论文部分内容阅读
摘要：钢结构离不开焊接，焊接必然产生一定量的焊接变形，焊接变形的控制对于钢结构的建造周期和使用寿命尤为重要。本文从多个角度论述了钢结构焊接变形的成因与控制策略，希望能够起到抱砖引玉的作用，为内业同事提高一定的参考和借鉴。
关键词：钢结构；焊接变形；成因；控制策略
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
概述
由于焊接是一种局部加热的工艺过程，焊件局部被加热产生膨胀，受到周边冷金属的约束不能自由伸长，产生了压缩塑性变形，冷却时这部分金属不能自由收缩，就会产生残存在构件内部的应力，称焊接残余应力。焊后引起的焊接构件形状、尺寸的变化称为焊接变形。钢结构焊接后出现变形的类型和大小与结构的材料、板厚、形状、焊缝在结构上的位置，以及采用的焊接顺序、焊接电流大小、焊接方法等有关。按焊接残余变形的外观形态来分有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形五种基本类型。下文将对结构焊接变形的成因与控制策略进行相关论述。
一、钢构焊接变形的成因及影响因素
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、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。
3、挠曲变形(弯曲变形)
挠曲变形是焊接细长工字钢梁、桁架、柱、管道等焊件时容易产生的一种变形。引起挠曲变形的原因有焊缝的纵向和横向收缩。
(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。
影响挠曲变形的因素主要有钢结构的截面形状和尺寸大小等。
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，最主要的是钢结构的截面形状。如截面封闭型的比截面不封闭型的钢结构抗扭刚性好。
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。
6、波浪变形
焊接加热中产生的纵向和横向压应力，使薄板失去稳定而发生波浪变形。另一种是由角焊缝的横向收缩引起的角变形造成的波浪变形。
二、钢结构焊接变形的控制策略
钢结构焊接变形的控制策略，可以从设计和工艺两方面来考虑。
1、设计上的策略
(1)合理地选择焊缝的尺寸和排布。焊缝的尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构承载能力的条件下，设计时应尽量采用最短的焊缝尺寸。
(2)尽可能减少不必要的焊缝在设计安排焊缝时，应尽可能使焊缝对称于截面的中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁、柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。如图1(a)中的焊縫集中在断面中性轴以上，中性轴下面没有焊缝；而图1(b) 中的两条焊缝对称于中性轴，图1(c)中的两条焊缝在截面的中性轴上，因此图1(b)、图1(c)的挠曲变形要小于图1(a)。
（a）（b）（c）
图1 箱形梁的焊缝布置
2、工艺上的策略
(1)反变形法
这是生产中常用的预防变形的方法。在装配前估算巾焊接变形的大小和方向，在装配时给予构件一个相反方向的变形，使其与焊接变形相抵消，如图2所示。
（a） （b）
图2 几种反变形措施
(2)刚性固定
刚性固定是指将焊件强制固定，焊接中焊件不能因变形移动，用强制手段减少变形的一种方法。常用的刚性固定法有胎具固定法、卡具固定法、局部增加刚性法等。图3是卡具固定法焊接T形梁的示意图。图4是局部增加刚性法的示意图，焊接前可采用临时支撑加固件、拉杆等，增加焊件局部的刚度，以达到减小变形的目的。
图3 T形梁的组焊图4 局部增加刚性法
(3)合理地选择焊接方法和焊接工艺参数
一般来讲，线能量越大，对焊件输入的热量越多，焊件的变形也越大。采用加热面积小、能量集中的焊接方法，用多层焊代替单层单道焊，用断续焊、退焊、跳焊等代替连续焊，在保证焊缝质量的前提下，焊接线能量尽量选的小一些(尤其是薄板和易淬火钢)等措施，可减少对焊件的热量输入，将变形控制在最小范围。如采用二氧化碳气体保护焊来代替焊条电弧焊，除铸铁和薄板低碳钢结构件外尽量不采用气焊等。此外，应严格控制焊角尺寸，不得随意超差。焊接中焊接速度要均匀，焊缝宽窄要一致，否则会使焊接输入的热量不均匀，变形增大。
(4) 选择合理的装配焊接顺序
1.正确判断中性轴
每种钢结构都是由零件组成部件、由部件装配成成品。装配中零件和零件之间、部件和部件之间是由许多焊缝连接在一起。如果把成品分成若干个部件，则应使焊缝数量相对少，变形容易控制也容易矫正，由此再由部件组装成成品时变形也相对小，也容易控制。控制装配焊接中的变形，首先应正确判断中性轴在结构中的位置。装配焊接中焊缝的位置相对钢结构的零件、部件、成品截面的中性轴是变化的，即对钢结构的装配和焊接来说，部件截面的中性轴和部件上焊缝离截面中性轴的距离都是在变化的，因此每装配一件和焊接一条焊缝，都会对钢结构的变形有不同的影响。但在各种可能的装配焊接顺序中，总可以找到一个引起焊接变形最小的方案。为了控制和减小焊接变形应采用对称焊和非对称焊。
2．对称焊
由于钢结构中焊缝相对中性轴呈对称分布，如果不采用合理的焊接顺序会产生较大变形。钢结构中很多焊件、部件是对称的，在实际生产中各条焊缝的焊接顺序总是有先有后，所以，在焊接过程中随着焊缝数量的增多，焊件的刚度不断增加，先焊的焊缝容易使焊件产生变形，最后焊的焊缝则影响较小，因此，虽然焊缝对称，但随意安排焊接顺序，焊后也会产生变形。为防止对称焊缝的变形，对于对称的焊缝采用对称焊抵消焊接变形。为了减少大型工字梁在焊接腹板和加强筋时可能产生的挠曲变形，最好由2-4名焊工按合理的焊接顺序同时进行焊接。如为防止扭曲变形，由四名焊工对称地从焊缝中间开始向两侧同时焊接。有时由于产品结构的特点，不可能做到同时进行对称焊接，出现类似情况时，允许焊缝焊接有先有后，但在焊接顺序上尽可能做到对称焊接。
3．非对称焊缝
非对称焊缝应先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，因为焊缝多的一侧所造成的变形可以抵消焊缝少的一侧的变形，使总体变形减小。
三、结语
以上对引起钢结构焊接变形的各种原因和影响因素进行了分析，只有了解了产生变形的原因，才能有针对性地采用有效的防范措施，避免产生变形或考虑获得最小变形的方法，使钢结构在焊接中防止和减少变形，满足设计和生产使用的要求。
参考文献：
[1]王国凡主编，钢结构焊接导论，哈尔滨工业大学出版社,2009.01.
[2]王维中，勾维国等编，钢结构焊接基础，化学工业出版社,2008.04.
[3]周宇辉主编，铆工简明实用手册，江苏科学技术出版社,2009.05.
关键词：钢结构；焊接变形；成因；控制策略
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
概述
由于焊接是一种局部加热的工艺过程，焊件局部被加热产生膨胀，受到周边冷金属的约束不能自由伸长，产生了压缩塑性变形，冷却时这部分金属不能自由收缩，就会产生残存在构件内部的应力，称焊接残余应力。焊后引起的焊接构件形状、尺寸的变化称为焊接变形。钢结构焊接后出现变形的类型和大小与结构的材料、板厚、形状、焊缝在结构上的位置，以及采用的焊接顺序、焊接电流大小、焊接方法等有关。按焊接残余变形的外观形态来分有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形五种基本类型。下文将对结构焊接变形的成因与控制策略进行相关论述。
一、钢构焊接变形的成因及影响因素
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、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。
3、挠曲变形(弯曲变形)
挠曲变形是焊接细长工字钢梁、桁架、柱、管道等焊件时容易产生的一种变形。引起挠曲变形的原因有焊缝的纵向和横向收缩。
(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。
影响挠曲变形的因素主要有钢结构的截面形状和尺寸大小等。
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，最主要的是钢结构的截面形状。如截面封闭型的比截面不封闭型的钢结构抗扭刚性好。
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。
6、波浪变形
焊接加热中产生的纵向和横向压应力，使薄板失去稳定而发生波浪变形。另一种是由角焊缝的横向收缩引起的角变形造成的波浪变形。
二、钢结构焊接变形的控制策略
钢结构焊接变形的控制策略，可以从设计和工艺两方面来考虑。
1、设计上的策略
(1)合理地选择焊缝的尺寸和排布。焊缝的尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构承载能力的条件下，设计时应尽量采用最短的焊缝尺寸。
(2)尽可能减少不必要的焊缝在设计安排焊缝时，应尽可能使焊缝对称于截面的中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁、柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。如图1(a)中的焊縫集中在断面中性轴以上，中性轴下面没有焊缝；而图1(b) 中的两条焊缝对称于中性轴，图1(c)中的两条焊缝在截面的中性轴上，因此图1(b)、图1(c)的挠曲变形要小于图1(a)。
（a）（b）（c）
图1 箱形梁的焊缝布置
2、工艺上的策略
(1)反变形法
这是生产中常用的预防变形的方法。在装配前估算巾焊接变形的大小和方向，在装配时给予构件一个相反方向的变形，使其与焊接变形相抵消，如图2所示。
（a） （b）
图2 几种反变形措施
(2)刚性固定
刚性固定是指将焊件强制固定，焊接中焊件不能因变形移动，用强制手段减少变形的一种方法。常用的刚性固定法有胎具固定法、卡具固定法、局部增加刚性法等。图3是卡具固定法焊接T形梁的示意图。图4是局部增加刚性法的示意图，焊接前可采用临时支撑加固件、拉杆等，增加焊件局部的刚度，以达到减小变形的目的。
图3 T形梁的组焊图4 局部增加刚性法
(3)合理地选择焊接方法和焊接工艺参数
一般来讲，线能量越大，对焊件输入的热量越多，焊件的变形也越大。采用加热面积小、能量集中的焊接方法，用多层焊代替单层单道焊，用断续焊、退焊、跳焊等代替连续焊，在保证焊缝质量的前提下，焊接线能量尽量选的小一些(尤其是薄板和易淬火钢)等措施，可减少对焊件的热量输入，将变形控制在最小范围。如采用二氧化碳气体保护焊来代替焊条电弧焊，除铸铁和薄板低碳钢结构件外尽量不采用气焊等。此外，应严格控制焊角尺寸，不得随意超差。焊接中焊接速度要均匀，焊缝宽窄要一致，否则会使焊接输入的热量不均匀，变形增大。
(4) 选择合理的装配焊接顺序
1.正确判断中性轴
每种钢结构都是由零件组成部件、由部件装配成成品。装配中零件和零件之间、部件和部件之间是由许多焊缝连接在一起。如果把成品分成若干个部件，则应使焊缝数量相对少，变形容易控制也容易矫正，由此再由部件组装成成品时变形也相对小，也容易控制。控制装配焊接中的变形，首先应正确判断中性轴在结构中的位置。装配焊接中焊缝的位置相对钢结构的零件、部件、成品截面的中性轴是变化的，即对钢结构的装配和焊接来说，部件截面的中性轴和部件上焊缝离截面中性轴的距离都是在变化的，因此每装配一件和焊接一条焊缝，都会对钢结构的变形有不同的影响。但在各种可能的装配焊接顺序中，总可以找到一个引起焊接变形最小的方案。为了控制和减小焊接变形应采用对称焊和非对称焊。
2．对称焊
由于钢结构中焊缝相对中性轴呈对称分布，如果不采用合理的焊接顺序会产生较大变形。钢结构中很多焊件、部件是对称的，在实际生产中各条焊缝的焊接顺序总是有先有后，所以，在焊接过程中随着焊缝数量的增多，焊件的刚度不断增加，先焊的焊缝容易使焊件产生变形，最后焊的焊缝则影响较小，因此，虽然焊缝对称，但随意安排焊接顺序，焊后也会产生变形。为防止对称焊缝的变形，对于对称的焊缝采用对称焊抵消焊接变形。为了减少大型工字梁在焊接腹板和加强筋时可能产生的挠曲变形，最好由2-4名焊工按合理的焊接顺序同时进行焊接。如为防止扭曲变形，由四名焊工对称地从焊缝中间开始向两侧同时焊接。有时由于产品结构的特点，不可能做到同时进行对称焊接，出现类似情况时，允许焊缝焊接有先有后，但在焊接顺序上尽可能做到对称焊接。
3．非对称焊缝
非对称焊缝应先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，因为焊缝多的一侧所造成的变形可以抵消焊缝少的一侧的变形，使总体变形减小。
三、结语
以上对引起钢结构焊接变形的各种原因和影响因素进行了分析，只有了解了产生变形的原因，才能有针对性地采用有效的防范措施，避免产生变形或考虑获得最小变形的方法，使钢结构在焊接中防止和减少变形，满足设计和生产使用的要求。
参考文献：
[1]王国凡主编，钢结构焊接导论，哈尔滨工业大学出版社,2009.01.
[2]王维中，勾维国等编，钢结构焊接基础，化学工业出版社,2008.04.
[3]周宇辉主编，铆工简明实用手册，江苏科学技术出版社,2009.05.