钢结构焊接变形的因素、类型及其控制方法

张杰

【摘 要】在钢结构焊接过程中必然产生的残余变形可能会对钢结构接下来的制作过程造成影响，甚至会对整个钢结构的施工进度及其施工质量带来极大的影响，导致钢结构承载能力的大幅度降低。文章对导致钢结构焊接变形的因素、类型及其控制方法进行讨论。

【关键词】钢结构；焊接；变形；影响；类型

1.钢结构焊接变形的影响因素

导致钢结构焊接变形有一种是在焊接时因为瞬间高温而产生的变形，一种是在常温冷却时产生的变形。影响焊接变形的因素很多，但归纳起来主要有材料、结构和工艺三个方面。

1.1材料因素的影响

焊接变形关于材料这一个因素有两方面，除了和焊接材料以外，母材也是一个因素，材料的热物理性能参数和力学性能参数都是能够引起焊接变形的因素，在变形的形成过程中起着重要作用。热传导系数是热物理性能参数对变形这一结果的主要原因，一些变形的情况往往是因为，材料的热传导系数过低，温度梯度太大所导致的。而力学性能所产生的影响就很复杂了，影响最多的是热膨胀系数，热膨胀系数越大，变形就越严重。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情况下，拥有较大的弹性模量的材料，在焊接时变形会比较小，较高的屈服极限会引起较高的残余应力，焊接结构存储的变形能量也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂，此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而焊接变形得以减少。

1.2结构因素的影响

在焊接之前的设计工作也是影响焊接变形的一个关键因素，而且非常的复杂。越多的拘束力，焊接时就会出现更多的残余应力，所以焊接变形就比较少，这个是总体原则。焊接结构的拘束度会随着焊接变形而不断改变，因为工件在焊接的时候，它的拘束度会不断变化，加上外加拘束的影响，就会形成变拘束结构。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位，而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加，在设计焊接结构时，常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性，这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且在某些区域，如筋板、加强板等，拘束度发生较大的变化，给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此，在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化，对减小焊接变形有着十分重要的作用。

1.3工艺因素的影响

焊接工艺对焊接变形的影响是非常多样化的，焊接的手法、电源的电流电压、固定固件的手法、焊接的先后次序等等都是影响焊接变形的因素。其中焊接顺序是比较突出的因素，所以在平时焊接时注意改变焊接次序能够有效的改变残余力的分布和状态，起到减少变形的情况出现。

2.常见的焊接变形

焊接是一种不均匀的热过程，钢材不论在焊接的加热还是冷却过程中，都会产生变形。因此，焊接是钢结构发生变形的一种主要因素。焊接变形有以下几种基本形式：

2.1纵向变形

在钢板冷却的过程中，原来温度高的部分被压缩的多，因而冷却后收缩的也多，因此产生的纵向收缩造成纵向变形。

2.2横向变形

形成横向变形的主因是板材的不均匀受热。由于板材的不同部分的受热不均，热过程不同，因此在板材冷却时，横向收缩是不均匀的，这就造成了横向变形。

2.3弯曲变形

弯曲变形在焊接中常出现的现象，它对结构的影响较大。钢材的纵向收缩与横向收缩都会产生弯曲变形。就是T形梁，翼缘板很厚，而腹板很薄时，也会产生特殊的弯曲变形。

2.4角变形

对较厚钢板进行单面焊接时，焊接的这一侧温度高，背面温度低，这样在冷却时，焊接的一侧收缩较大。加热区在横向上的收缩，就引起了相对角度变化的角变形。

2.5波浪变形

也叫做褶皱变形，主要发生在薄钢板构件中。薄钢板冷却收缩的时候，不同区域之间互相产生应力，应力较大时，薄钢板就无法维持稳定出现褶皱。

2.6扭曲变形

扭曲变形的产生原因很多，它是一个复杂的过程。主要表现是横断面发生了扭转。

3.控制焊接变形的方法

在钢结构的焊接过程中，要充分考虑变形的问题，通过合理的焊接方法，减少焊接变形。

3.1设计合理的焊缝

连接是钢结构中的重要环节，连接的承载能力必须不小于钢件的承载力，也就是说，焊缝与钢件强度要相当。对于不同功能的焊缝要区别对待，受力焊缝是主要承受传力的焊缝，强度要高；缀连焊缝主要起连接作用，它的应力可忽略不计，不过抗裂能力和延展性能要求较高，因此强度可适当减小，韧性适当提高。

从尺寸上说，焊缝的尺寸不宜过大。因为过大的尺寸增加了焊接变形，也增大了工作量。所以，在保证强度的前提下，应尽量减小焊缝尺寸。对于T型接头，以使用开坡口焊接接头为宜。优化焊缝的布局，可以减少变形，主要注意以下几点：焊缝布置要对称，焊缝长度要减小，焊缝布局不宜过分密集，对于互相平行的焊缝要保证距离，最后，要结合情况采用不同的坡口。

3.2焊接的准备工作

钢件不能随意摆放，要平整的放置。要为钢件提供数量足够，位置合理的支撑点。否则，焊接过程中钢件的自重会引起变形。为了补偿焊机后的收缩，放样和下料必须要留出余量，余量大小视工艺和情况而定。

3.3合理的装配和焊接顺序

要有标准的水平平台，用于制作和拼接钢件，这样保证了构件的平直。小件可以一次装配，先定位焊接一遍，再按顺序一次完成。大型钢结构要先将小件组焊，然后，总体装配，之后再焊接。拼装过程中要注意避免过大的外力强制组对，防止焊件的变形。对接口的间隙，搭接长度，坡口角度连接要合理。对称的焊件具有对称分布的焊缝，对称焊接可以将焊接变形互相抵消和简化。但是由于焊接顺序依然是有先有后的，先期的焊缝变形大，后期的焊缝变形小，这样对称焊接依然会产生变形，所以，焊接顺序不能随便安排。在焊接过程中，对称的构件要先装配好，再由成对的焊工对应的同时焊接。有些钢结构很难同时对称的焊接，此时，只能将焊缝先后焊接，不过依然可以通过顺序的合理安排减少变形。对于焊缝不对称的结构，保证焊缝少的一侧先焊，焊缝多的一侧后焊，这样就仍然可以通过焊接顺序的合理安排来减少形变。

3.4选择合理的焊接工艺

焊接时能量越小，焊接后变形就越小，因此，要尽量用多层焊、小焊条，电流、速度要控制得当。焊接钢件时，先焊短缝后焊长缝，先焊立角焊后焊平角焊，先焊对接缝后焊角接缝；先纵后横，先内后外，先中后边。长焊缝采取断续焊，1m左右的焊缝用分中对称焊法，1.5m以上采取逐步退焊法和跳焊法等。采取断续焊法时，由于焊接接头比较多，易产生缺陷，要仔细操作，保证质量。

3.5适当应用预热法

在焊前可以对焊件进行加热，局部预热或整体预热之后再进行焊接。这样能减少焊接应力，预防变形。预热温度视焊而定，一般在80～200℃。

3.6刚性固定法

刚性固定法是指焊接时将构件用夹具等固定在具有一定强度的工作台上，这样，构件在受热时与冷却时收到约束，变形被外力所限制。这种方法适用于塑性较好的材料和厚度在10mm以下的薄板。常用的几种刚性固定法有卡具夹紧法，定位焊固法胎具焊接法和局部加固法。

4.焊接变形的矫正

钢结构焊接变形的因素很多，当焊接变形难以避免或构件的变形程度超过设计要求时，必须进行矫正。通常焊接变形的矫正可分为冷加工法和热加工法两种。

（1）冷加工法也叫机械矫正法，是使用机械力的作用，对焊接变形进行矫正，一般适用于小尺寸焊件或变形程度较小的焊件，常用器具有千斤顶、压力机、矫板机等。矫正时，先将焊件固定在支撑之间，再对构件施加与焊接变形方向相反的力，使其产生相反的塑性变形，补偿原来的变形即可。注意，冷加工法不适用于脆性倾向较大的钢材料。

（2）热加工法也叫火焰矫正法，是利用火焰的温度对钢材局部进行加热，在其冷却时，产生新的局部形变，从而抵消旧的形变，达到矫正的目的。正确的选取加热位置，温度以及冷却时间可以获得很好的矫正效果。加热温度越高，矫正能力越强大，加热温度越低，矫正能力越弱，要结合实际情况合理选择加热温度，一般应控制在600℃到800℃之间，不超过900℃，常使用气焊焊炬加热。热加工法适用于低碳钢结构和部分普通低合金钢结构。

火焰矫正法的加热方法有点状加热，线状加热和三角形加热三种。点状加热主要适用于矫正板料的凸凹变形，要根据钢板自身的厚度，材料和变形程度确定加热点的直径，数量和间距。一般情况下钢板厚度越大，变形越大，加热点越多，直径越大，间距越小。加热点直径一般在10mm到30mm之间，相互距离一般为50～100mm，排布形状往往采用梅花形状。线状加热有三种基本形式：直线加热、曲线加热和环线加热，具体应用时应酌情选择。三角形加热主要用于工资钢梁和框架结构的弯曲变形。

5.结束语

总结了施工中钢结构焊接变形的主要种类，控制要点和矫正方法，这些经验在过去的几次大型钢结构工程中起到了很好的预防和指导作用。钢结构的焊接形变在工程中经常发生，且影响质量，危害很大，必须注重控制和矫正。

【参考文献】

[1]张家旭.钢结构的变形与矫正[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[2]陈志华.建筑钢结构设计[M].天津：天津大学出版社，2004.

[3]刘庆格，尹彦强.浅谈对钢结构焊接变形的控制[J].河北建筑工程学院学报，2004，22（2）：54-55.