淺析鋼結構連接中的焊接特性

段朋立

摘 要：現在的鋼結構連接普遍采用焊接，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、熔化過程中，加熱區的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產生焊接過程中的瞬時應力。冷卻至原始溫度后，整個接頭區焊縫及近縫區的拉應力區與母材在壓應力區數值達到平衡，這就產生了結構本身的焊接殘余應力。

關鍵詞：鋼結構；焊接特性

1 前言

在焊接應力的作用下焊接件結構發生多種形式的變形。殘余應力的存在與變形的產生是相互轉化的，認清變形規律，就不難從中找到防止減少和糾正變形的方法。

2 焊接變形形成原因

鋼結構焊接后發生的變形大致可分為兩種情況：即整體結構的變形和結構局部的變形。整體結構的變形包括結構的縱向和橫向縮短和彎曲（即翹曲）。局部變形表現為凸彎、波浪形、角變形等多種。

2.1 變形常見基本形式

常見焊接變形基本形式有如下幾種：板材坡口對焊后產生的長度縮短（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生的角變形；焊后構件的角變形沿構件縱軸方向數值不同及構件翼緣與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形。

薄板焊接后母材受壓應力區由于失穩而使板面產生翹曲形成的波浪變形；由于焊縫的縱向和橫向收縮相對于構件的中和軸不對稱引起構件的整體彎曲，此種變形為彎曲變形。

這些變形都是基本的變形形式，各種復雜的結構變形都是這些基本變形的發展、轉化和綜合。

2.2 焊接變形的原因

在焊接過程中對焊件進行了局部的、不均勻的加熱是產生焊接應力及變形的原因。焊接時焊縫和焊縫附近受熱區的金屬發生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區域內就發生壓縮應力和塑性收縮變形，產生了不同程度的橫向和縱向收縮。由于這兩個方向的收縮，造成了焊接結構的各種變形。

3 影響焊接結構變形的因素

影響焊接變形量的因素較多，有時同一因素對縱向變形、橫向變形及角變形會有相反的影響。全面分析各因素對各種變形的影響，掌握其影響規律是采取合理措施控制變形的基礎。否則難以達到預期的效果。

焊縫截面積的影響：焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積，焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大。

焊接熱輸入的影響：一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區增大，不論對縱向、橫向或角變形都有變形增大的影響。但在表面堆焊時，當熱輸入增大到一定程度時，由于整個板厚溫度趨近，因而即使熱輸入繼續增大，角變形不再增大，反而有所下降。

工件的預熱、層間溫度影響：預熱溫度和層間溫度越高，相當于熱輸入增大，使冷卻速度減慢，收縮變形增大。

焊接方法的影響：在建筑鋼結構焊接常用的幾種方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫面積等相同情況下，收縮變形最大。手工電弧焊熱輸入居中，收縮變形比埋弧焊小。CO2氣體保護焊熱輸入最小，收縮變形響應也最小。

焊縫位置對變形的影響：由于焊縫位置在結構中不對稱，焊縫位置不對稱等將引起各種變形。

結構的剛性對焊接變形的影響：結構的剛性大小，主要取決于結構的形狀和其截面大小，剛性較小的結構，焊接變形大；剛性大的結構，焊后變形較小。

裝配和焊接規范對焊接變形的影響：由于采取的裝配方法不同，對結構的變形也有影響。整體裝配完再進行焊接，其變形一般小于邊裝配邊焊接。

在工程焊接時間中，由于各種條件、因素綜合作用，焊接殘余變形的規律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況作具體的綜合分析。

4 防止和減少結構變形的措施

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

對屈服強度345MPa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度；優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。

厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。

采用焊前反變形方法控制焊后的角變形，此法使生產中最常見的一種方法，而預先把焊件作出基本抵消（補償）。

剛性固定法：又稱為強制法。在實際制作中，對于剛性大的構件焊后變形一般較少，對剛性小的構件可在焊前加強構件剛性，焊后變形也響應減小。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（如焊釘固定和壓緊固定法）、定位焊接法。

錘擊焊縫法：此法主要適用于薄板的焊接。當薄板的焊縫及其熱影響區還沒有完全冷卻時，立即對該區域進行錘擊，對于厚板則用風槍敲擊。

采用構件預留長度法補償焊縫縱向收縮變形。

設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸；合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸，并使焊縫的布置與構件中和軸相對稱。

正確選擇焊接順序。在鋼結構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字型焊縫，更應采取正確的順序，避免焊接應力集中，保證接頭焊接質量。采取對稱于整個鋼結構的中和軸的焊接和采取從中間相兩段焊接，對減少變形十分有利。對鋼結構中強度要求高的重要部位焊接，應盡量使接頭能自由收縮，不受約束。

5 焊接變形的焊后矯正方法：

為了達到設計、規范要求，發生了焊接變形的焊接結構構件必須矯正，從另外一個角度來解釋，這種矯正實質上都是設法造成新的變形來補償或抵消已發生的變形。在施工生產中，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中方法的結合運用。

5.1 施力矯正法

施力矯正一般用千斤頂、螺旋加力器、輥壓矯正機或在大型壓力機上完成。

5.2 加熱矯正法

即利用不均勻的加熱使結構獲得反向的變形來補償或抵消原來的焊接變形。加熱矯正法的加熱方法可分為點狀加熱、線狀加熱、三角形加熱。加熱矯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律是做好矯正的關鍵，決定火焰矯正效果主要是加熱的位置和加熱溫度。

低碳鋼和普通合金的焊接結構通常采用650～8000C的加熱溫度，一般不宜超過9000C。

在利用加熱矯正的同時，為了提高矯正效果，也可在加熱過程種施加外力矯正，火焰矯正時，加熱點的冷卻有兩種方法：即自然冷卻和水冷卻。采用水火矯正法能使結構矯正收效快，并可以使矯正量大于自然冷卻的矯正量。