论文部分内容阅读
【摘 要】为解决钢结构焊接变形所引起的钢结构变形，对常见的焊接变形进行了分析，归纳出线形、角形、弯曲形、扭转形及波浪形五种变形方式，并对这五种变形产生的原因进行了探讨。对如何减少焊接变形作了方方面面地介绍，重要的是采取有效措施对已变形的焊接构件进行矫正，以此将焊接变形带来的危害降到最低程度，增大经济效益。
【关键词】钢结构；焊接变形；防范；控制
Prevention and Control of Steel Welding Distortion
Shen Dong-hai
(Xinjiang Karamay City Jinlong town Antai Company Karamay Xinjiang 834003)
【Abstract】To solve the distortion caused by welding steel structure steel structure deformation of the common welding deformation is analyzed, summarized outlet shaped, angular, curved shape, wavy shape and five reverse deformation, and deformation of these five causes were discussed. Made on how to reduce all aspects of welding deformation introduction, it is important to take effective measures have been correct for deformation of welded components in order to welding distortion to minimize the harm and increase economic efficiency.
【Key words】Steel;Welding deformation;Prevention;Control
钢结构焊接过程是高温加热过程，焊缝熔池金属熔点处温度最高，而熔池周围金属湿度由熔点递减，直到达到室温。焊接高温金属受热膨胀，因金属膨胀受到周围低温金属的阻碍，无法自由膨胀，形成塑性变形。在焊后冷却过程中，塑性收缩金属，又受到其周围金属的阻碍，无法自由收缩，从而使整体构件产生一定的收缩，形成焊接变形。
1. 焊接变形的种类
钢结构经过焊接加工后，都会发生一定的形状改变，钢结构焊接变形的几种基本形式为：
1.1 线性变形。
1.1.1 纵向变形：是焊缝纵向收缩引起的。
1.1.2 横向变形：是焊缝横向收缩引起的。
1.2 角变形。
贴角焊缝上层焊量大，收缩量也大，因此角变形主要是焊缝在其高度方向横向收缩不均匀引起的。
1.3 弯曲变形。
对丁字型截面，焊缝收缩对重心有偏心距，因而使截面向上弯曲，所以弯曲变形是偏心焊缝的纵向收缩引起的。
1.4 扭转变形。
原因较复杂，主要是焊缝纵向收缩不均匀引起的。
2. 焊接变形产生的原因
焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热，以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的钢性拘束作用，通过力、温度和组织等因素的变化，从而在焊接接头区产生不均匀的缩性变形，焊缝的纵向和横向缩短是引起各种复杂变形的根本原因。
2.1 结构刚度。
刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力，它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。如工字型截面和桁架的纵向变形，主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸；再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯曲变形，主要取决于截面的抗弯刚度。
2.2 焊缝位置和数量。
在钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理，则只产生线性缩短；当焊缝布置不对称时，则还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，则只产生线缩短；当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则还会产生角变形。
2.3 焊接工艺。
焊接电流大，焊条直径粗，焊接速度慢，都会造成焊接变形大；自动焊接的变形较小，但焊接厚钢板时，自动焊比手工焊的焊接变形稍大；多层焊时，第一层焊缝收缩量最大，第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20 %和5 %~10 %，层数越多焊接变形也越大；断续焊缝比连续焊缝的收缩量小；对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2倍~4倍；焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形。所以在施工时要制定合理的施工工艺措施。
3. 控制焊接变形的措施
控制焊接变形的措施可归结为设计方面、施工方面的预防措施及焊接变形矫正措施。在设计方面可采用选择合理的焊缝尺寸和型式尽可能减少不必要的焊缝和合理安排焊接位置等设计手段来实现。这里不再赘述，下面主要叙述施工方面的预防措施及焊后变形矫正措施。
3.1 施工预防措施：
在施工过程中可采取多种措施预防焊接变形，主要可归纳为反变形法、刚性固定法、合理选择焊接方法和规范、选择合理的装配焊接顺序等。
3.1.1 反变形法：所谓反变形法就是在构件施焊前，确定其焊接变形的大小和方向，焊后使构件达到设计要求。如采用夹具施加与焊接变形相反的作用力的方法，与焊接变形相抵消，以达到防止变形的目的。
3.1.2 刚性固定法：所谓刚性固定法就是在没有采取反变形的情况下，将构件固定增加焊件刚度，限制焊接变形。按变形相反方向，用夹具或点焊方式将焊件固定，从而限制焊接变形。
焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件，增加刚性后，再进行焊接，这样焊接中的加热和冷却的收缩变形被固定夹具等外力所限制，但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢，不适应中碳钢和可焊性更差的钢材，因为焊接应力常使焊件产生裂纹。
3.1.3 合理地选择焊接方法和规范：从影响焊接变形的因素的叙述中可以知道，选用焊接线能量较低的焊接方法和规范参数，可以有效地防止焊接变形，如采用CO2焊代替手工电弧焊，采用多层焊的方式降低焊接参数来降低线能量。
3.1.4 选择合理的装配焊接顺序：这种方式就是使物件在焊接过程中，通过合理的装配焊接顺序，使焊接变形能够互相抵消，从而达到降低变形的目的。如对于工字梁的焊接，可采用先拼焊再按的顺序施焊可大大降低焊接变形。
3.2 焊后矫正焊接变形的方法。
构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须进行矫正。变形矫正的方法有：机械矫正法、火焰矫正法和混合矫正法。施工时，可以根据实际情况合理选用，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。
其中机械与火焰矫正法分别为：
3.2.1 机械矫正法：所谓机械矫正法就是利用外力，使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，与焊接变形相抵消，从而达到消除焊接变形的目的。
3.2.2 火焰矫正法：火焰矫正法是利用火焰在与焊接变形方向相反的对应部份局部加热产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。使用火焰矫正法的关键是正确选择加热位置和加热范围。
根据火焰矫正法加热时，有否采用水冷及水冷位置的不同，又可分为空冷、正冷和背冷三种。空冷是指火焰加热时不用水冷的矫正方法；正冷是在火焰加热面采用跟踪水冷的矫正方法；而背冷则是指火焰加热时，在火焰加热背面采用跟踪水冷的矫正方法。
4. 结束语
焊接变形产生的机理多种多样，同时还受到操作环境和操作技能的影响。只有在实践中不断总结，才能有效防治。同时加热矫正引起的应力会与焊接应力叠加，同向应力叠加甚至可能会使构件的总应力超过允许应力，从而导致构件承载力增大引起结构破坏，因此在钢结构制造过程中，要尽量采用科学合理工艺，以减少构件变形。
参考文献
［1］ SBN7-80159-487-8/TU.246《钢结构工程施工与验收实用手册》.北京建材工业出版社.
［2］ SBN7-80177-012/TU.008.《建筑钢结构施工手册》.中国计划出版社.
［3］ GB 50205-2001.《钢结构工程施工质量验收规范》［1］田锡唐.焊接结构.机械工业出版社，1982.
［4］ 黄文哲.焊接手册.机械工业出版社，1991.
［5］ 白云.钢结构.《钢结构》编辑部，2003.2.
［6］ 田锡唐.火焰成形研究论文集.哈尔滨工业大学，1980.
［文章编号］1006-7619（2011）03-07-161
【关键词】钢结构；焊接变形；防范；控制
Prevention and Control of Steel Welding Distortion
Shen Dong-hai
(Xinjiang Karamay City Jinlong town Antai Company Karamay Xinjiang 834003)
【Abstract】To solve the distortion caused by welding steel structure steel structure deformation of the common welding deformation is analyzed, summarized outlet shaped, angular, curved shape, wavy shape and five reverse deformation, and deformation of these five causes were discussed. Made on how to reduce all aspects of welding deformation introduction, it is important to take effective measures have been correct for deformation of welded components in order to welding distortion to minimize the harm and increase economic efficiency.
【Key words】Steel;Welding deformation;Prevention;Control
钢结构焊接过程是高温加热过程，焊缝熔池金属熔点处温度最高，而熔池周围金属湿度由熔点递减，直到达到室温。焊接高温金属受热膨胀，因金属膨胀受到周围低温金属的阻碍，无法自由膨胀，形成塑性变形。在焊后冷却过程中，塑性收缩金属，又受到其周围金属的阻碍，无法自由收缩，从而使整体构件产生一定的收缩，形成焊接变形。
1. 焊接变形的种类
钢结构经过焊接加工后，都会发生一定的形状改变，钢结构焊接变形的几种基本形式为：
1.1 线性变形。
1.1.1 纵向变形：是焊缝纵向收缩引起的。
1.1.2 横向变形：是焊缝横向收缩引起的。
1.2 角变形。
贴角焊缝上层焊量大，收缩量也大，因此角变形主要是焊缝在其高度方向横向收缩不均匀引起的。
1.3 弯曲变形。
对丁字型截面，焊缝收缩对重心有偏心距，因而使截面向上弯曲，所以弯曲变形是偏心焊缝的纵向收缩引起的。
1.4 扭转变形。
原因较复杂，主要是焊缝纵向收缩不均匀引起的。
2. 焊接变形产生的原因
焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热，以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的钢性拘束作用，通过力、温度和组织等因素的变化，从而在焊接接头区产生不均匀的缩性变形，焊缝的纵向和横向缩短是引起各种复杂变形的根本原因。
2.1 结构刚度。
刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力，它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。如工字型截面和桁架的纵向变形，主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸；再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯曲变形，主要取决于截面的抗弯刚度。
2.2 焊缝位置和数量。
在钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理，则只产生线性缩短；当焊缝布置不对称时，则还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，则只产生线缩短；当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则还会产生角变形。
2.3 焊接工艺。
焊接电流大，焊条直径粗，焊接速度慢，都会造成焊接变形大；自动焊接的变形较小，但焊接厚钢板时，自动焊比手工焊的焊接变形稍大；多层焊时，第一层焊缝收缩量最大，第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20 %和5 %~10 %，层数越多焊接变形也越大；断续焊缝比连续焊缝的收缩量小；对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2倍~4倍；焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形。所以在施工时要制定合理的施工工艺措施。
3. 控制焊接变形的措施
控制焊接变形的措施可归结为设计方面、施工方面的预防措施及焊接变形矫正措施。在设计方面可采用选择合理的焊缝尺寸和型式尽可能减少不必要的焊缝和合理安排焊接位置等设计手段来实现。这里不再赘述，下面主要叙述施工方面的预防措施及焊后变形矫正措施。
3.1 施工预防措施：
在施工过程中可采取多种措施预防焊接变形，主要可归纳为反变形法、刚性固定法、合理选择焊接方法和规范、选择合理的装配焊接顺序等。
3.1.1 反变形法：所谓反变形法就是在构件施焊前，确定其焊接变形的大小和方向，焊后使构件达到设计要求。如采用夹具施加与焊接变形相反的作用力的方法，与焊接变形相抵消，以达到防止变形的目的。
3.1.2 刚性固定法：所谓刚性固定法就是在没有采取反变形的情况下，将构件固定增加焊件刚度，限制焊接变形。按变形相反方向，用夹具或点焊方式将焊件固定，从而限制焊接变形。
焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件，增加刚性后，再进行焊接，这样焊接中的加热和冷却的收缩变形被固定夹具等外力所限制，但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢，不适应中碳钢和可焊性更差的钢材，因为焊接应力常使焊件产生裂纹。
3.1.3 合理地选择焊接方法和规范：从影响焊接变形的因素的叙述中可以知道，选用焊接线能量较低的焊接方法和规范参数，可以有效地防止焊接变形，如采用CO2焊代替手工电弧焊，采用多层焊的方式降低焊接参数来降低线能量。
3.1.4 选择合理的装配焊接顺序：这种方式就是使物件在焊接过程中，通过合理的装配焊接顺序，使焊接变形能够互相抵消，从而达到降低变形的目的。如对于工字梁的焊接，可采用先拼焊再按的顺序施焊可大大降低焊接变形。
3.2 焊后矫正焊接变形的方法。
构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须进行矫正。变形矫正的方法有：机械矫正法、火焰矫正法和混合矫正法。施工时，可以根据实际情况合理选用，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。
其中机械与火焰矫正法分别为：
3.2.1 机械矫正法：所谓机械矫正法就是利用外力，使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，与焊接变形相抵消，从而达到消除焊接变形的目的。
3.2.2 火焰矫正法：火焰矫正法是利用火焰在与焊接变形方向相反的对应部份局部加热产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。使用火焰矫正法的关键是正确选择加热位置和加热范围。
根据火焰矫正法加热时，有否采用水冷及水冷位置的不同，又可分为空冷、正冷和背冷三种。空冷是指火焰加热时不用水冷的矫正方法；正冷是在火焰加热面采用跟踪水冷的矫正方法；而背冷则是指火焰加热时，在火焰加热背面采用跟踪水冷的矫正方法。
4. 结束语
焊接变形产生的机理多种多样，同时还受到操作环境和操作技能的影响。只有在实践中不断总结，才能有效防治。同时加热矫正引起的应力会与焊接应力叠加，同向应力叠加甚至可能会使构件的总应力超过允许应力，从而导致构件承载力增大引起结构破坏，因此在钢结构制造过程中，要尽量采用科学合理工艺，以减少构件变形。
参考文献
［1］ SBN7-80159-487-8/TU.246《钢结构工程施工与验收实用手册》.北京建材工业出版社.
［2］ SBN7-80177-012/TU.008.《建筑钢结构施工手册》.中国计划出版社.
［3］ GB 50205-2001.《钢结构工程施工质量验收规范》［1］田锡唐.焊接结构.机械工业出版社，1982.
［4］ 黄文哲.焊接手册.机械工业出版社，1991.
［5］ 白云.钢结构.《钢结构》编辑部，2003.2.
［6］ 田锡唐.火焰成形研究论文集.哈尔滨工业大学，1980.
［文章编号］1006-7619（2011）03-07-161