橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的研究與防治

王勇 杜文劍 張?chǎng)瘟?/p>

摘要：焊接作為鋼結(jié)構(gòu)制造和連接的主要技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝中得到了廣泛的應(yīng)用。但焊接變形不僅影響鋼結(jié)構(gòu)的外觀和性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成焊接件的浪費(fèi)，給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。在鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基礎(chǔ)上，提出了控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的對(duì)策。有助于提高鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼結(jié)構(gòu)；焊接；變形；矯正

引言：

目前，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑、火車站雨棚、橋梁等建筑中。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、施工速度快、外觀新穎、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)主要是鋼板、H型鋼柱和鋼管，采用焊接連接。由于焊接過程是在高溫下由熔化極或其他焊接物體連接的，因此必須產(chǎn)生非常高的溫度，并且鋼在溫度的影響下變化很大，這將導(dǎo)致變形。如果焊接變形不采取措施，安裝過程中會(huì)出現(xiàn)偏差，影響工作效率。同時(shí)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)有很大的影響。鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的變化。影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形概述

焊接變形是指施焊電弧引起的變形和焊接后鋼結(jié)構(gòu)的殘余變形。在這兩種變形中，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：彎曲變形、角變形、扭曲變形、收縮變形、波浪變形以及錯(cuò)邊變形。在這些變形類型中，除了波浪變形和角變形屬于局部變形之外，其它類型的變形屬于整體變形。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形類型多為整體變形。

2.橋梁鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)對(duì)變形的有效控制辦法

2.1科學(xué)設(shè)計(jì)焊接節(jié)點(diǎn)

焊接主要是根據(jù)以前設(shè)計(jì)的焊接接頭圖進(jìn)行焊接操作。因此，有必要對(duì)焊接接頭進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，找到合理的焊接位置。在焊接過程中，焊縫的數(shù)量、位置和尺寸直接關(guān)系到附近焊縫的膨脹。焊接接頭的數(shù)量越多，分布越密集，變形越復(fù)雜。焊縫尺寸越大，對(duì)附近零件的影響越大，變形越大。因此，焊接接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)減少焊接次數(shù)，并盡量將焊縫尺寸控制在最小范圍內(nèi)。特別是在坡口焊接設(shè)計(jì)中，必須考慮坡口形狀和尺寸的選擇，以保證其承載能力，并估計(jì)焊接變形，避免焊縫過集中。例如，在實(shí)踐中，如果需要在兩側(cè)焊接接頭，焊接位置應(yīng)盡可能設(shè)置為軸對(duì)稱，這樣可以有效地減小變形，保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)的形狀。

2.2利用反變形法

焊接完成后，由于熱膨脹和冷收縮的影響，焊縫在冷卻過程中會(huì)收縮，從而減小了焊接尺寸。因此，該方法通常用于大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接。反變形法是指在裝配過程中，結(jié)合焊接工藝試驗(yàn)和焊接經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)件可以反變形方向進(jìn)行預(yù)變形，預(yù)變形的尺寸和數(shù)量相同。因此，控制了焊接變形。使用此方法時(shí)，應(yīng)做好試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，結(jié)合焊縫的具體設(shè)計(jì)要求，調(diào)整焊接規(guī)范，使用相同材質(zhì)和規(guī)格的鋼板，并提前焊接試件。焊接冷卻至環(huán)境溫度后，必須測(cè)量法蘭的混凝土變形，并將具體值作為反向變形的相關(guān)參數(shù)。焊接形式及焊接角高度符合設(shè)計(jì)要求。焊接后冷卻溫度達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)，應(yīng)測(cè)量法蘭的混凝土變形。在翼板中心線處，用壓具壓出變形次數(shù)，使翼板兩端能提前顯示，焊接變形可偏移，使焊接后保持平整。

3、橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的矯正

3.1波浪變形火焰矯正

焊接波浪變形的矯正首選要找出凸起的波峰，并用圓點(diǎn)加熱法配合手錘矯正。加熱原點(diǎn)的直徑應(yīng)與鋼板厚度或波浪變形的面積大小成正比，但一般為5～ 9 cm。波浪變形的主要矯正方法是點(diǎn)狀加熱法，加熱點(diǎn)的分布可呈梅花形或鏈?zhǔn)矫茳c(diǎn)形。利用中溫矯正時(shí)烤嘴要從波峰起作螺旋形移動(dòng)；當(dāng)溫度在600 ℃～700 ℃時(shí)，在加熱區(qū)邊緣放置手錘，并用大錘擊打手錘，以擠壓加熱區(qū)金屬，使其冷卻收縮后被拉平。這種矯正應(yīng)注意的事項(xiàng)一是溫度控制在750 ℃內(nèi)。二是一個(gè)圓點(diǎn)矯正完后再加熱第二個(gè)波峰點(diǎn)，以避免產(chǎn)生過大的收縮應(yīng)力。三是可以采用加水冷卻Q235鋼材以加快冷卻速度。

3.2利用裝配和焊接順序來控制變形

焊接順序是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一，采用合理的裝配和焊接程序來減少變形，是一種防止變形發(fā)生的好辦法。安排焊接順序時(shí)應(yīng)注意下列原則：

首先，要盡量采用對(duì)稱焊接。對(duì)于具有對(duì)稱焊縫的工作，最好由成對(duì)的焊工對(duì)稱進(jìn)行焊接，從而使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。

其次，對(duì)某些焊縫布置不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊焊縫相對(duì)較少的一側(cè)。

再次，依據(jù)不同焊接順序的特點(diǎn)，以焊接程序控制焊接變形量。常見的焊接順序有分退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法以及分中對(duì)稱法五種。

3.3對(duì)于焊縫的合理選擇

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。④在對(duì)H 型鋼氣割成T型鋼時(shí)不能有間斷，這樣可以確保氣割過程中有相同的熱膨脹量。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。

3.4火焰矯正鋼結(jié)構(gòu)焊接變形

火焰矯正所使用的原理就是對(duì)剛結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次加熱使得變形的部位發(fā)生二次形變，和焊接的時(shí)候所發(fā)生的形變相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的矯正?；鹧婕訜岣鶕?jù)火焰的溫度不同分為中、低、高溫矯正。但是在實(shí)際操作中，金屬在高溫狀態(tài)下是不能夠被冷水激冷的，在激冷后整個(gè)金屬的結(jié)構(gòu)會(huì)變得很脆，使得金屬的塑性降低，其承載能力下降?；鹧娴臏囟茸詈檬歉鶕?jù)實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)材料和其所承受的載荷來確定。例如在對(duì)橋梁梁柱的鋼結(jié)構(gòu)的彎曲變形進(jìn)行矯正時(shí)，就盡可能的采取中低溫的火焰，而其翼緣板上面的長焊縫則必須要同時(shí)進(jìn)行加熱，避免產(chǎn)生受熱不均而向一邊彎曲或扭曲變形。

3.5機(jī)械矯正鋼鋼結(jié)構(gòu)焊接變形

機(jī)械矯正其實(shí)就是對(duì)已經(jīng)變形的鋼結(jié)構(gòu)施以外力，使得鋼結(jié)構(gòu)中原本伸長的部位縮短、展平，縮短的部位伸長。而對(duì)于焊縫收縮時(shí)，通常是使用錘子來對(duì)焊縫進(jìn)行打擊，使得焊縫在受到外力之后發(fā)生形變，而這一形變剛好和之前焊接的時(shí)候發(fā)生的形變相反，這樣便可以抵消原本的形變情況。在實(shí)際的生產(chǎn)中，對(duì)于某些使用錘擊還是無法糾正形變的時(shí)候可以使用壓力機(jī)來進(jìn)行糾正，利用高壓來時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)恢復(fù)成原來的樣子，但是切記一定要注意鋼結(jié)構(gòu)所能夠承受的壓力范圍，避免構(gòu)件損壞。

4、結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)焊接變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接變形，并對(duì)超出公差要求的焊接變形進(jìn)行矯正，從而既滿足鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求，又滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

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（作者單位：杭蕭鋼構(gòu)（山東）有限公司）