钢结构焊接变形的成因及控制方法

会议通知

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    焊接对钢结构来说是一把双刃剑，既成就了钢结构建设的快速，也会极大地影响钢结构的质量。钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的，但可以通过合理的作业措施来控制。今天我们来了解一下焊接变形的成因是什么，有哪些控制方法？

焊接变形的成因及控制方法顺口溜 焊接变形危害大，控制变形料工设； 材料特性影响大，低膨高弹变形小； 工艺参数要明确，焊接方法要正确； 薄板焊接小电流，厚板多道均匀焊； 结构设计要简单，板材可用型钢代； 厚板代替薄板件，减少肋板焊缝少； 焊道应该对称走，应力抵消变形小； 控制变形方法多，参数设计找诀窍； 反变拘束最常用，留够余量防缩变； 复杂结构单元化，拼接总装形变小； 焊缝结构不对称，少缝起焊最有效； 焊缝对称不用烦，偶数工人同时焊； 长缝焊接变形大，双人对称退焊法； 单人焊接亦可行，分段跳焊最实用； 认清形变其本质，解决问题不用烦； 实践经验最重要，大家都应要记牢。 变形的种类

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线性变形

1.纵向变形：是焊缝纵向收缩引起的；

2.横向变形：是焊缝横向收缩引起的；

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角变形

   贴角焊缝上层焊量大，收缩量很大，因此角变形主要是焊缝在其高度方向横向收缩不均匀引起的。

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弯曲变形

   对丁字型截面，焊缝收缩对重心有偏心距，因而使截面向上弯曲，所以弯曲变形是偏心焊缝的纵向收缩引起的。

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扭转变形

  钢结构焊接过程中，有些特殊的结构形式会出现波浪线型或螺线型变形即为扭转变形，其成因较为复杂。

焊接变形的影响因素

   焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热，以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的刚性拘束作用，通过力，温度和组织等因素，从而在焊接接头区产生不均匀的收缩变形。

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1）材料因素

   主要是由于材料本身的物理特性造成的，尤其是材料的热膨胀系数以及屈服极限还有弹性模量等对材料的作用，膨胀系数越大的材料其焊接变形量就越大，弹性模量增大焊接变形随之减少，而屈服极限大的则会造成较高的残余应力造成变形增大。不锈钢的膨胀系数大于碳钢的膨胀系数因此同等厚度的两种材料不锈钢的焊接变形的趋势大于碳钢的。

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2）结构因素

  焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键，总体原则是随着拘束度的增加，焊接残余应力增加，焊接变形则相应减少。

1.结构刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力，它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。
2.在钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理，则只产生线性收缩；当焊缝布置不对称时，则还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，则只产生线性缩短；当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则还会产生角变形。

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3）工艺因素

  主要影响的因素是焊接方法、焊接热输入（电流电压）、构件的定位或者固定方法、焊接顺序，焊接工装夹具的使用。影响最大的是焊接顺序。

1.焊接电流大，焊条直径粗，焊接速度慢，都会造成焊接变形大；

2.自动焊接的变形小，但焊接厚钢板时，自动焊比手工焊的焊接变形稍大；

3.多层焊时，第一层焊缝收缩量最大，第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20%和5~10%，层数越多焊接变形也越大；

4.断续焊缝比连续焊缝的收缩量小；

5.对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2~4倍；

6.焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形。

7.埋弧自动焊、手工电弧焊和CO2气体保护焊等焊接方法产生的热量不同，造成的变形也不同。

焊接变形的控制

设计措施 1 合理的选择焊接的尺寸和形式

  在保证结构承载力的情况下，尽可能采用较小的焊缝尺寸，减少焊接热输入对材料性能的影响。

2 合理选择焊缝长度和数量

  只要允许，采用型材、冲压件；焊缝多且密集的地方可采用铸-焊联合结构，可以减少焊缝数量。此外适当增加壁板的厚度，以减少肋板的数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都可以防止薄板的结构变形。

3 合理安排焊缝位置

  安排焊缝尽可能采用对称于截面中性轴，或使焊缝接近中性轴，这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。

 

工艺措施 1 反变形法

  利用反变形的方式来控制焊接变形是最常用的焊接方法。拼装时，根据工艺试验和施工经验，使构件向焊接变形相反方向做适量的预变形，以控制焊接变形。这种方法需要预先进行试验，根据焊缝的设计要求，选用材质和规格相同的钢板预先做一个试件进行焊接，使焊缝形式、焊脚高度符合设计要求，焊完冷却到环境温度后测量翼板的变形量，把所测量的数值作为压制反变形的参数，压力机在翼板中心线上压出变形量的数值，使翼板的两端预先呈上翘状态，抵消焊接变形量，焊好正好持平。采用这种方法需要一台相应吨位的液压压力机。

2 留余量法

   在下料时，将零件的实际长度或者宽度尺寸比设计尺寸适当加大以补偿焊件的收缩，此方法适用于防止焊件的收缩变形。放拼装台时要放出收缩量，一般受弯构件长度不大于24m时放5mm，长度大于24m时放8mm。

3 刚性固定法

   焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件，增加刚性后，再进行焊接，这样焊接中的加热和冷却的收缩变形，被固定夹具的外力所限制，但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢，不适用中碳钢和可焊性更差的钢材。

①将焊件固定在刚性平台上（适合于薄板拼接时的刚性固定）。

②将焊件组合成刚性更大或者对称的结构（适合T型梁等结构的控制）。

③利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。

④利用临时支撑来增加结构的拘束。

4 选择合理的装配焊接顺序    钢结构制作拼装的平台应具备标准的水平面，平台的刚度应保证构件在自重压力下，不失温，不下沉，以保证构件的平直。小型结构可一次装配，用定位焊固定后，以合适的焊接顺序一次完成。 ①大型复杂的焊接结构，只要允许的条件下，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后进行总装。桁架和屋架端部的基座、屋架的天窗架支撑板应预先拼焊成部件，以矫正后再拼装到屋架和桁架上，屋架和桁架的焊接顺序是：先焊上、下弦连接板外侧焊缝，后焊上、下弦连接板内侧焊缝，再焊连接板与腹板焊缝，最后焊腹杆、上弦、下弦之间的垫板。桁架一面全部焊完后翻转，进行另一面焊接，其焊接顺序相同。手工焊时，应采用偶数个焊工同时从上、下弦中间向两端对称焊接。拼装时，为防止构件在拼装过程中产生过大的应力和变形，应使不同型号零件的规格或形状符合规定的尺寸和样板要求，在拼装时不宜采用较大的外力强制组对，以防止构件焊后产生过大的拘束应力而发生变形。 ②正在施焊的焊缝应靠近结构截面的中性轴。

③对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。

④截面对称布置的结构，装配焊接顺序是先整体装配后焊接，焊接时应采用对角焊法的顺序以平衡变形，同时应采用翻转架或转动胎具，以便形成船形位置焊缝。否则应由偶数个焊工分别采用平焊和仰焊，由中间向两端焊接。

⑤长焊缝（1m以上）焊接时，可采用图12所示的方向和顺序进行焊接，以减少焊后的收缩变形。

5 焊接工艺措施    焊接施工时，应选择合适的焊接电流、速度、方向、顺序，以减少变形。焊接金属构件时，应先焊短，后焊长；先焊立，后焊平；先焊对接缝，再焊搭接缝，应从中间到两边，从里到外焊接。集中的焊缝应采用跳焊法，长焊缝采用分段退步焊和对称焊接法。 焊接变形矫正方法

   构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须进行矫正，方法有：机械矫正法、火焰矫正法和混合矫正法。施工时，可以根据实际情况合理选用，矫正时要遵守以下原则：先总体，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后副件。

1 机械矫正法    机械矫正法是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用专用矫正机，或撑直机、压力机、千斤顶及各种小型机具顶压矫正构件变形。矫正时，将构件变形部位放在俩支撑之间，对准构件凸出部位缓慢施力，即可矫正。 2 火焰矫正法    采用火焰矫正的原理与焊接变形的原理相同，只是反其道而用之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生形变，构件被局部加热后，依靠加热区的膨胀和收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。

   用火焰加热矫正构件时，一定要让构件处于自由状态，一些自重较大的构件加热后要用吊具提起离开平台，以免自重产生的摩擦力阻碍变形，影响矫正效果。采用火焰矫正法，20m长的钢柱其侧向弯曲和起拱量可以矫正在6mm之内，翼板下挠度可控制在2mm内，远远低于规范要求。但用火焰矫正，在实际施工中很难定量地确定加热部位，加热温度，时间，区域长度等，主要靠积累经验。

    利用火焰矫正方便快捷，但必须注意几项基本要领。首先加热温度要掌握好，一般控制在650~850℃之间；要掌握在不同环境和不同气温情况下的加热温度；变形量较大的构件一次加热不能完全清除变形时，应错开原来的加热点进行第二次加热矫正；采用合理的矫正顺序，先矫正翼板的不平、倾斜，再矫正侧向弯曲和起拱；矫正过程中要经常用靠尺、细钢线、水准仪等检查矫正情况，防止矫枉过正，产生新的变形。

3 锤击法    锤击法不仅可以消除焊接接头残余应力，还可用来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消除焊接变形的目的，锤击法经常用来矫正不太厚的板结构，但该法的缺点是劳动强度大，表面质量欠佳。

4 强电磁脉冲矫正法（电磁锤法）    该法是利用强电磁脉冲形成的电磁场冲击力，在焊件上产生与残余变形相反的变形量，达到矫正的目的。它的工作原理是高压电容通过圆盘形线圈组成的电磁锤放电，在线圈与工作之间感应生成很强的脉冲电磁场，形成一个较均匀的压力脉冲，用以矫正。采用该方法矫正的优点是在工件表面不会产生如锤击所压成的撞击损伤痕迹，冲击能量可控，但该方法只能用于导电系数高的铝、铜等材料的薄壁焊接构件。     除了上述的矫正方法外，还有振动法、爆炸法、超声波法、电液法、静力加压矫直法等主要用于降低残余应力大小和改善残余应力的分布状态，但是，这些方法分别存在着各自的局限性，限制了其在焊接生产过程中的推广。 资料主要来源：

1. 李莉  科学技术  钢框架结构焊接变形分析与控制方法研究
   

2. 邹建英  价值工程   浅析H型钢结构焊接变形及控制
   

3. 焊潮网

4. 崔晓芳   大连交通大学工学博士学位论文

   编辑：张维官 ☞审核人：王颖 ☞金属加工杂志唯一投稿网址：http://tougao.mw1950.cn/

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