鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與控制矯正

鋼結(jié)構(gòu)連接普遍采用焊接，且對(duì)于一些重要焊縫一般都采用全熔透焊接。金屬焊接時(shí)在局部加熱、熔化過(guò)程中，加熱區(qū)的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產(chǎn)生焊接過(guò)程中的瞬時(shí)應(yīng)力。

冷卻至原始溫度后，整個(gè)接頭區(qū)焊縫及近縫區(qū)的拉應(yīng)力區(qū)與母材在壓應(yīng)力區(qū)數(shù)值達(dá)到平衡，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)本身的焊接殘余應(yīng)力。

此時(shí)，在焊接應(yīng)力的作用下焊接件結(jié)構(gòu)發(fā)生多種形式的變形。殘余應(yīng)力的存在與變形的產(chǎn)生是相互轉(zhuǎn)化的，認(rèn)清變形規(guī)律，就不難從中找到防止減少和糾正變形的方法。 

一、焊接變形的形式與原因： 

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

1.1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(duì)焊后產(chǎn)生的長(zhǎng)度縮短（縱向收縮）和寬度變窄（橫向收縮）的變形；板材坡口對(duì)接焊接后產(chǎn)生的角變形；

焊后構(gòu)件的角變形沿構(gòu)件縱軸方向數(shù)值不同及構(gòu)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(yīng)力區(qū)由于失穩(wěn)而使板面產(chǎn)生翹曲形成的波浪變形；由于焊縫的縱向和橫向收縮相對(duì)于構(gòu)件的中和軸不對(duì)稱引起構(gòu)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形都是這些基本變形的發(fā)展、轉(zhuǎn)化和綜合。

1.2焊接變形的原因： 

在焊接過(guò)程中對(duì)焊件進(jìn)行了局部的、不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形的原因。焊接時(shí)焊縫和焊縫附近受熱區(qū)的金屬發(fā)生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區(qū)域內(nèi)就發(fā)生壓縮應(yīng)力和塑性收縮變形，產(chǎn)生了不同程度的橫向和縱向收縮。由于這兩個(gè)方向的收縮，造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。

二、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的因素： 

影響焊接變形量的因素較多，有時(shí)同一因素對(duì)縱向變形、橫向變形及角變形會(huì)有相反的影響。全面分析各因素對(duì)各種變形的影響，掌握其影響規(guī)律是采取合理措施控制變形的基礎(chǔ)。否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。

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

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

3）工件的預(yù)熱、層間溫度影響：預(yù)熱溫度和層間溫度越高，相當(dāng)于熱輸入增大，使冷卻速度減慢，收縮變形增大。 

4）焊接方法的影響：在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入大，在其他條件如焊縫面積等相同情況下，收縮變形大。手工電弧焊熱輸入居中，收縮變形比埋弧焊小。CO2氣體保護(hù)焊熱輸入小，收縮變形響應(yīng)也小。

5）焊縫位置對(duì)變形的影響：由于焊縫位置在結(jié)構(gòu)中不對(duì)稱，焊縫位置不對(duì)稱等將引起各種變形。

6）結(jié)構(gòu)的剛性對(duì)焊接變形的影響：結(jié)構(gòu)的剛性大小，主要取決于結(jié)構(gòu)的形狀和其截面大小，剛性較小的結(jié)構(gòu)，焊接變形大；剛性大的結(jié)構(gòu)，焊后變形較小。

7）裝配和焊接規(guī)范對(duì)焊接變形的影響：由于采取的裝配方法不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形也有影響。整體裝配完再進(jìn)行焊接，其變形一般小于邊裝配邊焊接。

在工程焊接時(shí)間中，由于各種條件、因素綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對(duì)工程具體情況作具體的綜合分析。

三、防止和減少結(jié)構(gòu)變形的措施： 

1）減小焊縫截面積：在得到完好、無(wú)超標(biāo)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）。

2）對(duì)屈服強(qiáng)度345MPa以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度；優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊。 

3）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。 

4）雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對(duì)稱坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中和軸對(duì)稱的焊接順序，如下圖2：

5）T形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口角對(duì)接焊縫，見圖3：

6）采用焊前反變形方法控制焊后的角變形，此法使生產(chǎn)中常見的一種方法，而預(yù)先把焊件作出基本抵消（補(bǔ)償）。

焊后彎曲的反變形，來(lái)達(dá)到防止焊后變形的目的。表1、圖4分別為箱形柱、H型鋼焊接前反變形參考數(shù)值：

7）剛性固定法：又稱為強(qiáng)制法。在實(shí)際制作中，對(duì)于剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少，對(duì)剛性小的構(gòu)件可在焊前加強(qiáng)構(gòu)件剛性，焊后變形也響應(yīng)減小。在采用這種方法時(shí)，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(shí)固定法（如焊釘固定和壓緊固定法）、定位焊接法。 

8）錘擊焊縫法：此法主要適用于薄板的焊接。當(dāng)薄板的焊縫及其熱影響區(qū)還沒(méi)有完全冷卻時(shí)，立即對(duì)該區(qū)域進(jìn)行錘擊，對(duì)于厚板則用風(fēng)槍敲擊。

9）采用構(gòu)件預(yù)留長(zhǎng)度法補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形。 

10）設(shè)計(jì)上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中

和軸相對(duì)稱。 

11）正確選擇焊接順序。在鋼結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在對(duì)焊縫和角焊縫時(shí)，原則上先焊對(duì)焊縫，反焊角焊縫。對(duì)十字型焊縫和T字型焊縫，更應(yīng)采取正確的順序，避免焊接應(yīng)力集中，保證接頭焊接質(zhì)量。采取對(duì)稱于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的中和軸的焊接和采取從中間相兩段焊接，對(duì)減少變形十分有利。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度要求高的重要部位焊接，應(yīng)盡量使接頭能自由收縮，不受約束。

四、焊接變形的焊后矯正方法： 

為了達(dá)到設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，發(fā)生了焊接變形的焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須矯正，從另外一個(gè)角度來(lái)解釋，這種矯正實(shí)質(zhì)上都是設(shè)法造成新的變形來(lái)補(bǔ)償或抵消已發(fā)生的變形。在施工生產(chǎn)中，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(jié)合運(yùn)用。 

4.1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(jī)或在大型壓力機(jī)上完成。 

4.2加熱矯正法： 

即利用不均勻的加熱使結(jié)構(gòu)獲得反向的變形來(lái)補(bǔ)償或抵消原來(lái)的焊接變形。加熱矯正法的加熱方法可分為點(diǎn)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(wú)法解決的變形，掌握火焰局部加熱引起的變形的規(guī)律是做好矯正的關(guān)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(jié)構(gòu)通常采用650～8000C的加熱溫度，一般不宜超過(guò)9000C。參見表2各種顏色可判別溫度范圍