橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和最大剪切應(yīng)變的分布更加均勻，變化也愈加平緩，從而起到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的作用。而隨焊碾壓法，由于設(shè)備復(fù)雜、使用不便等原因，在生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。另外隨焊激冷法可以產(chǎn)生壓應(yīng)變以抵消導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的拉應(yīng)變，抑制了焊接熱裂紋的產(chǎn)生，從而顯著地降低殘余應(yīng)力以及減少焊接變形。

三、矯正階段

在鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，由于其構(gòu)件復(fù)雜，致使焊接工程量增多，又因?yàn)楹附邮莻€(gè)高溫受熱的過(guò)程，根據(jù)熱的可導(dǎo)的特點(diǎn)，在密集的焊接作業(yè)，構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)將或多或少都要受到影響，鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形將更加難以掌控。因此，在鋼結(jié)構(gòu)焊接結(jié)束后需及時(shí)通過(guò)矯正減小或消除焊接變形。

焊后矯正措施主要有加熱矯正法和機(jī)械矯正法。其中加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。整體熱矯正是指將構(gòu)件整體加熱至一定溫度溫度后，再進(jìn)行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。而局部熱矯正是利用火焰局部對(duì)焊接構(gòu)件局部加熱，使其受熱后收縮，同時(shí)受構(gòu)件本身剛性約束，產(chǎn)生了局部壓縮的塑性變形，待構(gòu)件冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長(zhǎng)變形，達(dá)到矯正目的。此方法簡(jiǎn)便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。另外機(jī)械矯正法是利用機(jī)械力的作用，以矯正焊接變形，常采用手工錘擊、 壓力機(jī)、 千斤頂?shù)仁┘訅毫Γ猿C正構(gòu)件變形。矯正時(shí)，將構(gòu)件變形部位放在兩支撐之間， 對(duì)準(zhǔn)構(gòu)件凸出部位緩慢施力，即可矯正變形。

最后，矯正時(shí)要遵守以下原則：先總體，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后副件。

四、結(jié)語(yǔ)

由于焊接受熱的特殊性，本文雖優(yōu)選了幾種措施，并將其系統(tǒng)化，但仍存在一些不足。比如：技術(shù)復(fù)雜、成本較大、效率低下等。因此，為使控制焊接變形的措施更加簡(jiǎn)潔、實(shí)用，各大高校、研究所仍針對(duì)焊接的特性進(jìn)行探索研究。相信隨著我國(guó)科研力量的提升，控制焊接變形的措施也將更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)， 建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)【M】北京. 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2002.

[2] 王者昌. 焊接應(yīng)力變形原理若干問(wèn)題的探討【J】. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27（8）：73-76.

[3] 郭榮玲， 馬淑娟. 鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制與檢測(cè)【M】機(jī)械工業(yè)出版社， 2007.

[4] 王紅兵， 黃正東. 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的成因及矯正方法【J】. 建筑， 2010，（08）：52-54.

[5] 張明軒. 鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量控制【J】. 鋼結(jié)構(gòu)， 2004，06.