淺談建筑鋼結構焊接變形控制措施

陳琦 應奇云

摘要： 本文從設計階段、施工階段和矯正階段三個方面進行探討，分析論述各個階段控制焊接變形的措施。

關鍵詞：焊接；焊接變形；控制措施

前言 ：在焊接過程中，受熱傳導等因素的影響，工件很容易發生焊接變形，從而降低了焊接質量以及結構的承載力。所以，在結構復雜的建筑中，若無法控制焊接的變形程度，將嚴重破壞結構的穩定性。鋼結構的建設需要大量的焊接，因此需嚴格控制焊接質量。但是，在焊接過程中由于熱傳導等因素的影響，不可避免的出現焊接變形，引起焊接質量下降。為此，探討分析控制焊接變形的各種措施，并將其系統化分類，從鋼結構建設的設計、施工到焊接完成后矯正三個方面，系統性論述焊接過程中的控制措施，從而減小焊接變形，保證焊接質量。

一、設計階段

在鋼結構前期設計中，通過對其焊接變形成因的分析，選擇合理的焊縫坡口、數量、位置等，從而設計出減小焊接變形的科學焊接形式。

1、焊縫坡口的設置，坡口是根據設計或工藝的需求，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，不至于根部被燒穿。常用的坡口形式其優缺點如下：

對鋼結構的焊接而言，當結構具備足夠的承載力時，科學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構的焊接變形。 例如：對于拼接焊縫，特別是板材較厚的拼接焊縫，為減少其焊接變形，須將坡口設置成非對稱坡口。其施焊工藝為，先對坡口較深的一側的1/3，翻轉焊件背面，待焊接完成后，再翻過來焊接剩余的2/3，通過兩次翻轉焊接，是焊縫成為整條拼縫。實踐證明，此方法翻轉次數少，焊接變形小，生產效率高。

2、焊縫數量的設置，在設計焊接結構時，為避免不必要的焊縫，應盡量選用型鋼、沖壓件等代替焊件，并且要合理地選擇筋板的形狀，適當地安排筋板的位置，優化肋板數量，力求通過減少肋板數量以及焊縫數量來減少焊接變形，并降低矯正變形的工作量。

3、焊縫位置的布置，對于鋼結構的焊接設計而言，焊縫位置的設計尤為重要。由于焊縫橫向收縮通常比縱向收縮顯著，因此焊縫的位置應盡可能同其橫向收縮相對稱，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件截面的中心線（或軸線）相接近，同時，焊縫之間需保持足夠的距離，盡量避免布置在應力嚴重的區域，并防止三軸交叉的焊縫出現。這樣可以有效減少鋼結構的焊接變形，尤其是針對梁、柱等類型結構的扭曲變形具有良好的控制效果。

二、施工階段

在鋼結構的施焊過程中，以設計階段確定的焊縫形式，布置方式為依據，通過科學合理的焊接工藝，對鋼結構的焊接變形進行有效控制。施焊過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范參數，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。

1、焊接方法以及焊接規范的選用

在施焊過程中，根據結構的特點及其使用要求，可以選擇合適的且熱能量較低的焊接方法以及科學合理的焊接規范參數以有效地防止焊接變形。

2、合理的施焊順序，

對于焊縫較多的構件，組焊時要采取合理的焊接順序，從而減小焊接應力集中，防止焊接變形。如針對腹板較寬需多塊鋼板拼接時，要根據結構和焊縫的布置，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，應先焊橫焊縫，后焊縱焊縫。其中，焊縫編號1、2、3互換焊接順序，但焊縫編號4必須再其他焊縫焊接完成后才可以進行，這是因為1、2、3號焊縫焊接完成后產生的橫向收縮，會在焊接4號焊縫時，與4號焊縫產生的縱向收縮相互作用，促使橫向收縮得到釋放。而如果全部點焊后不按照合理的順序進行焊接，在丁字口處極易產生應力集中，且鋼板焊后易產生波浪狀變形。

焊接順序對焊接應力以及焊接變形具有重要影響，通過改變焊縫的焊接順序，可以控制殘云應力的分布規律，并在一定程度上影響殘余應力整體幅值的大小。同時，合理的焊接順序將極大減少焊接變形程度，并在多段焊時，作用尤其明顯。

3、各施焊措施作用

采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可有效降低殘余應力并減小焊接變形。其中，采用隨焊兩側加熱措施，可以使焊縫的橫向應變、縱向應變和最大剪切應變的分布更加均勻，變化也愈加平緩，從而起到減小焊接殘余應力和變形的作用。而隨焊碾壓法，由于設備復雜、使用不便等原因，在生產應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生壓應變以抵消導致焊縫開裂的拉應變，抑制了焊接熱裂紋的產生，從而顯著地降低殘余應力以及減少焊接變形。

三、矯正階段

在鋼結構施工過程中，由于其構件復雜，致使焊接工程量增多，又因為焊接是個高溫受熱的過程，根據熱的可導的特點，在密集的焊接作業，構件的熱膨脹系數將或多或少都要受到影響，鋼結構的焊接變形將更加難以掌控。因此，在鋼結構焊接結束后需及時通過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件整體加熱至一定溫度溫度后，再進行矯正的方法，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，限制了該方法的進一步推廣及應用。而局部熱矯正是利用火焰局部對焊接構件局部加熱，使其受熱后收縮，同時受構件本身剛性約束，產生了局部壓縮的塑性變形，待構件冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達到矯正目的。此方法簡便靈活，因此在生產上廣為應用。另外機械矯正法是利用機械力的作用，以矯正焊接變形，常采用手工錘擊、 壓力機、 千斤頂等施加壓力，以矯正構件變形。矯正時，將構件變形部位放在兩支撐之間， 對準構件凸出部位緩慢施力，即可矯正變形。

最后，矯正時要遵守以下原則：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、結語

由于焊接受熱的特殊性，本文雖優選了幾種措施，并將其系統化，但仍存在一些不足。比如：技術復雜、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潔、實用，各大高校、研究所仍針對焊接的特性進行探索研究。相信隨著我國科研力量的提升，控制焊接變形的措施也將更加完善。

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