钢结构焊接变形及火焰矫正

李权 张冬梅 刘丹凤

摘 要： 钢结构在焊接过程中产生应力和变形是不可避免的，当焊接变形超过技术设计允许变形范围，就应设法进行矫正，使其符合产品设计质量的要求。本文在阐述了焊接结构焊接变形矫正的原理及方法的基础上，结合本人多年实践经验和国内外相关焊接资料，分析了常用焊接结构-箱型梁焊接变形的特征，提出了对焊接箱型梁变形的火焰矫正施工工艺，对指导焊接梁变形的火焰矫正具有一定指导意义。

关键词：火焰矫正;焊接;变形;施工

目前，钢制产品在日常生活和大型建设工程中得到了广泛的应用。而钢结构厂房的生产工艺的诞生，为现代建设工程增添了一道亮丽的琵琶。然而钢结构厂房的主要构件是焊接H型钢柱、梁、撑。这些构件在制作过程中都存在焊接变形问题，如果焊接变形超过设计允许范围，则不仅影响结构整体安装，还会降低工程的安全可靠性，为此必须予以矫正。焊接变形的矫正方法有冷矫正和热矫正（如火焰矫正）两种。冷矫正主要有手工矫正、机械矫正等，冷矫正主要适合于刚度不大的焊接结构变形矫正;热矫正主要是火焰矫正，主要适合于刚度较大、不适合冷矫正的焊接结构。火焰矫正方法操作简单、应用灵活，适用面广;但技术含量较高，若加热区域的位置及大小选择不当、加热温度控制不当，都会严重影响焊接变形矫正的效果，甚至会使焊接变形更复杂，难以进行矫正。因此，对火焰矫正焊接变形的工艺进行深入研究，根据焊接结构变形特征，合理确定火焰矫正的工艺，具有重要实际意义。

1.钢结构的焊接变形及预防措施

1.1 钢结构焊接变形的基本类型

根据焊接结构特征不同，焊接变形的基本形式的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等五种，如图1所示。火焰矫正主要适用于角变形、弯曲变形及波浪变形等凹凸比较明显的变形。

1.2 防止或减小焊接变形的措施

焊接变形的产生是无法避免的，但适当的焊接工艺措施可以控制或减小焊接变形量，或者前后产生的焊接变形相互抵消，最终可防止或减小焊接变形。常用防止或减小焊接变形的措施如下：

1）选用能量密度高的焊接方法。如采用二氧化碳气体保护焊、等离子弧焊和氩弧焊等方法进行焊接， 可以减少变形量。

2）采用较小的焊接线能量可以减少焊接变形量。但在实际生产中要考虑生产率， 焊接线能量不宜过低。

3）焊接不对称得构件， 通过选用不同的焊接参数， 可以控制和调节弯曲变形。如图所示的截面不对称得梁， 焊缝1和2到中心轴的距离e 比焊缝3和4 到中心轴的距离d大焊后引起的变形也大。如果焊缝1和2采用比焊缝3和4 小的规范参数分层焊接， 可以使上下弯曲变形抵消。

4）选择合理的装配焊接顺序。构件在装配过程中， 侧面中心位置不断发生变化， 因而焊接变形也变化。利用这一特点通过把结构适当的分成部件， 分别装配焊装， 使不对称得焊缝和收缩量较大的焊缝在焊接过程中能比较自由的收缩而不影响整体结构， 然后拼焊成整体。这样有利于控制变形，矫正也比较容易。分布在侧面中心线两侧的焊缝，一般来说，先焊的一侧焊缝产生的弯曲变形比后焊的一側焊缝产生的弯曲变形要大。因此焊接顺序总的规律是先焊焊缝少的一侧。对于截面形状对称的结构， 尽可能采用对称焊接方法。

2.火焰矫正焊接变形的原理及方法

2.1 火焰矫正焊接变形的原理

焊接应力与变形的产生原因是焊接时的局部不均匀加热和冷却，焊件各部分之间的相互约束，金属内部组织变化的不均匀，致使热胀冷缩不能自由进行造成的。焊接变形的产生是由于焊接加热膨胀时不能自由进行，致使焊缝及附近金属发生了压（收）缩变形，与之相邻的焊缝两侧金属发生了拉伸变形;产生收缩变形的区域发生内凹变形，被拉伸的区域产生外凸的变形。火焰矫正焊接变形就是在因产生拉伸变形而外凸的地方进行加热，用火焰加热时产生的收缩变形来抵消原来的焊接变形。加热区域越大、加热温度越高，产生的收缩变形量就越大，同时因加热区域收缩而产生的应力也越大;因此，必须根据变形程度严格控制加热温度、加热区域、加热和冷却速度等工艺参数，由其对含碳量较高的钢、合金钢等淬硬倾向较大的钢要慎用。

2.2 火焰矫正焊接变形的方法

根据焊接变形特征和加热区域或方式的不同，火焰矫正焊接变形的方法有点状加热、线状加热和三角形加热三种，如图2所示。

根据加热温度的不同，火焰矫正焊接变形法又分为低温矫正、中温矫正和高温矫正三种，对常用的焊接结构材料低碳钢和普通低合金钢，其加热温度及冷却方式如表1所示。火焰矫正时加热温度不宜过高，过高会引起金属变脆、影响冲击韧性。

3.箱型梁焊接变形火焰矫正工艺

某箱型梁因焊接顺序、工艺参数等措施不当，焊接后发生如图3所示变形。经检测该梁焊接后的上拱变形量3～5mm，旁弯变形量为2～4mm。因该梁截面板厚和刚度较大，不便采用机械矫正，因而采用火焰矫正。

上拱变形矫正。如图3（a）所示，上拱变形的矫正是在箱型梁上拱侧上翼板凸起面进行分区加热，加热区域尺寸为宽度12mm带状加热;在腹板中性线以上区域进行三角形加热，采用三角形加热面，低宽50mm，高30mm，采用7号焊嘴，加热到700～800℃。

旁弯变形矫正。如图3（b）所示，在上下翼板的凸起侧，沿板厚进行波浪线形加热，同时在腹板凸起侧中部进行加热，采用8号焊嘴，加热到700～800℃。

火焰矫正引起的应力与焊接内应力一样都是内应力。不恰当的矫正产生的内应力与焊接内应力和负载应力迭加，会使柱、梁、撑的纵应力超过允许应力，从而导致承载安全系数的降低。因此在钢结构制造中一定要慎重，尽量采用合理的工艺措施以减少变形，矫正时尽量可能采用机械矫正。当不得不采用火焰矫正时应注意以下几点：

1）、烤火位置不得在主梁最大应力截面附近;

2）、矫正处烤火面积在一个截面上不得过大，要多选几个截面;

3）、宜用点状加热方式，以改善加热区的应力状态;

4）、加热温度最好不超过700度。

4.结束语

焊接结构在焊接过程中产生应力和变形是不可避免的，当焊接变形量超过设计要求允许的范围时必须进行矫正，因此焊接变形的矫正是实际工作中经常遇到的问题。焊接变形的火焰矫正原理是用火焰加热产生的收缩变形来抵消原来焊接变形的过程，保证火焰矫正焊接变形成功的关键是根据焊接结构的变形程度和变形方向等情况，严格控制火焰加热的加热部位、加热方式、加热温度、加热区域面积等参数，以保证火焰加热新产生的变形量和变形方向与原焊接变形量和变形方向相反。实际证明，只要火焰加热工艺得当，完全可以矫正焊接变形，获得符合设计要求的焊接结构。

参考文献：

[1]劳动人事部.蒸汽锅炉安全技术监察规程.北京：劳动人事出版社，1987.

[2]张文钺.金属熔焊原理及工艺（上册）. 北京：机械工业出版社，1982.

[3]中国船级社《材料与焊接规范》2009.北京：人民交通出版社，2009.

作者简介：

李权（1975-），四川省南充市人，目前在胜利油田桩西采油厂集输大队从事油气储运工作。

张冬梅（1976-），山东省阳信县人，目前在胜利油田桩西采油厂集输大队从事油气储运工作。

刘丹凤（1990-），辽宁省抚顺市人，目前在胜利油田桩西采油厂集输大队从事油气储运工作。