控制建筑工程钢结构焊接变形的措施浅论

　　摘要：本文首先概要介绍了钢结构焊接变形的种类和原因，继而较详细的分析了防止和减少变形的措施及变形矫正方法。
　　关键词：建筑；钢结构；焊接变形；控制；预防
　　焊接钢结构以其强度高，稳定性好，施工速度快等优点，逐步在建筑结构中占据主要地位，但是钢结构焊接变形问题也日益突出，这不仅对钢结构的尺寸精度与外形美观、工程质量等造成了一定的影响，而且给焊后带来大量复杂的矫正工作，因此控制钢结构变形迫在眉睫。
　　一、钢结构焊接变形的种类及产生原因
　　由于焊接结构的接头形式、工艺、方式及焊缝位置等的不同，造成焊接变形
　　在外观表现形式上各有不同，大概可分为以下几种：
　　（一）纵向缩短和横向缩短变形
　　这是由于钢板对接后焊缝发生纵向收缩和横向收缩所引起；同时对于工字形梁而言，不仅纵向焊缝能引起构件纵向缩短，横向焊缝同样能引起结构纵向缩短，而且起主要作用。
　　（二）扭曲变形
　　扭曲变形原因较多，装配质量不好和配件搁置不当，以及焊接顺序和焊接方向不合理都可能导致变形，但归根到底还是焊缝的纵向或横向缩短所引起。
　　（三）角变形
　　钢板V型坡口对接焊后发生的角变形，是由于焊缝截面形状上下不对称，引起焊缝的横向缩短上下不均匀。X型坡口的对接头，当焊接顺序不合理，造成正反两条焊缝的横向缩短不相等时，也会产生角变形。
　　（四）波浪变形
　　主要出现在薄板焊接结构中，产生原因是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力；另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形。
　　（五）错边变形
　　焊后两焊接件在长度方向和厚度方向的错位现象，称为错边变形。主要是焊接过程中两焊接件的受热不均匀造成的。
　　（六）弯曲变形
　　焊接梁或柱产生弯曲的主要原因是焊缝在结构上布置不对称所引起。丁字形梁焊缝位于梁的中心线上方，焊后焊缝纵向缩短引起弯曲变形。
　　（七）螺旋形变形
　　焊件在结构上出现的扭曲变形。产生原因主要是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边造成的。
　　二、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、焊接操作方面的预防措施及焊接变形矫正措施。
　　（一）焊接节点构造设计
　　①控制焊缝的数量和大小。在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊缝的数量和大小，尽可能减少焊接变形。
　　②根据焊接工艺选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸。对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分。适当的坡口形状和大小，可以通过减少截面积，进一步减少结构的焊接变形量。
　　③焊接节点的位置应处于构件截面的对称处。结构中性轴焊接节点的位置应尽可能在构件截面的中性轴对称位置，或尽量接近中性轴，同时应避免在高应力区。
　　④对于节点形式的选择，应选用刚性小的节点形式。节点应避免在双向、三向交叉处，这样可以避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形。
　　（二）焊工操作要严格地遵守焊接规范
　　分析各种可能出现变形的原因，从而采取一些可行的防止和减少焊接变形的措施。
　　①锤击焊缝法：此法主要适用于薄板的焊接。当薄板的焊缝及其热影响区还没有完全冷却时，立即对该区域进行锤击，对于厚板则用风枪敲击。这种处理一方面消除和减少了焊接引起的角变形；另一方面由于敲击对该区域有一定的延伸作用，减少内应力。这种敲击当焊缝温度越高时锤击的效果越好。
　　②焊接工艺控制变形的方法
　　a、焊缝的正确施焊：正确的焊接方法常见有直通焊接法(即焊缝从一端直通焊到另一端)、分段法(将一段较长的焊缝从中心处分成数段，可同时施焊，也可逐段焊接)、对称焊接法。直通法适用于焊缝，长度不超过250～300mm。分段法适用于等长度的焊缝(长度在250～1000mm)长度在l000mm以上的。对称焊接适用于截面或焊缝布置对称的结构件，对称焊缝的变形有一部分互相抵消。
　　b、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1—3—4—2(如图1所示)的顺序施焊可大大降低焊接变形。
　　
　　图1
　　c、合理安排焊缝的位置：安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或使焊缝接近中性轴，这样对减少梁、柱类结构部位的挠曲变形有良好的效果。
　　③反变形。由于在冷却过程中焊缝会产生收缩反应，减少了工件焊接后的尺寸，为了弥补热胀冷缩带来的变形，在大型构件焊接时常用反变形的方法。反变形方法是在进行焊接前使构件预先发生变形，使变形方向和焊接变形方向相反、变形量大小基本相等。
　　④刚性固定法：就是在没有反变形情况下，将构件加以固定，来限制焊接变形，其构件固定可选用大型马板点焊固定定位。
　　（三）焊后矫正焊接变形的方法
　　根据是否采用外界能量，将其划分为机械与火焰矫正法。
　　①机械矫正法：利用外力，使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，与二者相抵消，从而达到消除焊接变形的目的。这种矫正法适用于T型梁、工字梁和一些简单的小结构，如机座等。
　　②火焰矫正法：即利用不均匀的加热使结构获得反向的变形来补偿或抵消原来的焊接变形。火焰加热的方式有三种：点状加热(即加热区为—圆点)、线状加热(沿直线方向移动或在宽度方向上作横向摆动)、三角形加热(加热区域为—三角形)。火焰矫正能消除很多机械矫正无法解决的变形，掌握火焰局部加热引起的变形的规律是做好矫正的关键，决定火焰矫正效果主要是加热的位置和加热温度。低碳钢和普通低合金的焊接结构通常采用650～800℃的加热温度，一般不宜超过900℃。参见表1各种颜色可判别温度范围。在利用火焰矫正的同时，为了提高矫正效果，也可在加热过程中施加外力矫正，火焰矫正时，加热点的冷却有两种方法：即自然冷却和水冷却，采用水火矫正法能使结构矫正收效快，并可以使矫正量大于自然冷却的矫正量。如矫正大型箱型截面构件的扭曲。
　　表1板材加热颜色及其相应温度
　　三、几种建筑钢结构施工焊接变形的控制方法
　　在建筑钢结构施工中，品种繁多，常见的建筑钢结构焊接变形的控制措施主要有如下几种：
　　（一）预制的小构件、预埋件的焊接变形
　　这类产品，一部分可采用焊后锤击法矫正焊接变形，另一部分构件，刚性较大，或因结构原因，无法采用锤击法矫正焊接变形，常采用火焰矫正法加以实现，在变形的反方向用火焰加热，火焰背面跟踪冷却来矫正焊接变形。
　　（二）钢屋架焊接变形的控制措施
　　钢屋架主要是由角钢拼焊形成，控制焊接变形主要是靠施工工艺措施来实现的。焊接变形主要有沿钢架跨度方向的收缩变形和沿钢屋架垂直面的挠曲变形引起的侧弯。
　　（三）钢架梁、吊车梁、钢柱等
　　焊接工字型组成的大型钢结构，焊接过程中在四条纵向长焊缝的影响下，容易出现翼缘板角变形，纵向收缩变形，挠曲变形，侧弯等焊接变形。
　　①焊接工字梁翼缘角变形的控制：主要的控制方式有如下几种：刚性固定法、反变形法、焊后火焰矫正法、焊后机械矫正法。
　　②焊接工字梁纵向收缩变形的控制：控制焊接工字梁纵向收缩变形的方式同控制钢屋架收缩变形方式相同，也是采用预留焊缝收缩留量来实现，但收缩留量要通过计算实现。
　　③焊接工字梁挠曲变形的控制，一般应尽量采取工艺措施加以解决，如焊后仍存在挠曲变形，再采用焊后矫正法矫正处理。
　　（四）焊接工字梁侧弯变形的控制
　　工字梁侧弯的控制可采用与上述加热区挠曲变形相同的工艺方式及相似的火焰矫正法加以控制，不同的是加热区形状应选择翼缘板最大侧弯处加热，直到满足要求为止。
　　参考文献：
　　[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，20O2．
　　[2]建筑钢结构焊接规程[M].北京：中国计划出版社，1993．
　　[3]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M].北京：机械工业出版社，1997．

《控制建筑工程钢结构焊接变形的措施浅论》

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