鋼結構焊接變形的成因與控制策略探究

劉全德

摘 要：鋼結構的性能良好，質地輕便，在工業生產和建筑施工等領域得到了廣泛的運用。一般來說，在鋼結構投入使用之前，都需要經過焊接處理。因此，焊接水平的高低對鋼結構的性能產生直接的影響。然而，在焊接過程中，由于受到多方面因素的影響，常常會出現焊接變形現象。焊接變形的出現不僅會嚴重影響鋼結構的質量，還會對生產企業、鋼結構施工質量等方面帶來嚴重的不利影響。因此，在實際工作中，必須采取相應的策略，避免鋼結構出現焊接變形現象的發生，以提高工程質量，保證施工進度，提高工程建設效益。

關鍵詞：鋼結構；焊接變形；成因；控制策略

1 前言

鋼結構在焊接過程中出現變形是不可避免的，但可以通過合理的施工措施來予以控制。作為鋼結構制作和連接的主要技術，焊接已經被廣泛應用于鋼結構的制作和安裝工藝之中。然而，焊接中產生的變形問題不僅影響了鋼結構的外觀和使用性能，給企業造成直接經濟損失。特別是在大型鋼結構件的焊接作業中，這一問題表現得尤其突出。有鑒于此，必須對焊接變形不同類型和原因進行全面分析，并采取有力措施控制焊接變形量，以確保不斷提高生產效率和鋼結構工程質量，降低企業生產成本。

2 鋼構焊接變形的成因及影響因素

2.1 縱向收縮變形及影響因素

縱向收縮變形是平行于焊縫軸線方向所發生的焊件整體縮短現象。對于一個焊件，如果整體加熱伸長多少，冷卻后又會恢復到原長。實際焊件是在局部加熱，而且焊接接頭處加熱溫度遠遠大于600℃。因此，焊件加熱伸長時必然受到周圍金屬的限制，所以產生了壓縮塑性變形，冷卻后焊件縱向必然會縮短。影響縱向收縮變形的因素有焊接層數、焊接方法、焊接線能量、焊接順序以及材料的熱物理參數等。

2.2 橫向收縮變形及影響因素

橫向收縮變形是指垂直于焊縫軸線方向所發生的焊件整體縮短現象。橫向收縮與縱向收縮產生的原因基本相同。影響焊件橫向收縮變形的因素有線能量、接頭形式、裝配間隙、板厚、焊接方法以及焊件的剛度等。試驗證明，平板堆焊橫向變形量的大小與焊接線能量和板厚有關。隨著線能量的提高，橫向收縮變形量增加，隨著板厚的增加，橫向收縮變形量減少。

2.3 撓曲變形（彎曲變形）

（1）縱向收縮引起的撓曲變形當焊縫中心線與焊接結構截面的中性軸不重合、焊縫在焊件上的分布不對稱和焊接順序不合理時，縱向收縮力在焊件中性軸兩側引起的變形不能相互抵消，焊件除了引起收縮變形外，同時還會產生撓曲變形。而且隨著焊縫尺寸的增大，鋼結構產生的撓曲變形量也增大。 （2）橫向收縮引起的撓曲變形鋼結構上的焊縫分布不均勻，在其橫向收縮和縱向收縮時都會產生焊件的撓曲變形。在焊接筋板的短焊縫時，橫向收縮使工字梁產生了撓曲變形，其原因是工字梁上的小筋板均勻布置在中性軸以上，在焊接筋板與翼板之間以及筋板與腹板之間的焊縫時，產生的橫向收縮力均處于中性軸的上側，由此引起工字梁的下撓。

2.4 扭曲變形

焊件如果裝配質量不好、強行裝配，焊接時未放平或鋼板本身不平，焊接后易產生扭曲變形。焊接H型鋼一般均在專用胎具中進行，所以產生扭曲變形主要是縱向焊縫的橫向收縮不均勻，或焊接順序以及方向不合理等造成的。影響扭曲變形的因素除了鋼結構的尺寸大小之外，最主要的是鋼結構的截面形狀。如截面封閉型的比截面不封閉型的鋼結構抗扭剛性好。

2.5 角變形

角變形在焊接中是常見的一種變形，主要發生在堆焊、搭接接頭焊、對接接頭焊和T形接頭焊中。在堆焊時，焊縫及其周圍溫度明顯高于焊縫背面，因此，板材堆焊表面金屬受熱膨脹產生壓縮塑性變形，冷卻后產生了角變形。角變形大小與板材厚度和熔深有關。影響對接接頭角變形的因素有坡口形式、坡口角度和焊接順序等。坡口截面形狀不對稱的焊縫，其角變形較大，采用截面形狀對稱的坡口代替不對稱的坡口有利于減小角變形。坡口角度越大，填充焊縫金屬量越大，沿板厚橫向收縮量越不均勻，角變形越大。

3 鋼結構焊接過程中變形控制對策分析與研究

3.1 對于焊縫的合理選擇

為了達到減少梁或者柱等構件撓性變形收縮量的目的，應該盡量將焊縫置于截面中性軸或者對稱于中性軸。對于焊接方法的選擇：①為盡量減少焊接變形，所選擇的焊接方法的線能量越低越好。②在對H型鋼翼板與腹板的焊接，應該選用埋弧自動焊。③在對不同截面積的構件焊接中，為減少焊接變形發生及減小焊接線能量，對于小截面焊縫進行CO2焊打底，對蓋面采用手弧焊方式。④在對H型鋼氣割成T型鋼時不能有間斷，這樣可以確保氣割過程中有相同的熱膨脹量。對于焊接順利的合理選擇：在焊接過程中，選用上下對角焊接的順序可以保持構件的平直性，抵消焊縫所引起的撓曲變形，保證受熱均勻性以減小收縮變形量。類似的焊接順序同樣適用于筋板等多種構件。

3.2 在焊接過程中，最普遍采用的焊接方法為反變形法

反變形焊接方法的具體步驟是：在焊接之前對于焊縫結構的大小及位置進行準確的預估，在實際的裝配過程中對于焊縫施加一個相反的變形，用于抵消焊接變形收縮所產生的應力，確保構件在焊接之后的質量要求。若不能對構件進行反變形法焊接，可以采用剛性固定的方法進行焊接。即是確保構件盡量固定的情況下對焊接變形進行限制。

3.3 對于焊接工作，要做好焊接前，焊接中，焊接后各項檢測控制

在焊接前需要準確測量構件的中心線、長度、標高等。在焊接過程中，需要采用合理的焊接手段及順序，隨時觀察焊接質量，如若發現焊接質量問題，應該及時的采取補救措施。焊接工作完成后，要對構件進行再次測量確認，保證焊接工作的質量。

3.4 焊接件矯正措施

第一，利用壓力機或者撐直機來糾正鋼結構焊接變形。比如，將壓力機放在變形構件兩邊，對準凸出部位慢壓，以此來矯正變形。第二，焊接施工完成后，利用高溫火焰反其道矯正變形，對焊接變形位置輸入熱量，加熱到塑性狀態，就會產生一定的收縮差，變形會向相反方向發生變形，以此來矯正變形。

4 結束語

在進行鋼結構設計的時候可以對出現變形的問題采取不同的設計方案，同時在施工工藝和焊接管理方面都可以采取必要的措施，這樣能夠更好的對焊接變形問題進行控制，同時，也能更好的保證施工的質量。對鋼結構變形影響的因素非常多，因此，在進行焊接的時候不可避免的會出現變形的情況，在這種情況下采取一些措施是非常必要的。