1、论钢结构焊接变形的成因与控制策略摘要：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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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)中的焊缝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
8、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
9、，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，
10、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
11、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.
