建筑钢结构焊接变形的原因分析与控制方法

摘要：在焊接钢铁的时候，钢铁会在应力的作用下发生形体变形，变形后的钢铁会给施工加大难度，并且由于设计要求中对钢结构的尺寸都是严格规范好的，因此，对于在焊接过程中已经失去精准度的钢结构会造成无法按照要求进行安装的问题。基于此，本文将结合案例阐明焊接变形的原因和有效控制焊接变形的方法以及减小焊接应力的一些方式。

关键词：焊接变形；应力；控制措施

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

由于在焊接过程中会对钢结构需要焊接的部位进行高温处理，这种局部受热的操作会使得钢结构在外形上产生形变，这种现象在焊接过程中是是不可避免的。因此，就钢结构在焊接的过程中产生变形的原因来研究如何有效地减少应力和变形。

1 实例概况

某项高层建筑高达623米，由120高层建筑主体以及地上7层、地下5层的裙房组成。该项建筑通体采用钢―混凝土混合结构，主要是以巨型框架 、核心筒 以及伸臂桁架抗侧力的结构体系作为支撑的。由于该项工程总体面积已经多达55.6万平方米，因此该项工程对钢结构的需求量较大，约为10万吨。这就使得在焊接的过程中既要保证钢结构的焊接质量以及将变形程度控制在允许的范围内，又要切实掌握好各项节点的施工，还要严格按照规范标准进行安装的操作。

2 简述产生焊接变形的原因

在焊接的过程中，由于钢结构局部受热开始膨胀，其他未受热部位并未发生改变，但会对已经膨胀的部位产生一个约束的压力，使得未受热的部分产生拉力；当焊接工具向前进行操作时，已经完成焊接的部位开始冷却，出现收缩的现象，此时，之前产生拉力的部位会对冷却的部位起到约束的作用，这就造成了已经焊接的部位会受到拉力的作用，而其他未焊接的部位则会受到不同程度上压力。致使钢结构产生变形的原因还有一个，即焊接应力，由于焊件拘束度的大小关系着钢结构的变形，较小会出现变短和弯曲等现象，太大则会使局部发生改变，与此同时还会有残余的应力产生[1]。

3 列明残余变形的种类

残余变形是指物体由于局部受热且经过冷却后发生的不能恢复原状的外形形变现象。有如下几种种类：(1)整体弯曲式变形：由于焊缝的热胀冷缩以及周围产生的应力，会使焊缝收缩引起焊件整体弯曲。(2)波浪式变形：比较薄的钢板在焊接过程中未采取任何防范措施会使得钢结构板面产生上翘和弯曲的现象。(3)横向收缩式变形：即板面于与焊缝的延伸方向垂直的一方产生板面缩短的现象。(4)纵向收缩式变形：是指板面同焊缝相同的方向产生收缩。(5)角变形：由于横向收缩变形使板面以焊缝的轴心为中心点出现的角度的变化。(6)扭曲变形：焊接后出现角变形，由于角变形的大小各不相同并且刚结构的边缘和中间的面板收缩的量也不同，从而使构件产生扭曲的现象，使得外形产生严重的变形。

4 简述解决焊接变形的方法

4.1 合理的设置坡口

对于拼接焊缝可以采用设置一个合理坡口的方法将焊接变形的影响降低到最小。针对一些比较厚的板面，若仍采用拼接焊缝的方法，可以尝试设计一个不对称的坡口，如图1所示。不对称坡口具体成型方法是：首先，找到坡口相对比较深的一面进行焊接，需注意的是，当前只焊接该侧坡口的1/3，其次翻转构件，完成其背面的焊接工作，待到上边两步都完成之后，再次将构件翻转过来，对剩余的未进行焊接的部位进行以上相同的操作。焊接完成后方能进行整条拼缝。通常施工中设置的坡口角度在35°~45°之间。本工程节点板最大板厚达109mm，为了有效减少焊缝的面积，施工人员将坡口角度设置为15°。

图1 焊接坡口设置

4.2 进行对称焊接施工

对称焊接施工的适用对象应是对称的构件，即不论是焊缝的分布点还是板面的形状，都应均匀对称。在对称焊接的操作中，应有两名焊工分别于两侧同时进行施工，用以防止单人操作时造成板筋无法垂直腹板而产生的形变，这样既能节省时间，又能有效的减少变形。

4.3 合理的规划焊接次序

合理的规划焊接工序不仅能防止构件发生形变的现象，还能有效的减小焊接构件的过程中集中的应力。针对本工程的巨型柱以及其截面的特点，施工人员采取4人对称焊接的模式进行操作。如图2所示，中间的A线为整个焊接面的中心轴线，焊接时由3名技术员先对轴线部位进行整体焊接，由于该项工程巨型柱向内部倾斜，因此，剩余的1人对单独的A部位进行焊接，之后由4名施工人员按照ABCD的顺序进行对称焊接[2]。

图2 合理安排焊接顺序

4.4 严格控制反变形措施

一般来说，只有在角焊缝的焊接过程中才会采用反变形措施。图3是进行薄翼板与腹板的焊接示意图，据了解，该项工程中使用的均为25毫米厚的叠板。在焊接的过程中，叠板极易向着腹板的方向发生形变，根据施工要求，叠板1和2要紧密的贴合在一起。因此，技术人员拟定采取反变形措施 (见图3-A)，主要的方法是，精确的计量在焊接过程中输入的热源来计算变形量，即图中指示B，该项方法能有效的使其在焊接之后仍能恢复之前的平直形态 (见图3-B)

A B

图3 反变形措施

5 应对减少焊接应力的具体措施

5.1 合理的选择焊缝的尺寸

应力是由焊接部位因热胀冷缩的原理而产生的，当焊接的部位较小时，对该部位输入的热源也就相对较小，这样随之产生的变形也就越小，反之，产生的变形也将随之越来越大。

5.2 选择最为适宜的焊接材料和参数。

良好的焊材能切实有效的分散应力，并且能降低焊缝中一些淬硬的组织形成率，有助于提高焊缝金属的各项性能，能有效的改善材料的韧性和抗裂性能等，使钢结构更能可靠的投入使用。一般来说，在选择材料的时候，要注意焊缝金属中碳的含量，选用含碳量低于母材中的含碳量最为适宜，为保证焊缝处的强度与母材相同，可通过添加硅、锰的含量来弥补该处的强度劣势。焊接参数中的焊接线能量大，则其产生的应力也大，焊后变形也会随之变大，当焊接参数中的焊接线能量越小时，出现的情况则相反 [3]。

5.3 采用适宜的焊接工艺

在焊接的过程中，常常会遇到焊缝较长的钢结构，这时一般会选择分段进行焊接，需要注意的事项是，每当在下一段焊接开始的时候，要注意将接头处与上一段的交错开，不要出现对接在一起的情况。该项工程将焊缝的间隔控制在50mm处。针对不同的情况也要采取不同的措施，如果焊接过程中出现局部过热的现象时，要先使温度冷却下或者先焊接背面；遇到构件的拘束度较大的情况，则要采用先大后小的方式来操作。

5.4 防止局部过热的处理方式

构件预热则会膨胀，这样既使构件本身出现裂纹，还会使应力集中并发生形变的问题。因此，对于热处理采取切实有效的措施是势在必行的。为防止出现局部过热的现象，可在焊接前对整体进行预热处理，能有效的消除淬硬组织的形成。

5.5 振动时效

振动时效的本质是由共振产生能量，这种能量会在构件内部进行运作，将那些由于残余应力引起的无法复原的晶格恢复到相对平衡的一个状态，能从根本上消除应力，或者能使得残余应力均匀化，不会集中在一起。一般针对那些较大的、不容易进行焊缝退火处理的构件可使用这个方法 [4]。该方法主要的优点在于能在较短的时间能高效率的完成施工，且取得的效果也较为乐观。

6 结束语

本文中讲述的案例因其面积较广、施工采用的构件较大、节点较为复杂等难点问题而加大了焊接变形的控制难度。经过上述操作，施工人员优化了焊接工艺、调整了焊接的顺序并针对不同情况选用了不同的焊接方式、对各项节点的安装也做了严格的控制与要求，从而大大降低了焊接变形造成的危害。综上所述，对于施工中出现焊接变形的问题，应当将变形降低在最小的范围内，严格保证工程主体的质量。

参考文献

[1]李亚江．焊接材料的选用[M]．北京：化学工业出版社，2004．

[2]丁洁民，巢 斯，赵 昕． 上海中心大厦结构分析中若干关键问题［J］．建筑结构学报，2010，31(6) :6．

[3]ISBN 7- 80159- 487- 8/TU・246《.钢结构工程施工与验收实用手册》[M].北京建材工业出版社.