钢结构焊接产生的变形与焊接应力分析

李世旺　李胜

摘 要：钢结构由于重量轻、抗震性能好等优点，在高层、超高层建筑中得到了极为广泛的应用。高层、超高层建筑往往会设置转换层，以供主体结构的承重构件截面改变时上部荷载能很好的传递到下部结构，结构越高时转换层所设的节点也将越大，重大转换节点的高空施工给吊装及焊接作业都带来了一定的挑战，传统的施工方法施工时效低，弊端越来越明显。目前，国内外对钢结构转换节点在设计阶段的受力分析已经非常完善，但是对其在施工阶段的技术研究相对欠缺，钢结构转换节点在施工阶段的焊接变形控制正好可以弥补这一块的不足。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对钢结构焊接产生的变形与焊接应力分析提出了一些建议，仅供参考。

关键词：钢结构;焊接产生的变形;焊接应力;分析

引言

建筑领域的重要建筑结构之一是钢结构。使用钢结构的优势在于降低建筑能源消耗、加强建筑结构稳定性，在后期维护和保养的工作方面，钢结构也具有不可替代的优势，能够美化建筑结构的外观的同时，适应多种环境和气候。在建筑建设施工当中，分析钢结构焊接工艺技术，做好相应的工艺发展以及常见工艺并进行总结和论证非常关键。

1、钢结构焊接变形与焊接应力的基本组成分析

钢结构出现焊接变形主要包括面外变形和面内变形这两种。面外变形又可以分为：扭曲形变、弯曲形变、失稳波浪形变和角形变等。面内变形可以分为纵向收缩变形、横向收缩变形以及焊缝回转变形等。对于钢结构来讲，其所发生的变形种类，大都是横向收缩和纵向收缩变形。一般来讲，钢结构焊接后，进行冷却处理的焊接结构中，往往会存在一些并未消除的应力。这种焊接应力主要可以分为横向应力、纵向应力以及沿焊缝厚度方向的应力。

2、钢结构焊接常见问题

2.1 焊接局部变形产生的原因

焊接局部变形往往是由于在焊缝较多的位置，由于出现变形较大，收缩快，焊后收缩变形不一致，导致了加工件的刚性不均匀和刚性小的问题。加工过程中由于操作人员的操作，使得为对称分段、分层以及焊接电流速度等发生了不一致的情况，导致焊接时应力过大，引起焊接应力集中以及过量变形、放置不平，甚至在应力集中释放时，导致了焊接不对称的情况。

2.2 检验结果异常

在钢结构焊接过程中，由于检验中的相关问题，导致了焊缝等级检测等级和评定结果发生异常。根据相应的评定级别，涉险探伤可以分为多个级别。在检验等级上也可以根据检测方法和检测仪器等，对检测结果的精确程度进行提升。例如超声波探伤则采用标准检测的方式，分为A、B、C三个级别，在探测面、探测范围和允许缺陷当量情况下，对于灵敏度进行设置，依据的标准也各有不同。对于超标缺陷处理和复探，参照了建筑钢结构焊接技术规程中的相应规范标准，得到检测合格确认之后，方可确认件焊缝合格。

2.3 焊接的裂纹问题

钢结构焊接裂纹产生的原因是由于应力因素和温度因素共同作用的结果。焊接裂缝分为热裂缝以及冷裂缝。等热裂缝是在高温下发生的，裂缝通常产生在焊缝内部。由于出现纵向横向根部热影响，裂缝等诸多情况，分别以结晶液态状态分布在结晶过程中以及焊接熔池中。此时由于固态金属拉开，焊接应力足够大，导致的裂纹是出现了杂质，一旦被拉开，焊接的应力也会变成足够大。

3、加强钢结构焊接产生的变形与焊接应力措施

3.1 局部变形问题的解决措施

对于局部变形，应在设计时将焊缝均匀布置，对称设置焊缝，减少密级和交叉焊缝，制定合理的焊接过程。首先要保证变形、减少，对于对称部分进行焊缝的焊接线焊接，收缩量大的焊缝在焊接收缩量小的焊缝，采用分段分层，间断式焊、控制电流速度方向一致，对尺寸大、焊缝多的共建，要保持手工焊接和分段焊接相结合的方法.

3.2 焊接变形控制措施

①对板材进行应力消除：采用钢板矫平机对钢板进行矫平处理，以达到对钢板内的应力进行释放从而减小钢板内部的残余应力对构件的影响效果。②下料：下料时采用对同一零部件两侧同时加热的方式进行切割，防止因材料不均匀受热发生变形。③焊接前要对母材进行预热处理，预热温度控制在80℃～120℃，采用红外测温仪行温度测量，当温度达到要求后才能开始焊接并且要严格按照方案要求的顺序进行焊接。④因十字柱翼缘板宽度较宽，为防止焊接时十字柱翼缘板产生侧向变形，焊接前应采用张紧器将十字柱四块翼缘板顶紧，张紧器的结构形式。⑤施工时将张紧器沿钢柱纵向方向每间隔1000mm布置一组，同时对双面螺栓施加相同的力矩，使十字柱每块翼缘板在各个方向的受力状况保持平衡，从而约束因焊接而产生的应力，有效降低了因焊接而引起的变形，从而减小钢柱变形，张紧器装配示意。⑥十字柱在胎具上焊接完毕，待构件自然降温至外界环境温度时，方可撤去张紧器。

3.3 焊接殘余应力消除

在焊接过程中，由于焊接件产生温度梯度，接头组织和性能的不均匀，导致焊接件内部因温差而膨胀收缩不均匀，进而产生焊接应力，焊后残留在焊件内的应力即为焊接残余应力;消除焊接残余应力的方法有：热处理、锤击、振动法和预载法等。工程上主要采用退火处理，温度越高、保温时间越长，温度梯度约小，应力释放越缓慢并均匀，消除焊接残余应力的效果就越好，在冬季施工或焊接环境温度较低时采用此方法。

3.4 焊后处理

①焊接作业完成后，清理焊缝表面的熔渣和金属飞溅物，焊工自行检查焊缝外观质量，如不符合要求，应焊补或打磨，修补后的焊缝应光滑圆顺，不影响原焊缝外观质量要求。②重要构件或重要节点焊缝，焊工自行检查焊缝外观合格后，在焊缝附近打上焊工的钢印。③外露钢构件对接接头，磨平焊缝余高，达到与被焊材料同样的光洁度，清理完成后的焊缝及时予以涂刷防腐油漆，防止焊缝生锈。

结束语

综上所述，钢结构在制作过程中变形影响因素有好多种，其中最为重要的因素是焊接工艺参数及防变形措施的正确采用。采用了合适的焊接工艺及防变形措施可以大大减少后道工序的返修工作量，从而大大提高工作效率，节约成本。

参考文献

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