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【摘 要】 钢结构焊接在安装过程中较为常见，焊接连接在具有其独特的优点的同时，也存在着其不可避免的缺陷，即焊接残余应力及焊接变形。本文就施工现场的工艺钢结构及炉壳焊接，结合连续退火炉结构安装工程实际，浅谈焊接的残余应力及焊接变形的原因，以及现场施工过程中如何控制及解决办法。
【关键词】 钢结构;焊接;应力;变形;控制措施
【Abstract】 Steel structure welding is more common in the installation process，welding connection has its unique advantages， but at the same time it also has the inevitable defects， namely welding residual stress and deformation. This article is showing the reasons of residual stress of welding and welding deformation ， and also give methods to control and solve the problem what is said above in the process of the construction site ，according to the scene of the process steel structure and the furnace shell welding， combined with the engineering practice of the furnace structure installation of Continuous Annealing Line.
【Key Words】 steel structure， welding， stress， deformation ， control measures
引言：
焊接连接是钢结构主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、密封性好、刚度大等特性。但同时钢结构焊接也存在一些缺点，如存在焊接残余应力，焊接过程易使钢构件发生形变，焊接对焊缝周围母材产生不均匀应力分布，使钢材的金属组织和机械性能发生变化。
一、工程概况
本工程位于山东省烟台市，立式退火炉，由加热炉、均热炉、缓冷段、快冷段、时效段、终冷段及水淬段等组成。其中加热炉、均热炉等炉体外形尺寸较大，炉壳壁厚较薄，焊接工作量大。而炉体安装最核心的工作就是控制焊缝的质量和几何尺寸，焊缝质量直接影响到整个炉体的气密性，做好焊接过程中的应力变形控制对炉体安装很重要。
加热炉炉体截面尺寸为11135mm*2920mm（长*宽），底辊室上部的炉体由2片端板与13片侧板组成，每一层单侧的水平焊缝长度约为28m。根据设计要求，炉体外部采用连续焊接，炉内采取间断焊接200@150，单层气密性焊接焊缝长度大，应力变形量大。炉体钢平台共有八层，钢柱为H300*300，中部平台主梁为H240*240，底层及顶层平台主梁为H390*300，次梁均为H240*240，对焊接变形控制要求较高。
本文以加热炉炉壳及工艺钢结构焊接为例，就焊接应力变形控制及应对措施进行浅析。
二、残余应力及焊接变形的原因分析
焊接过程对焊件进行局部且不均匀的加热，是焊接结构产生焊接应力和变形的根本原因。焊接一般采用集中热源在焊件上局部加热，因此在焊件上形成一个不均匀的温度场，不均匀的温度场使材料产生不均匀膨胀，处于高温区的材料在加热过程中膨胀量大，受到周围温度较低、膨胀较小的材料的限制，不能自由进行，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性变形，此时产生的内应力较小。在随后的冷却过程中，这部分已经产生压缩塑性变形的材料由于受到周围低温区的限制，而不能自由收缩，于是在焊件中又出现一个与焊接热时方向大致相反的内应力。故焊接时不均匀的局部加热及较大的温差是产生焊接残余应力和焊接变形的根本原因。
焊接构件变形的直接原因是焊缝的纵向收缩及横向收缩，因收缩受到结构材料的限制而产生应力和变形。不同的结构产生不同的变形，或同时产生几种变形。变形与以下因素有关：
1.焊缝在结构上的位置对变形的影响：构件上焊缝的位置不同会产生不同的变形，焊缝的不对称布置往往使构件产生弯曲、扭曲等复杂变形。
2.结构钢度对焊接变形的影响：结构在外力或内力的作用下产生的变形与结构抵抗变形的能力有关。
3.焊接顺序对结构变形的影响：焊接工艺上的一些因素常影响结构变形。焊接结构的整体刚度是随零件逐个装配焊接而形成的。结构的整体刚度大于单个零件的刚度和组合件的刚度。如果单纯从减少结构残余变形的角度出发，先装成整体后，再按顺序焊接，能够一定限度的减少焊接变形。
三、减少焊接残余应力措施
1.采用合理的施焊次序来减少焊接残余应力：
（1）焊接过程中先焊接收缩量较大的焊缝，因为先焊的焊缝收缩的阻力较小，焊接应力较小。炉壳焊接的过程中，炉体两端的焊缝宽度及结构刚度会有差异，焊缝宽度大的一端焊接完后的收缩量较大。这种情况下，先焊接焊缝宽度较大一端，待焊缝焊好稳定后再焊接另一端焊缝。这样在一定程度上有效地减少了焊接残余应力。
（2）一个结构上如果既有横焊缝又有纵焊缝，应先焊横缝，让它有较大的收缩余地，然后再焊纵缝。炉壳焊接的过程中，先焊接横向焊缝，最后焊接纵向焊缝，以此来减少焊接的残余应力。
（3）先焊接工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布，因为受力较大的焊缝往往是主受力杆件连接部位，钢结构平台在拼装焊接的过程中，先焊接主梁焊缝再焊接次梁焊缝。
2.焊前预热消除残余应力：焊前预热的目的是使焊接区和结构的温度差缩少，降低约束速度，达到减小焊接内应力的目的。焊前预热的温度应根据外界环境温度、母材的材质及厚度来确定，特别是在冬节施焊时，应在焊接前对焊缝周围区域100mm范围内进行预热，预热温度为60℃。
3.采用锤击焊缝的办法来消除焊接残余应力：在每道焊缝冷却的过程中，圆头小锤锤击焊缝，使焊缝金属受锤击产生塑性拉伸变形而向四周延展，以抵消焊缝的收缩而降低内应力。锤击时应保持均匀适度，不得对根部焊缝、盖面焊缝或焊缝坡口边缘的母材进行锤击。
四、控制焊接残余变形的措施
1.反变形：为抵消焊接变形，在焊接装配前，预先将构件向变形的反方向进行反变形。如V形坡口的对接反变形，根据板的厚度预置一定角度的反变形，能够抵消因焊接而产生的变形。
2.刚性加固：在焊接前采用夹持固定，加强焊件的刚度。在钢烟囱对焊的焊接过程中，采用刚性加固获得了较好的效果。在焊接前将构件的位置摆放好，调整好焊缝间隙后，在对接口周围对称加焊卡板来加固。卡板的大小及数量根据管径的大小、壁厚以及残余应力的强度来确定。
3.利用装配焊接顺序控制变形：调节零件的拼装焊接顺序也能够达到较好的控制焊接变形的效果。如单片主框架的拼装焊接过程中，尽量采用对称焊接，先焊主梁，再焊次梁，从主梁中部向两侧焊接，同一构件禁止两侧同时施焊。
4.焊后的校正措施：对于现场的焊接过程中已产生的的焊接变形，可采用氧气-乙炔局部加热的办法来校正。
五、结束语
钢结构焊接过程中，不可避免的会产生焊接残余应力及变形。但在现场施工的过程中，可以根据缺陷形成的原因，采取相对应的、切实有效的措施来解决这些问题，最终使结构的焊缝达到所需要的质量要求。
以上文章所述内容均为本人根据所参与的安装工程项目，对钢结构焊接缺陷的浅显认识。
参考文献：
1.《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002
【关键词】 钢结构;焊接;应力;变形;控制措施
【Abstract】 Steel structure welding is more common in the installation process，welding connection has its unique advantages， but at the same time it also has the inevitable defects， namely welding residual stress and deformation. This article is showing the reasons of residual stress of welding and welding deformation ， and also give methods to control and solve the problem what is said above in the process of the construction site ，according to the scene of the process steel structure and the furnace shell welding， combined with the engineering practice of the furnace structure installation of Continuous Annealing Line.
【Key Words】 steel structure， welding， stress， deformation ， control measures
引言：
焊接连接是钢结构主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、密封性好、刚度大等特性。但同时钢结构焊接也存在一些缺点，如存在焊接残余应力，焊接过程易使钢构件发生形变，焊接对焊缝周围母材产生不均匀应力分布，使钢材的金属组织和机械性能发生变化。
一、工程概况
本工程位于山东省烟台市，立式退火炉，由加热炉、均热炉、缓冷段、快冷段、时效段、终冷段及水淬段等组成。其中加热炉、均热炉等炉体外形尺寸较大，炉壳壁厚较薄，焊接工作量大。而炉体安装最核心的工作就是控制焊缝的质量和几何尺寸，焊缝质量直接影响到整个炉体的气密性，做好焊接过程中的应力变形控制对炉体安装很重要。
加热炉炉体截面尺寸为11135mm*2920mm（长*宽），底辊室上部的炉体由2片端板与13片侧板组成，每一层单侧的水平焊缝长度约为28m。根据设计要求，炉体外部采用连续焊接，炉内采取间断焊接200@150，单层气密性焊接焊缝长度大，应力变形量大。炉体钢平台共有八层，钢柱为H300*300，中部平台主梁为H240*240，底层及顶层平台主梁为H390*300，次梁均为H240*240，对焊接变形控制要求较高。
本文以加热炉炉壳及工艺钢结构焊接为例，就焊接应力变形控制及应对措施进行浅析。
二、残余应力及焊接变形的原因分析
焊接过程对焊件进行局部且不均匀的加热，是焊接结构产生焊接应力和变形的根本原因。焊接一般采用集中热源在焊件上局部加热，因此在焊件上形成一个不均匀的温度场，不均匀的温度场使材料产生不均匀膨胀，处于高温区的材料在加热过程中膨胀量大，受到周围温度较低、膨胀较小的材料的限制，不能自由进行，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性变形，此时产生的内应力较小。在随后的冷却过程中，这部分已经产生压缩塑性变形的材料由于受到周围低温区的限制，而不能自由收缩，于是在焊件中又出现一个与焊接热时方向大致相反的内应力。故焊接时不均匀的局部加热及较大的温差是产生焊接残余应力和焊接变形的根本原因。
焊接构件变形的直接原因是焊缝的纵向收缩及横向收缩，因收缩受到结构材料的限制而产生应力和变形。不同的结构产生不同的变形，或同时产生几种变形。变形与以下因素有关：
1.焊缝在结构上的位置对变形的影响：构件上焊缝的位置不同会产生不同的变形，焊缝的不对称布置往往使构件产生弯曲、扭曲等复杂变形。
2.结构钢度对焊接变形的影响：结构在外力或内力的作用下产生的变形与结构抵抗变形的能力有关。
3.焊接顺序对结构变形的影响：焊接工艺上的一些因素常影响结构变形。焊接结构的整体刚度是随零件逐个装配焊接而形成的。结构的整体刚度大于单个零件的刚度和组合件的刚度。如果单纯从减少结构残余变形的角度出发，先装成整体后，再按顺序焊接，能够一定限度的减少焊接变形。
三、减少焊接残余应力措施
1.采用合理的施焊次序来减少焊接残余应力：
（1）焊接过程中先焊接收缩量较大的焊缝，因为先焊的焊缝收缩的阻力较小，焊接应力较小。炉壳焊接的过程中，炉体两端的焊缝宽度及结构刚度会有差异，焊缝宽度大的一端焊接完后的收缩量较大。这种情况下，先焊接焊缝宽度较大一端，待焊缝焊好稳定后再焊接另一端焊缝。这样在一定程度上有效地减少了焊接残余应力。
（2）一个结构上如果既有横焊缝又有纵焊缝，应先焊横缝，让它有较大的收缩余地，然后再焊纵缝。炉壳焊接的过程中，先焊接横向焊缝，最后焊接纵向焊缝，以此来减少焊接的残余应力。
（3）先焊接工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布，因为受力较大的焊缝往往是主受力杆件连接部位，钢结构平台在拼装焊接的过程中，先焊接主梁焊缝再焊接次梁焊缝。
2.焊前预热消除残余应力：焊前预热的目的是使焊接区和结构的温度差缩少，降低约束速度，达到减小焊接内应力的目的。焊前预热的温度应根据外界环境温度、母材的材质及厚度来确定，特别是在冬节施焊时，应在焊接前对焊缝周围区域100mm范围内进行预热，预热温度为60℃。
3.采用锤击焊缝的办法来消除焊接残余应力：在每道焊缝冷却的过程中，圆头小锤锤击焊缝，使焊缝金属受锤击产生塑性拉伸变形而向四周延展，以抵消焊缝的收缩而降低内应力。锤击时应保持均匀适度，不得对根部焊缝、盖面焊缝或焊缝坡口边缘的母材进行锤击。
四、控制焊接残余变形的措施
1.反变形：为抵消焊接变形，在焊接装配前，预先将构件向变形的反方向进行反变形。如V形坡口的对接反变形，根据板的厚度预置一定角度的反变形，能够抵消因焊接而产生的变形。
2.刚性加固：在焊接前采用夹持固定，加强焊件的刚度。在钢烟囱对焊的焊接过程中，采用刚性加固获得了较好的效果。在焊接前将构件的位置摆放好，调整好焊缝间隙后，在对接口周围对称加焊卡板来加固。卡板的大小及数量根据管径的大小、壁厚以及残余应力的强度来确定。
3.利用装配焊接顺序控制变形：调节零件的拼装焊接顺序也能够达到较好的控制焊接变形的效果。如单片主框架的拼装焊接过程中，尽量采用对称焊接，先焊主梁，再焊次梁，从主梁中部向两侧焊接，同一构件禁止两侧同时施焊。
4.焊后的校正措施：对于现场的焊接过程中已产生的的焊接变形，可采用氧气-乙炔局部加热的办法来校正。
五、结束语
钢结构焊接过程中，不可避免的会产生焊接残余应力及变形。但在现场施工的过程中，可以根据缺陷形成的原因，采取相对应的、切实有效的措施来解决这些问题，最终使结构的焊缝达到所需要的质量要求。
以上文章所述内容均为本人根据所参与的安装工程项目，对钢结构焊接缺陷的浅显认识。
参考文献：
1.《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002