钢结构焊接变形的成因与控制策略探讨

钢结构焊接变形的成因与控制策略探讨

廖耀辉

关键词:钢结构；焊接；变形；控制

一、引言

钢结构焊接的过程实际上是在高温加热的环境中，钢结构发生一定的膨胀，最终与周围金属形成塑性变形与焊接变形，而焊接变形是指钢结构在焊接过程中出现的收缩变形，而钢结构的焊接变形不仅具有良好的强度和塑性，而且质量较轻，易于运输。因此，目前我国的工程施工过程中，钢结构的使用范围越来越广泛，在我国建设行业的发展中，起着不可替代的作用。但是钢结构在焊接过程中所产生的收缩变量并不是工作人员能够控制的，因此要找到成因，以制定有效的解决措施。

二、焊接变形的成因分析

1、钢结构刚度

刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。例如，工字钢截面和纵向桁架变形量，主要取决于其截面面积的弦杆截面大小的部分。再如，工字型、丁字型或其他形状的型钢的弯曲变形量主要取决于截面的抗弯刚度。焊接连接缝位置和数量；当钢结构刚度不足时，在设计焊接连接缝位置和数量时，应在结构体对称安排，且焊接顺序是合理的，构件只能产生线性变形；当焊缝为不对称的安排，产生的多为弯曲变形。

2、焊接工艺

焊接电流偏大、焊条直径较粗，使得焊接速度缓慢，可能导致焊接变形大；厚钢板焊接时，手工焊接方法比自动焊接方法引起的变形量较小；采用多层焊接工艺时，首层的焊缝收缩变形最大，第二和第三层焊接变形量分别是首层的20%和5%～10%。焊接顺序不当或在没有焊接妥当分部构件时就进行整体组装焊接，很容易产生焊接变形。因此，为了防治焊接变形，在焊接施工过程中必须制订合理的工艺措施。

三、影响焊接结构变形的因素

1、焊缝截面积的影响

焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大。

2、焊接热输入的影响

一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，不论对纵向、横向或角变形都有变形增大的影响。但在表面堆焊时，当热输入增大到一定程度时，由于整个板厚温度趋近，因而即使热输入继续增大，角变形不再增大，反而有所下降。

3、工件的预热、层间温度影响

预热温度和层间温度越高，相对于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。

4、焊接方法的影响

在建筑钢结构焊接常用的几种方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝面积等相同情况下，收缩变形最大。手工电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小。CO2气体保护焊热输入最小，收缩变形响应也最小。

5、焊缝位置对变形的影响

由于焊缝位置在结构中不对称，焊缝位置不对称等引起各种变形。

6、结构的刚性对焊接变形的影响

结构的刚性大小，主要取决于结构的形状和其截面大小，刚性较小的结构，焊接变形大；刚性大的结构，焊后变形较小。

7、装配和焊接规范对焊接变形的影响

由于采取的装配方法不同，对结构的变形也有影响。整体装配完再进行焊接，其变形一般小于边装配边焊接。

四、钢结构焊接变形的控制

1、钢结构焊接节点构造样式多，比较复杂，焊接时的热输入量也较多，造成的焊接变形也更大。因此，在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊接的数量和大小，尽可能减少焊接变形。

2、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。对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分。适当的坡口形状和大小，可以通过减少截面积，进一步减少结构的焊接变形量。

3、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，同时应避免在高应力区。这对减少梁、柱等一类钢结构的挠曲变形有良好的效果。

4、对于节点形式的选择，应选用刚性小的节点形式。节点应避免在双向、三向交叉处，这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形。

五、防治钢结构焊接变形的工艺措施

在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、采用合理的装配焊接顺序

钢结构出现的焊接变形的的原因不同，焊接变形所表现出的类型也就不相同，通过分析发现，钢结构的焊接变形是受到温度、钢结构材料、重力以及钢结构承载力等因素的影响，针对不同的成因，制定有效的解决措施，以对钢结构的焊接变形进行有效控制。

（1）、对焊接温度进行严格的控制

钢结构在焊接过程中出现的焊接变形主要是由于温度不当造成的，因此在钢结构焊接过程中，工作人员要对温度进行有效控制，以将温度导致的焊接变形控制在最小范围中。例如在对钢结构焊接过程中，对其中一个构件进行焊接时，要保证不对其附近的钢结构造成不良影响，并在焊接结束，对焊接的钢结构进行及时的降温处理，以控制温度的影响。

（2）、注意焊接顺序

在钢结构焊接过程中，焊接顺序也是导致焊接变形出现的重要原因。例如工作人员要对挠曲变形进行有效控制时，可以通过对角焊接或者是上下焊接，以降低挠曲变形的发生率。

（3）、根据功能选择合理的钢材料

钢结构在使用时，用途不同对它的具体要求也就不相同。工作人员可以根据钢结构的具体用途来选择合适的钢结构，并根据焊缝的所在位置，来选择合适的熔点，以控制钢结构中出现的变形。合理安排焊缝的位置：安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或使焊缝接近中性轴，这样对减少梁、柱类结构部位的挠曲变形有良好的效果。

2、反变形分析

由于在冷却过程焊缝会产生收缩反映，结果使得减少了工件焊接后的尺。针对这个问题，为了弥补热胀冷缩带来的变形，在大型构件焊接时常用反变形的方法。发变形方法是在进行焊接前使焊接前构件预先发生变形，使变形方向和焊接变形方法相反、变形量大小基本相等。例如，为了防止工字钢梁上下盖板的焊接角变形，可以在焊前用油压机或折边机在相反方法预先压弯盖板。

3、焊件夹具

大型结构件在焊接接头时各个工件和零件在自重和焊接应力的作用下，要想使得位置固定是比较困难的。所以，每件焊接工件和零件除了要用焊接平台固定位置外，还需要用到焊件夹具有效地夹紧，以便防止工件发生变形。

4、合理地选择焊接方法和焊接工艺参数

不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不同。CO2气体保护焊丝细，电流密度大，加热集中，焊接变形小。选用热影响区较窄的CO2气体保护焊等焊接方法代替手弧焊、埋弧焊，可减少钢接速度。线能力越大，焊接变形越大。焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大，随焊接速度的增大而减小。在三个参数中，电弧电压的作用明显。选用较小的焊接热输入及合适的焊接工艺参数，可减少钢结构受热范围，从而减少焊接变形。

六、结语

通过采取适当的设计措施和工艺措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，保证工程质量。由于影响钢结构焊接变形的因素较多，因此出现焊接变形也是难免的。具体问题具体分析，将焊接变形控制在最小范围之内，不要影响到钢结构的尺寸精度和安装技术要求。

参考文献：

[1]席居法.建筑钢结构焊接施工的质量控制[J].建筑，2014，（03）：77-78.

[2]宋广豪.钢结构焊接变形的起因及其控制方法探讨[J].门窗，2012（10）