探析建筑钢结构焊接的变形及其控制

探析建筑钢结构焊接的变形及其控制

宫文娟

中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司辽宁省沈阳市110015

【摘要】科技的进步发展，使得建筑钢结构的应用日益广泛。但是由于影响建筑钢结构焊接变形的因素较多，不同条件下的焊接建筑钢结构焊接过程中所产生的焊接变形量各不相同，因此必须对其产生原因及其控制措施进行研究分析。基于此，本文概述了建筑钢结构焊接，对建筑钢结构焊接变形的原因以及加强建筑钢结构焊接变形控制的措施进行了探讨分析，旨在提高建筑钢结构工程的质量。

【关键词】建筑钢结构；焊接；变形；原因；控制；措施

一、建筑钢结构焊接的概述

建筑钢结构工程通常是由柱子、梁、屋盖系统、钢杆支撑系统等组成。通常这些构件采用热轧钢板、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、无缝（有缝）钢管、钢球，以及各种横截面冷弯薄壁型钢进行拼装焊接而成。建筑钢结构焊接特点是“三多一高”，即钢材品种规格多，节点构造形式多，焊接方法多，焊接质量要求高。

二、建筑钢结构焊接的变形原因分析

影响建筑钢结构安装焊接施工质量的因素主要有作业环境风大；温度和湿度变化大，甚至有雨雪威胁，低温焊接施工等；焊接工作量大，焊接返修困难；辅助作业工作量大；焊接自由空间受到限制；与其它工种配合交叉作业量大；焊接裂缝倾向较严重，部分厚板结构有层状的撕裂倾向；焊接变形量大等。并且建筑钢结构焊接变形在外观表现形式上各有不同，笔者认为焊接变形主要有以下原因：（1）焊缝金属的收缩。焊缝金属包括熔化的母材和填充金属，甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属，它们均处于全塑性状态，只有自身的塑性变形，对周围金属并无推力和拉动作用，这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的。（2）焊件的不均匀受热。焊接是一种局部加热和冷却的过程，焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩缩性变形，所以焊后冷却时，这一区域的金属必然有收缩变短的趋势。（3）金属组织的变化。有些金属在固态下有相变过程。焊缝金属在周围冷金属的包围中，冷却速度极快。如高强钢焊接时，焊缝金属像被淬火一样，来不及相变，直到较低温度下，才从奥氏体转变为马氏体，比容明显增大，这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形，减小残余拉应力，甚至可能使焊缝区出现较大的压应力。（4）焊件的刚性和拘束。焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系。焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。

三、加强建筑钢结构焊接变形控制的措施

1、严格加强建筑钢结构焊接节点的设计。建筑钢结构焊接节点构造形式多，比较复杂。在建筑钢结构焊接节点构造设计时，笔者认为需要注意以下几方面：（1）焊缝位置应对称于构件截面的中性轴焊缝位置尽可能对称于构件截面的中性轴，或者尽量靠近中性轴，这对减少梁、柱等一类钢结构的挠曲变形有良好的效果。（2）减少焊缝的数量、尺寸钢结构中焊缝数量越多、尺寸越大，焊接热源对结构的热输入就越大，产生的焊接变形也就越大。因此在设计钢结构节点构造时，应力求减少焊缝数量和尺寸。（3）根据不同的焊接工艺方法，合理选用焊缝的坡口形状和尺寸。设计建筑钢结构节点焊缝时，应在保证结构具有足够承载能力的条件下，采用适当的坡口形状和尺寸，以减少焊缝截面积及结构的焊接变形。（4）采用刚性较小的节点形式，避免焊缝集中和双向、三向相交这样可减小焊缝交叉点处或焊缝集中处的热量及应力，从而减小焊接变形。（5）便于焊接操作，避免在仰焊位置施焊.在建筑钢结构加工制作时，应尽量避免将焊缝置于仰焊位置施焊，以利于操作和保证焊接质量。无法避免时，应要求焊工掌握全位置焊接的操作技能。（6）焊缝位置应避开高应力区.焊缝区的应力越大，则钢结构越容易产生焊接变形及焊缝裂纹。（7）不同的建筑钢结构节点形式，对焊缝设置应有不同的要求。

2、加强建筑钢结构焊接工艺的控制。在建筑钢结构焊接施工过程中，根据不同的节点构造及焊缝形式，采取适当的焊接工艺措施，对于控制钢结构焊接变形也具有非常重要的作用。（1）反变形法。在焊接前进行装配时，预先制造或设置一个与焊接变形相反的变形，以便在焊接过程中，使焊接变形与预制的反变形相互抵消，达到焊接后没有变形的目的，它属于预防焊接变形的措施。（2）选择合理的装配焊接顺序。合理选择拼装顺序和焊接顺序，可降低焊接变形。选择合理的装配焊接顺序，使焊接变形消失于装配焊接的过程中，或使不同时期，不同位置产生的焊接变形相反、相消，达到调整、控制和消减焊接变形的目的。（3）选择适宜的焊接方法。多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝截面积相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。（4）固定法。刚性固定法是一个传统的限制焊接变形的方法，简单的固定和限制松开后，弹性变形要释放，不能完全防止焊接变形。刚性固定的方法很多，有的用简单的夹具成支撑，有的采用专用的胎具，有的是临时点固在刚性工作平台上，有的甚至利用结构本身去构成刚性较大的组合体。（5）热平衡法。对于某些焊缝不对称布置的建筑钢结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在结构上与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊缝同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减少或防止结构弯曲变形。

3、强化建筑钢结构焊接变形的矫正。建筑钢结构工程施工前，需要采取各种有效措施防止或减小焊接变形，但在实际施工中由于某些原因，焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形，这样就必须设法矫正变形，使之符合产品质量要求。

结束语：

建筑钢结构焊接过程中，钢结构焊接部位需要进行高温处理，这种局部受热的操作会使钢结构产生形变，这种现象在焊接过程中是是不可避免的。对于施工中出现焊接变形的问题，应当将变形降低在最小的范围内，严格保证工程主体的质量。

参考文献：

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[2]杨晓丹；；谈化工机械设备焊接工艺规程[J]；中国石油和化工标准与质量；2012

[3]李海燕，张新占.建筑结构钢焊接施工质量控制[J].商品与质量学术观察，2013