張杰

【摘 要】在鋼結構焊接過程中必然產生的殘余變形可能會對鋼結構接下來的制作過程造成影響，甚至會對整個鋼結構的施工進度及其施工質量帶來極大的影響，導致鋼結構承載能力的大幅度降低。文章對導致鋼結構焊接變形的因素、類型及其控制方法進行討論。

【關鍵詞】鋼結構；焊接；變形；影響；類型

1.鋼結構焊接變形的影響因素

導致鋼結構焊接變形有一種是在焊接時因為瞬間高溫而產生的變形，一種是在常溫冷卻時產生的變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結構和工藝三個方面。

1.1材料因素的影響

焊接變形關于材料這一個因素有兩方面，除了和焊接材料以外，母材也是一個因素，材料的熱物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)都是能夠引起焊接變形的因素，在變形的形成過程中起著重要作用。熱傳導系數(shù)是熱物理性能參數(shù)對變形這一結果的主要原因，一些變形的情況往往是因為，材料的熱傳導系數(shù)過低，溫度梯度太大所導致的。而力學性能所產生的影響就很復雜了，影響最多的是熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)越大，變形就越嚴重。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，擁有較大的彈性模量的材料，在焊接時變形會比較小，較高的屈服極限會引起較高的殘余應力，焊接結構存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減少。

1.2結構因素的影響

在焊接之前的設計工作也是影響焊接變形的一個關鍵因素，而且非常的復雜。越多的拘束力，焊接時就會出現(xiàn)更多的殘余應力，所以焊接變形就比較少，這個是總體原則。焊接結構的拘束度會隨著焊接變形而不斷改變，因為工件在焊接的時候，它的拘束度會不斷變化，加上外加拘束的影響，就會形成變拘束結構。一般情況下復雜結構自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導地位，而結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結構復雜程度的增加而增加，在設計焊接結構時，常需要采用筋板或加強板來提高結構的穩(wěn)定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區(qū)域，如筋板、加強板等，拘束度發(fā)生較大的變化，給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結構設計時針對結構板的厚度及筋板或加強筋的位置數(shù)量等進行優(yōu)化，對減小焊接變形有著十分重要的作用。

1.3工藝因素的影響

焊接工藝對焊接變形的影響是非常多樣化的，焊接的手法、電源的電流電壓、固定固件的手法、焊接的先后次序等等都是影響焊接變形的因素。其中焊接順序是比較突出的因素，所以在平時焊接時注意改變焊接次序能夠有效的改變殘余力的分布和狀態(tài)，起到減少變形的情況出現(xiàn)。

2.常見的焊接變形

焊接是一種不均勻的熱過程，鋼材不論在焊接的加熱還是冷卻過程中，都會產生變形。因此，焊接是鋼結構發(fā)生變形的一種主要因素。焊接變形有以下幾種基本形式：

2.1縱向變形

在鋼板冷卻的過程中，原來溫度高的部分被壓縮的多，因而冷卻后收縮的也多，因此產生的縱向收縮造成縱向變形。

2.2橫向變形

形成橫向變形的主因是板材的不均勻受熱。由于板材的不同部分的受熱不均，熱過程不同，因此在板材冷卻時，橫向收縮是不均勻的，這就造成了橫向變形。

2.3彎曲變形

彎曲變形在焊接中常出現(xiàn)的現(xiàn)象，它對結構的影響較大。鋼材的縱向收縮與橫向收縮都會產生彎曲變形。就是T形梁，翼緣板很厚，而腹板很薄時，也會產生特殊的彎曲變形。

2.4角變形

對較厚鋼板進行單面焊接時，焊接的這一側溫度高，背面溫度低，這樣在冷卻時，焊接的一側收縮較大。加熱區(qū)在橫向上的收縮，就引起了相對角度變化的角變形。

2.5波浪變形

也叫做褶皺變形，主要發(fā)生在薄鋼板構件中。薄鋼板冷卻收縮的時候，不同區(qū)域之間互相產生應力，應力較大時，薄鋼板就無法維持穩(wěn)定出現(xiàn)褶皺。

2.6扭曲變形

扭曲變形的產生原因很多，它是一個復雜的過程。主要表現(xiàn)是橫斷面發(fā)生了扭轉。

3.控制焊接變形的方法

在鋼結構的焊接過程中，要充分考慮變形的問題，通過合理的焊接方法，減少焊接變形。

3.1設計合理的焊縫

連接是鋼結構中的重要環(huán)節(jié)，連接的承載能力必須不小于鋼件的承載力，也就是說，焊縫與鋼件強度要相當。對于不同功能的焊縫要區(qū)別對待，受力焊縫是主要承受傳力的焊縫，強度要高；綴連焊縫主要起連接作用，它的應力可忽略不計，不過抗裂能力和延展性能要求較高，因此強度可適當減小，韌性適當提高。

從尺寸上說，焊縫的尺寸不宜過大。因為過大的尺寸增加了焊接變形，也增大了工作量。所以，在保證強度的前提下，應盡量減小焊縫尺寸。對于T型接頭，以使用開坡口焊接接頭為宜。優(yōu)化焊縫的布局，可以減少變形，主要注意以下幾點：焊縫布置要對稱，焊縫長度要減小，焊縫布局不宜過分密集，對于互相平行的焊縫要保證距離，最后，要結合情況采用不同的坡口。

3.2焊接的準備工作

鋼件不能隨意擺放，要平整的放置。要為鋼件提供數(shù)量足夠，位置合理的支撐點。否則，焊接過程中鋼件的自重會引起變形。為了補償焊機后的收縮，放樣和下料必須要留出余量，余量大小視工藝和情況而定。

3.3合理的裝配和焊接順序

要有標準的水平平臺，用于制作和拼接鋼件，這樣保證了構件的平直。小件可以一次裝配，先定位焊接一遍，再按順序一次完成。大型鋼結構要先將小件組焊，然后，總體裝配，之后再焊接。拼裝過程中要注意避免過大的外力強制組對，防止焊件的變形。對接口的間隙，搭接長度，坡口角度連接要合理。對稱的焊件具有對稱分布的焊縫，對稱焊接可以將焊接變形互相抵消和簡化。但是由于焊接順序依然是有先有后的，先期的焊縫變形大，后期的焊縫變形小，這樣對稱焊接依然會產生變形，所以，焊接順序不能隨便安排。在焊接過程中，對稱的構件要先裝配好，再由成對的焊工對應的同時焊接。有些鋼結構很難同時對稱的焊接，此時，只能將焊縫先后焊接，不過依然可以通過順序的合理安排減少變形。對于焊縫不對稱的結構，保證焊縫少的一側先焊，焊縫多的一側后焊，這樣就仍然可以通過焊接順序的合理安排來減少形變。

3.4選擇合理的焊接工藝

焊接時能量越小，焊接后變形就越小，因此，要盡量用多層焊、小焊條，電流、速度要控制得當。焊接鋼件時，先焊短縫后焊長縫，先焊立角焊后焊平角焊，先焊對接縫后焊角接縫；先縱后橫，先內后外，先中后邊。長焊縫采取斷續(xù)焊，1m左右的焊縫用分中對稱焊法，1.5m以上采取逐步退焊法和跳焊法等。采取斷續(xù)焊法時，由于焊接接頭比較多，易產生缺陷，要仔細操作，保證質量。

3.5適當應用預熱法

在焊前可以對焊件進行加熱，局部預熱或整體預熱之后再進行焊接。這樣能減少焊接應力，預防變形。預熱溫度視焊而定，一般在80～200℃。

3.6剛性固定法

剛性固定法是指焊接時將構件用夾具等固定在具有一定強度的工作臺上，這樣，構件在受熱時與冷卻時收到約束，變形被外力所限制。這種方法適用于塑性較好的材料和厚度在10mm以下的薄板。常用的幾種剛性固定法有卡具夾緊法，定位焊固法胎具焊接法和局部加固法。

4.焊接變形的矯正

鋼結構焊接變形的因素很多，當焊接變形難以避免或構件的變形程度超過設計要求時，必須進行矯正。通常焊接變形的矯正可分為冷加工法和熱加工法兩種。

（1）冷加工法也叫機械矯正法，是使用機械力的作用，對焊接變形進行矯正，一般適用于小尺寸焊件或變形程度較小的焊件，常用器具有千斤頂、壓力機、矯板機等。矯正時，先將焊件固定在支撐之間，再對構件施加與焊接變形方向相反的力，使其產生相反的塑性變形，補償原來的變形即可。注意，冷加工法不適用于脆性傾向較大的鋼材料。

（2）熱加工法也叫火焰矯正法，是利用火焰的溫度對鋼材局部進行加熱，在其冷卻時，產生新的局部形變，從而抵消舊的形變，達到矯正的目的。正確的選取加熱位置，溫度以及冷卻時間可以獲得很好的矯正效果。加熱溫度越高，矯正能力越強大，加熱溫度越低，矯正能力越弱，要結合實際情況合理選擇加熱溫度，一般應控制在600℃到800℃之間，不超過900℃，常使用氣焊焊炬加熱。熱加工法適用于低碳鋼結構和部分普通低合金鋼結構。

火焰矯正法的加熱方法有點狀加熱，線狀加熱和三角形加熱三種。點狀加熱主要適用于矯正板料的凸凹變形，要根據(jù)鋼板自身的厚度，材料和變形程度確定加熱點的直徑，數(shù)量和間距。一般情況下鋼板厚度越大，變形越大，加熱點越多，直徑越大，間距越小。加熱點直徑一般在10mm到30mm之間，相互距離一般為50～100mm，排布形狀往往采用梅花形狀。線狀加熱有三種基本形式：直線加熱、曲線加熱和環(huán)線加熱，具體應用時應酌情選擇。三角形加熱主要用于工資鋼梁和框架結構的彎曲變形。

5.結束語

總結了施工中鋼結構焊接變形的主要種類，控制要點和矯正方法，這些經驗在過去的幾次大型鋼結構工程中起到了很好的預防和指導作用。鋼結構的焊接形變在工程中經常發(fā)生，且影響質量，危害很大，必須注重控制和矯正。

【參考文獻】

[1]張家旭.鋼結構的變形與矯正[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[2]陳志華.建筑鋼結構設計[M].天津：天津大學出版社，2004.

[3]劉慶格，尹彥強.淺談對鋼結構焊接變形的控制[J].河北建筑工程學院學報，2004，22（2）：54-55.