浅谈建筑钢结构焊接变形控制措施

陈琦 应奇云

摘要： 本文从设计阶段、施工阶段和矫正阶段三个方面进行探讨，分析论述各个阶段控制焊接变形的措施。

关键词：焊接；焊接变形；控制措施

前言 ：在焊接过程中，受热传导等因素的影响，工件很容易发生焊接变形，从而降低了焊接质量以及结构的承载力。所以，在结构复杂的建筑中，若无法控制焊接的变形程度，将严重破坏结构的稳定性。钢结构的建设需要大量的焊接，因此需严格控制焊接质量。但是，在焊接过程中由于热传导等因素的影响，不可避免的出现焊接变形，引起焊接质量下降。为此，探讨分析控制焊接变形的各种措施，并将其系统化分类，从钢结构建设的设计、施工到焊接完成后矫正三个方面，系统性论述焊接过程中的控制措施，从而減小焊接变形，保证焊接质量。

一、设计阶段

在钢结构前期设计中，通过对其焊接变形成因的分析，选择合理的焊缝坡口、数量、位置等，从而设计出减小焊接变形的科学焊接形式。

1、焊缝坡口的设置，坡口是根据设计或工艺的需求，将焊件的待焊部位加工成一定几何形状的沟槽，其目的是使焊件上的焊缝全部焊透。为达到这一目的，通常用一块与母材材料相同的垫板放置在坡口背面，在使焊缝焊透的同时，不至于根部被烧穿。常用的坡口形式其优缺点如下：

对钢结构的焊接而言，当结构具备足够的承载力时，科学合理的选择焊缝坡口的形式以及尺寸，尽可能减少焊缝截面面积，可最大程度上控制钢结构的焊接变形。 例如：对于拼接焊缝，特别是板材较厚的拼接焊缝，为减少其焊接变形，须将坡口设置成非对称坡口。其施焊工艺为，先对坡口较深的一侧的1/3，翻转焊件背面，待焊接完成后，再翻过来焊接剩余的2/3，通过两次翻转焊接，是焊缝成为整条拼缝。实践证明，此方法翻转次数少，焊接变形小，生产效率高。

2、焊缝数量的设置，在设计焊接结构时，为避免不必要的焊缝，应尽量选用型钢、冲压件等代替焊件，并且要合理地选择筋板的形状，适当地安排筋板的位置，优化肋板数量，力求通过减少肋板数量以及焊缝数量来减少焊接变形，并降低矫正变形的工作量。

3、焊缝位置的布置，对于钢结构的焊接设计而言，焊缝位置的设计尤为重要。由于焊缝横向收缩通常比纵向收缩显著，因此焊缝的位置应尽可能同其横向收缩相对称，将焊缝布置在平行于最小焊接变形量的方向上或者尽量同构件截面的中心线（或轴线）相接近，同时，焊缝之间需保持足够的距离，尽量避免布置在应力严重的区域，并防止三轴交叉的焊缝出现。这样可以有效减少钢结构的焊接变形，尤其是针对梁、柱等类型结构的扭曲变形具有良好的控制效果。

二、施工阶段

在钢结构的施焊过程中，以设计阶段确定的焊缝形式，布置方式为依据，通过科学合理的焊接工艺，对钢结构的焊接变形进行有效控制。施焊过程中控制焊接变形的主要工艺有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。

1、焊接方法以及焊接规范的选用

在施焊过程中，根据结构的特点及其使用要求，可以选择合适的且热能量较低的焊接方法以及科学合理的焊接规范参数以有效地防止焊接变形。

2、合理的施焊顺序，

对于焊缝较多的构件，组焊时要采取合理的焊接顺序，从而减小焊接应力集中，防止焊接变形。如针对腹板较宽需多块钢板拼接时，要根据结构和焊缝的布置，先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。如图，图中有四处焊缝，应先焊横焊缝，后焊纵焊缝。其中，焊缝编号1、2、3互换焊接顺序，但焊缝编号4必须再其他焊缝焊接完成后才可以进行，这是因为1、2、3号焊缝焊接完成后产生的横向收缩，会在焊接4号焊缝时，与4号焊缝产生的纵向收缩相互作用，促使横向收缩得到释放。而如果全部点焊后不按照合理的顺序进行焊接，在丁字口处极易产生应力集中，且钢板焊后易产生波浪状变形。

焊接顺序对焊接应力以及焊接变形具有重要影响，通过改变焊缝的焊接顺序，可以控制残云应力的分布规律，并在一定程度上影响残余应力整体幅值的大小。同时，合理的焊接顺序将极大减少焊接变形程度，并在多段焊时，作用尤其明显。

3、各施焊措施作用

采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可有效降低残余应力并减小焊接变形。其中，采用随焊两侧加热措施，可以使焊缝的横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀，变化也愈加平缓，从而起到减小焊接残余应力和变形的作用。而随焊碾压法，由于设备复杂、使用不便等原因，在生产应用中受到一定的限制，但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。另外随焊激冷法可以产生压应变以抵消导致焊缝开裂的拉应变，抑制了焊接热裂纹的产生，从而显著地降低残余应力以及减少焊接变形。

三、矫正阶段

在钢结构施工过程中，由于其构件复杂，致使焊接工程量增多，又因为焊接是个高温受热的过程，根据热的可导的特点，在密集的焊接作业，构件的热膨胀系数将或多或少都要受到影响，钢结构的焊接变形将更加难以掌控。因此，在钢结构焊接结束后需及时通过矫正减小或消除焊接变形。

焊后矫正措施主要有加热矫正法和机械矫正法。其中加热矫正法又分为整体加热和局部加热。整体热矫正是指将构件整体加热至一定温度温度后，再进行矫正的方法，可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用，限制了该方法的进一步推广及应用。而局部热矫正是利用火焰局部对焊接构件局部加热，使其受热后收缩，同时受构件本身刚性约束，产生了局部压缩的塑性变形，待构件冷却后收缩，抵消了焊后部位的伸长变形，达到矫正目的。此方法简便灵活，因此在生产上广为应用。另外机械矫正法是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用手工锤击、 压力机、 千斤顶等施加压力，以矫正构件变形。矫正时，将构件变形部位放在两支撑之间， 对准构件凸出部位缓慢施力，即可矫正变形。

最后，矫正时要遵守以下原则：先总体，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后副件。

四、结语

由于焊接受热的特殊性，本文虽优选了几种措施，并将其系统化，但仍存在一些不足。比如：技术复杂、成本较大、效率低下等。因此，为使控制焊接变形的措施更加简洁、实用，各大高校、研究所仍针对焊接的特性进行探索研究。相信随着我国科研力量的提升，控制焊接变形的措施也将更加完善。

参考文献

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