論鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及控制措施

張平

摘要：鋼結(jié)構(gòu)焊接在很多領(lǐng)域、工藝產(chǎn)品都有用到，隨著應(yīng)用的越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的焊接變形也越來越受到人們的重視，本文針對焊接過程中由于焊接環(huán)境、焊接方法、人為因素等原因而產(chǎn)生變形，提出了防止焊接變形的控制措施。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接變形;應(yīng)力;控制措施

1前言

鋼結(jié)構(gòu)在焊接操作時，由于快速產(chǎn)生的熱量，使得焊縫及焊縫附近的溫度變得很高，而離焊較遠(yuǎn)的部分又溫度較低，阻礙了焊縫附近處的熱膨脹，因此焊縫就產(chǎn)生了不同程度縱向和橫向收縮及內(nèi)應(yīng)力，直接導(dǎo)致了焊件的變形。同時，金屬在焊接受熱時材質(zhì)內(nèi)部晶粒組織轉(zhuǎn)變而引起的體積變化也可能引起焊件的變形。本文針對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，詳細(xì)介紹了其變形形式及控制方法。

2鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的常見種類及其原因

2.1? 鋼結(jié)構(gòu)焊接的變形形式

焊接變形的基本形式有：⑴、收縮變形;⑵、角變形;⑶、彎曲變形;⑷、扭曲變形;⑸波浪變形。也有一件結(jié)構(gòu)件同時出現(xiàn)多種變形的情況。具體變形的形式見圖1

2.2? 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的主要原因

造成鋼結(jié)構(gòu)焊接后變形的原因有很多，其最主要的因素有焊接時熱膨脹不一、各個點的溫度不均勻、焊點材質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的晶粒組織轉(zhuǎn)變、人為的因素等。多種因素影響下，鋼結(jié)構(gòu)焊接時便會產(chǎn)生各種各樣的焊接變形。它們的成因主要有：.

（1）?? 縱向的焊縫和橫向的焊縫在焊接冷卻后，收縮所引起的長度縮短和寬度變窄而產(chǎn)生的變形為收縮變形;

（2）?? 結(jié)構(gòu)件板材坡口對接布置不對稱，焊縫受熱后冷卻收縮量不均所引起的變形為角變形;

（3）?? 在焊接過程中，由于不合理的焊接方向和焊接順序所引起的焊接變形為扭曲變形;

（4）?? 薄板焊接時，母材在受到內(nèi)部壓應(yīng)力及冷卻后焊縫收縮而失穩(wěn)后，使構(gòu)件產(chǎn)生的變形為波浪變形;

（5）?? 焊縫在焊接冷卻后，橫向的收縮及縱向的收縮與鋼結(jié)構(gòu)件的中軸不對稱，所造成的工件整體彎曲的變形，我們稱為彎曲變形。

3???? 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形影響因素

鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形的因素主要有設(shè)計和工藝兩個方面，我們總結(jié)歸納如下：

（1）?? 焊縫截面積大小的影響：焊縫截面積是指焊縫熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。通常情況下，焊縫截面積越大或焊接坡口尺寸越大，焊后冷卻時收縮變形量越大。

（2）?? 焊接電源選擇的影響：一般情況下，焊接時接線能量與焊接變形是成正比的。焊接過程中，在熱輸入大時，造成該區(qū)域溫度過高，冷卻的時間也就相對較慢，使的結(jié)構(gòu)件接頭塑性變形區(qū)增大。

（3）?? 層間的溫度及預(yù)熱的影響：層間溫度是多道焊縫在焊接下一焊道之前的瞬時溫度，也叫道間溫度。層間溫度過高會引起焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大，而引起的體積變化。因此，我們在焊接之前都要對工件進(jìn)行預(yù)熱工作，使鋼結(jié)構(gòu)能快速的適應(yīng)焊接時的溫度。對于普通碳鋼，層間溫度要求低于250℃，普通奧氏體不銹鋼，層間溫度要求低于150℃。在預(yù)熱過程中，我們要根據(jù)母材的材質(zhì)及厚薄，掌握好預(yù)熱的大小和范圍。預(yù)熱的范圍一般是在焊縫兩側(cè)各100～250mm范圍內(nèi)，最好采用背面加熱的方法。

（4）不同焊接方法的影響：對于相同的工件、相同的焊縫，不同的焊接方法，所造成的焊接變形也是不同的。金屬焊接方法有40種以上，常用的有CO2保護(hù)焊、電弧焊、激光焊接、氧氣- 乙炔焊、電渣壓力焊等多種，其中電渣壓力焊熱量輸入最大，因此所造成的變形也最大，電弧焊熱量輸入居中，CO2保護(hù)焊則最小，所造成的變形量也就較小。

（5）?? 焊縫的位置的影響：在鋼結(jié)構(gòu)件設(shè)計中，焊縫位置的選擇，要綜合考慮工件結(jié)構(gòu)、板材材質(zhì)、厚薄、工作環(huán)境等因素。位置不同、分布點不同，施焊過程中方法、角度都會有所不同，所造成的變形也會有所不同。

（6）?? 結(jié)構(gòu)剛性的影響：結(jié)構(gòu)剛性的大小，也就是鋼結(jié)構(gòu)的形狀和截面積的大小，通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)的形狀大、截面積大，焊接變形就小，鋼結(jié)構(gòu)的形狀小、截面積小，焊接變形就大。

（7）?? 焊接順序和裝配的影響：在實際焊接操作中，我們會遇到一邊裝配、一邊施焊的情況，這種焊接變形量較大。也會整體裝配完后，再進(jìn)行焊接，這種焊接變形量就相對較小。

4???? 防止和減少鋼結(jié)構(gòu)變形的方法

到目前為止，焊接產(chǎn)生變形是不可避免的，這已成為焊接工藝的一大難點。我們在了解焊接變形的主要原因及影響因素后，就可優(yōu)化設(shè)計及工藝，最大限度的降低各種焊接變形。具體方法如下：

（1）?? 在焊接作業(yè)前，首先應(yīng)保持焊接環(huán)境的清潔、光線良好，濕度要小于80%，溫度要大于5℃，冬季或溫度過低時，要對工件進(jìn)行預(yù)熱。其次要清理干凈母材焊縫表面夾渣、氧化皮、飛濺等污物，避免出現(xiàn)焊縫質(zhì)量不佳、不連貫，一點多焊的情況。

（2）?? 根據(jù)結(jié)構(gòu)件外形，合理地設(shè)計焊縫的位置及尺寸;我們可參照AWS（設(shè)計計算手冊）標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選尺寸較小，但能達(dá)到工件承載要求的焊縫，盡量減少焊縫截面積。焊縫的位置盡量與工件中軸線對稱或接近，各焊縫也盡量對稱布置、避免密集、交叉。無特殊要求，兩道焊縫的距離最好不小于100mm，要能避開各焊接殘余應(yīng)力，這樣還可以便于觀察與施焊。在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提下，還可采取焊100mm，間隔100mm，在焊100mm的花焊的形式，盡量減少焊接工作量。

（3）?? 采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?在文章前面我們已提到很多焊接方法，每一種焊接方法都有各自的優(yōu)缺點，但根據(jù)實際工作經(jīng)驗來看，CO2氣體保護(hù)焊是控制焊接變形，較好的一種焊接方法，其角變形量為5‰，而不平度只有3‰。

（4）?? 焊縫坡口的合理選擇;母材厚度不超過6mm時，可以不開焊接坡口，反之必須開坡口。開坡口的原則是：a、坡口加工要方便，有利于焊接操作;b、坡口截面積要最小，盡量減少焊縫金屬的熔敷量;c、為使根部焊透，保證焊接強(qiáng)度，減少焊接變形，一般都會在坡口根部預(yù)留一定的根部間隙。一般常見的坡口有V型、I型、U型、X型等，我們對于厚板的對接接頭應(yīng)優(yōu)選X型或U型坡口，對于薄板應(yīng)優(yōu)選用V型坡口。

（5）?? 焊接順序的選擇及方向，要掌握以下基本原則：a、先兩端，后中間;先內(nèi)部，后外部;b、先焊短的焊縫，后焊長的焊縫;c、先焊焊縫少的一面，再焊焊縫多的一面;d、由中間向兩側(cè)對稱進(jìn)行焊接。

（6）?? 針對工件的角變形和彎曲變形;通常采用反變形方法控制焊后的變形。首先要分析工件焊后可能產(chǎn)生的變形量與變形方向，人為的給工件制造一個反向變形，以此來抵消正常施焊時產(chǎn)生的變形。

（7）?? 預(yù)拉伸法;此法主要針對于薄板平面構(gòu)件。薄板焊接時先將其拉伸與伸長，這時，在張緊的薄板上裝配焊接骨架，再去除預(yù)拉伸，薄板則恢復(fù)拉伸初的狀態(tài)。

（8）?? 剛性固定組裝法;此法也主要適用于薄板工件，是指在施焊時，將工件固定在有足夠剛性的工裝上，使工件在焊接時不能移動，待焊接冷卻后，再將工件放開，此時工件的變形量要比自由狀態(tài)下焊接的變形量要小很多。

5鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的矯正方法

我們在了解了防止變形的種種方法后，只要操作得當(dāng)，雖然能大大降低焊后變形，能控制在合理的公差范圍內(nèi)，但在實際工作中，總是難免會出現(xiàn)焊后變形超出分差范圍的情況，此時，就需要我們進(jìn)行矯正處理。最常用焊后變形的矯正方法有：機(jī)械矯正法、加熱矯正法兩種。

5.1 機(jī)械矯正法

機(jī)械矯正法也叫冷矯正法，是利用各種壓力機(jī)械、千斤頂或人工進(jìn)行錘打的一種矯正方法，機(jī)械矯正法只能用于塑性良好的材料，如低碳鋼結(jié)構(gòu)件，因為機(jī)械矯正時，矯正金屬的容易冷作硬化，強(qiáng)制矯正易使工件產(chǎn)生裂紋;要想矯正合金鋼結(jié)構(gòu)件，則必需要先消除其內(nèi)應(yīng)力;薄板波浪變形則多采用人工錘打的方法。

5.2 加熱矯正法

加熱矯正法是利用點狀、線狀、三角狀等不均勻的加熱使結(jié)構(gòu)反向變形來補(bǔ)償或抵消原來的焊接變形。有時也輔以澆水急冷、木錘錘擊的方法。加熱矯正法加熱溫度的控制非常重要，普通低碳鋼、合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)，通常采用650～800℃的加熱溫度，一般不宜超過900℃。

6結(jié)束語

綜合分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的種類、原因、影響因素及防止變形的方法，我們在實際操作中，就可以不斷改善其設(shè)計工藝，最大限度的避免焊接變形帶來的危害，從而提高鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的質(zhì)量與強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂仲.韓巧珍.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制《.電焊機(jī)》.2011年 8期.