钢结构焊接变形的成因与控制策略探究

刘全德

摘 要：钢结构的性能良好，质地轻便，在工业生产和建筑施工等领域得到了广泛的运用。一般来说，在钢结构投入使用之前，都需要经过焊接处理。因此，焊接水平的高低对钢结构的性能产生直接的影响。然而，在焊接过程中，由于受到多方面因素的影响，常常会出现焊接变形现象。焊接变形的出现不仅会严重影响钢结构的质量，还会对生产企业、钢结构施工质量等方面带来严重的不利影响。因此，在实际工作中，必须采取相应的策略，避免钢结构出现焊接变形现象的发生，以提高工程质量，保证施工进度，提高工程建设效益。

关键词：钢结构；焊接变形；成因；控制策略

1 前言

钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的，但可以通过合理的施工措施来予以控制。作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，给企业造成直接经济损失。特别是在大型钢结构件的焊接作业中，这一问题表现得尤其突出。有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量，降低企业生产成本。

2 钢构焊接变形的成因及影响因素

2.1 纵向收缩变形及影响因素

纵向收缩变形是平行于焊缝轴线方向所发生的焊件整体缩短现象。对于一个焊件，如果整体加热伸长多少，冷却后又会恢复到原长。实际焊件是在局部加热，而且焊接接头处加热温度远远大于600℃。因此，焊件加热伸长时必然受到周围金属的限制，所以产生了压缩塑性变形，冷却后焊件纵向必然会缩短。影响纵向收缩变形的因素有焊接层数、焊接方法、焊接线能量、焊接顺序以及材料的热物理参数等。

2.2 横向收缩变形及影响因素

横向收缩变形是指垂直于焊缝轴线方向所发生的焊件整体缩短现象。横向收缩与纵向收缩产生的原因基本相同。影响焊件横向收缩变形的因素有线能量、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法以及焊件的刚度等。试验证明，平板堆焊横向变形量的大小与焊接线能量和板厚有关。随着线能量的提高，横向收缩变形量增加，随着板厚的增加，横向收缩变形量减少。

2.3 挠曲变形（弯曲变形）

（1）纵向收缩引起的挠曲变形当焊缝中心线与焊接结构截面的中性轴不重合、焊缝在焊件上的分布不对称和焊接顺序不合理时，纵向收缩力在焊件中性轴两侧引起的变形不能相互抵消，焊件除了引起收缩变形外，同时还会产生挠曲变形。而且随着焊缝尺寸的增大，钢结构产生的挠曲变形量也增大。 （2）横向收缩引起的挠曲变形钢结构上的焊缝分布不均匀，在其横向收缩和纵向收缩时都会产生焊件的挠曲变形。在焊接筋板的短焊缝时，横向收缩使工字梁产生了挠曲变形，其原因是工字梁上的小筋板均匀布置在中性轴以上，在焊接筋板与翼板之间以及筋板与腹板之间的焊缝时，产生的横向收缩力均处于中性轴的上侧，由此引起工字梁的下挠。

2.4 扭曲变形

焊件如果装配质量不好、强行装配，焊接时未放平或钢板本身不平，焊接后易产生扭曲变形。焊接H型钢一般均在专用胎具中进行，所以产生扭曲变形主要是纵向焊缝的横向收缩不均匀，或焊接顺序以及方向不合理等造成的。影响扭曲变形的因素除了钢结构的尺寸大小之外，最主要的是鋼结构的截面形状。如截面封闭型的比截面不封闭型的钢结构抗扭刚性好。

2.5 角变形

角变形在焊接中是常见的一种变形，主要发生在堆焊、搭接接头焊、对接接头焊和T形接头焊中。在堆焊时，焊缝及其周围温度明显高于焊缝背面，因此，板材堆焊表面金属受热膨胀产生压缩塑性变形，冷却后产生了角变形。角变形大小与板材厚度和熔深有关。影响对接接头角变形的因素有坡口形式、坡口角度和焊接顺序等。坡口截面形状不对称的焊缝，其角变形较大，采用截面形状对称的坡口代替不对称的坡口有利于减小角变形。坡口角度越大，填充焊缝金属量越大，沿板厚横向收缩量越不均匀，角变形越大。

3 钢结构焊接过程中变形控制对策分析与研究

3.1 对于焊缝的合理选择

为了达到减少梁或者柱等构件挠性变形收缩量的目的，应该尽量将焊缝置于截面中性轴或者对称于中性轴。对于焊接方法的选择：①为尽量减少焊接变形，所选择的焊接方法的线能量越低越好。②在对H型钢翼板与腹板的焊接，应该选用埋弧自动焊。③在对不同截面积的构件焊接中，为减少焊接变形发生及减小焊接线能量，对于小截面焊缝进行CO2焊打底，对盖面采用手弧焊方式。④在对H型钢气割成T型钢时不能有间断，这样可以确保气割过程中有相同的热膨胀量。对于焊接顺利的合理选择：在焊接过程中，选用上下对角焊接的顺序可以保持构件的平直性，抵消焊缝所引起的挠曲变形，保证受热均匀性以减小收缩变形量。类似的焊接顺序同样适用于筋板等多种构件。

3.2 在焊接过程中，最普遍采用的焊接方法为反变形法

反变形焊接方法的具体步骤是：在焊接之前对于焊缝结构的大小及位置进行准确的预估，在实际的装配过程中对于焊缝施加一个相反的变形，用于抵消焊接变形收缩所产生的应力，确保构件在焊接之后的质量要求。若不能对构件进行反变形法焊接，可以采用刚性固定的方法进行焊接。即是确保构件尽量固定的情况下对焊接变形进行限制。

3.3 对于焊接工作，要做好焊接前，焊接中，焊接后各项检测控制

在焊接前需要准确测量构件的中心线、长度、标高等。在焊接过程中，需要采用合理的焊接手段及顺序，随时观察焊接质量，如若发现焊接质量问题，应该及时的采取补救措施。焊接工作完成后，要对构件进行再次测量确认，保证焊接工作的质量。

3.4 焊接件矫正措施

第一，利用压力机或者撑直机来纠正钢结构焊接变形。比如，将压力机放在变形构件两边，对准凸出部位慢压，以此来矫正变形。第二，焊接施工完成后，利用高温火焰反其道矫正变形，对焊接变形位置输入热量，加热到塑性状态，就会产生一定的收缩差，变形会向相反方向发生变形，以此来矫正变形。

4 结束语

在进行钢结构设计的时候可以对出现变形的问题采取不同的设计方案，同时在施工工艺和焊接管理方面都可以采取必要的措施，这样能够更好的对焊接变形问题进行控制，同时，也能更好的保证施工的质量。对钢结构变形影响的因素非常多，因此，在进行焊接的时候不可避免的会出现变形的情况，在这种情况下采取一些措施是非常必要的。