H型鋼焊接變形的控制與矯正

潘以明

摘要：H型鋼承載能力大，截面穩(wěn)定性好適合大型建筑，如廠房、高層建筑、橋梁等。但是焊后變形矯正關(guān)系到整體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，是鋼結(jié)構(gòu)制作過程中的一個重要環(huán)節(jié)，通過分析H型鋼的常見焊接變形及其原因，提出了行之有效的預(yù)防和控制方法。

關(guān)鍵詞：H型鋼；焊接；變形；矯正；加熱方式

鋼結(jié)構(gòu)以其造價低、跨度大、施工周期短、外觀新穎別致、總體質(zhì)量輕、抗震性能好、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)。H型鋼是一種新型經(jīng)濟(jì)建筑用鋼，由于其截面形狀經(jīng)濟(jì)合理，力學(xué)性能好，常用于要求承載能力大，截面穩(wěn)定性好的大型建筑，如廠房、高層建筑、橋梁等。

H型鋼的制作，普遍采用焊接，且對于一些重要焊縫一般都采用全熔透焊接，金屬焊接時在局部加熱，融化過程中，加熱區(qū)的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產(chǎn)生焊接過程中的瞬時應(yīng)力。冷卻到原始溫度后，整個接頭區(qū)焊縫及近縫區(qū)的拉應(yīng)力區(qū)與母材在壓應(yīng)力區(qū)數(shù)值達(dá)到平衡，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)本身的焊接殘余應(yīng)力。此時，在焊接應(yīng)力的作用下焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生多種形式的變形。如果焊接變形不予以矯正，則不僅影響結(jié)構(gòu)整體安裝，還會降低工程的安全可靠性。焊接鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形超過技術(shù)設(shè)計允許變形范圍，就應(yīng)設(shè)法進(jìn)行矯正，使其達(dá)到符合產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

一、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的形式與原因

鋼結(jié)構(gòu)焊接后發(fā)生的變形大致可分為兩種情況：即整體結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)局部的變形。整體結(jié)構(gòu)的變形包括結(jié)構(gòu)的縱向和橫向縮短和彎曲。局部變形表現(xiàn)為凸彎、波浪形、角變形多種。

H型鋼焊接變形基本形式有以下幾種：板材坡口對焊后產(chǎn)生的長度縮短（縱向收縮）和寬度變窄（橫向收縮）的變形；板材坡口對接焊接后產(chǎn)生的角變形；焊接構(gòu)件的角變形沿構(gòu)件縱軸方向數(shù)值不同及構(gòu)件翼緣與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形；由于焊縫的縱向和橫向收縮相對于構(gòu)件的中和軸不對稱引起構(gòu)件的整體彎曲，此種變形為彎曲變形。

這些變形都是基本的變形形式，各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形都是這些基本變形的發(fā)展，轉(zhuǎn)化和綜合。

二、防止和減少結(jié)構(gòu)變形的措施：

減小焊縫截面積：在得到完好，無超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸（角度和間隙）。

對屈服強(qiáng)度345Mpa以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱層間溫度，優(yōu)先采用熱能輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊。

（一）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。

雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構(gòu)件中和軸對稱的焊接順序。

（1）T型接頭板厚較大時采用開坡口角對接焊縫。

采用焊前反變形方法控制焊后的角變形，此法是生產(chǎn)中最常見的一種方法，預(yù)先把焊件做出基本抵消（補(bǔ)償）焊后彎曲的反變形，來達(dá)到防止焊后變形的目的。

剛性固定法：又稱為強(qiáng)制法。在實(shí)際制作中，對于剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少。對剛性小的構(gòu)件可在焊前加強(qiáng)構(gòu)件剛性，焊后變形也相應(yīng)減小。在采用這種方法時，必須等焊接冷卻后再把夾具和支撐卸去。幾種常見的方法有夾具法，支撐法，胎具法，臨時固定法，定位焊接法。

（2）采用構(gòu)件預(yù)留長度法補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形。

設(shè)計上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；合理布置焊縫，除了要避免韓峰密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸對稱。

正確選擇焊接順序。在鋼結(jié)構(gòu)中同時存在對焊縫和角焊縫時，原則上先焊對焊縫，反焊角焊縫。對十字型焊縫和T型焊縫。更應(yīng)采取正確的順序，避免焊接應(yīng)力集中，保證接頭焊接質(zhì)量。采取對稱于整個鋼結(jié)構(gòu)的中和軸的焊接和采取從中間向兩端焊接，對于減少變形十分有利。對鋼結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度要求高的重要部位焊接，應(yīng)盡量使接頭能自由收縮，不受約束。

三、焊接變形的焊后矯正方法：

為了達(dá)到設(shè)計規(guī)范的要求，發(fā)生了焊接變形的焊接結(jié)構(gòu)件必須矯正。從另外一個角度來解釋，這種矯正實(shí)質(zhì)上都是設(shè)法造成新的變形來補(bǔ)償或抵銷已發(fā)生的變形。在施工生產(chǎn)中，最常用的焊后殘余變形的矯正方法可以分為施力矯正和加熱矯正以及兩種方法的結(jié)合應(yīng)用。

（一）施力矯正法：

施力矯正一般用千斤頂，螺旋加力器，輥壓矯正機(jī)或在大型壓力機(jī)上完成。

（二）加熱矯正法（火焰矯正法）：

火焰矯正法是利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后縮短來消除變形。此方法操作簡單，機(jī)動靈活，適用面廣?；鹧娉C正法的加熱方法可分為點(diǎn)狀加熱、線狀加熱、三角形加熱?；鹧娉C正能消除很多施力矯正無法解決的變形，掌握火焰局部加熱引起的變形的規(guī)律是做好矯正的關(guān)鍵，決定火焰矯正效果主要是加熱的位置和加熱的溫度。低碳鋼和普通合金的焊接結(jié)構(gòu)通常采用650～800度的加熱溫度，一般不宜超過900度。由于需要再次加熱，對合金鋼等慎用。

注意事項：火焰矯正時加熱溫度不宜過高，過高會引起金屬變脆、影響沖擊韌性。16Mn在高溫矯正時不可用水冷卻，包括厚度或淬硬傾向較大的鋼材。

四、翼緣板的角變形

矯正H型鋼角變形。在翼緣板上面（對準(zhǔn)焊縫外）縱向線狀加熱（加熱溫度控制在650度以下），注意加熱范圍不超過兩焊腳所控制的范圍，所以不用水冷卻。線狀加熱時要注意：（1）不應(yīng)在同一位置反復(fù)加熱；（2）加熱過程中不要進(jìn)行澆水。這兩點(diǎn)是火焰矯正一般原則。

H型鋼的上拱與下?lián)霞皬澢谝砭壈迳希瑢χv長焊縫，由中間向兩端作線狀加熱，即可矯正彎曲變形。為避免產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，兩條加熱帶要同比進(jìn)行?？刹扇〉蜏爻C正或中文矯正法。這種方法有利于減少焊接內(nèi)應(yīng)力，但這種方法在縱向收縮的同時有較大的橫向收縮，較難掌握。

翼緣板上作線狀加熱，在腹板上作三角形加熱。用這種方法矯正H型鋼的彎曲變形，效果顯著，橫向線狀加熱寬度一般取20～90mm，板厚小時，加熱寬度要窄一些，加熱過程應(yīng)由寬度中間向兩邊擴(kuò)展。線狀加熱最好由兩人同時操作進(jìn)行，再分別加熱三角形。三角形的加熱寬度不應(yīng)超過板厚的2倍，三角形的底與對應(yīng)的翼板上線狀加熱寬度相等。加熱三角形從頂部開始，然后從中心向兩邊擴(kuò)展，一層層加熱直到三角形的底為止。加熱腹板時的溫度不能太高，否則造成凹陷變形，很難修復(fù)。

注：以上三角形加熱方法同樣適用于構(gòu)件的旁彎矯正。加熱時應(yīng)采用中溫矯正，澆水要少。

五、H型鋼腹板的波浪變形

矯正波浪變形首先要找出凸起的波峰，用圓點(diǎn)加熱法配合手錘矯正。加熱圓點(diǎn)的直徑一般為50～90mm，當(dāng)鋼板厚度或波浪形面積較大時直徑也應(yīng)放大，可按d=4&+10）mm（d為加熱點(diǎn)直徑，&為板厚）計算得出值加熱?？咀鞆牟ǚ迤鹱髀菪我苿硬捎弥袦爻C正。當(dāng)溫度達(dá)到600～700度時，將手錘放在加熱區(qū)邊緣處，再用大錘擊手錘，使加熱區(qū)金屬受擠壓，冷卻收縮后被拉平。矯正時應(yīng)避免產(chǎn)生過大的收縮應(yīng)力。矯完一個圓點(diǎn)后再進(jìn)行加熱第二個波峰點(diǎn)，方法同上。為加快冷卻速度，可對Q235鋼材進(jìn)行加水冷卻。這種矯正方法屬于點(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。注意溫度不要超過750度。

結(jié)束語

火焰矯正一起的應(yīng)力與焊接內(nèi)應(yīng)力一樣都是內(nèi)應(yīng)力。不恰當(dāng)?shù)某C正產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接內(nèi)應(yīng)力和負(fù)載應(yīng)力迭加，會使H型鋼的縱應(yīng)力超過允許應(yīng)力，從而導(dǎo)致承載安全系數(shù)的降低。因此在鋼結(jié)構(gòu)制作中一定要慎重，盡量采用合理的工藝措施減少變形，矯正時盡量可能機(jī)械矯正。

總之，焊接變形在一定程度上可以減少，不可避免的焊接變形采用合理的矯正辦法進(jìn)行矯正，這樣才能使其達(dá)到符合產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

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（作者單位：武漢鐵路橋梁高級技工學(xué)校）