浅谈钢结构焊接变形与控制矫正

张建山，邬常保，陈海涛

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

在海洋石油平台、导管架、LNG模块的建造过程中，成千上万个金属杆件通过焊接连成一体。其中诸如立柱拉筋管、规格大于300*300的型钢、吊点等重要的工作焊缝，焊接工艺上会要求开坡口全熔透焊。金属构件的焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，会在构件内部产生焊接应力，大量的焊接工作必将导致结构件发生变形、产生尺寸误差，严重的还会降低构件的强度和刚度。生产中要通过不断实践总结，找出变形规律，逐步掌握控制变形和矫正变形的技术。

1 焊接变形的形式与原因

钢结构焊接后按结构变形的情况可分为两种类型：即结构的整体变形和局部变形。结构的整体变形包括：整个结构的形状或尺寸发生变化、对角线长度不等。局部变形表现为弯曲、扭曲、波浪变形、角变形等。

1.1 常见焊接变形基本形式有以下几种

（1）焊缝的纵向收缩导致构件长度变短、焊缝的横向收缩导致构件宽度变窄。

（2）板材开坡口对接，以及工字钢、T型材腹板与翼板的角焊缝，焊接后产生的角变形[1]。

（3）由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中性轴不对称，引起构件的整体弯曲变形。

（4）构件焊接后的角变形沿构件纵轴方向数值大小不一，以及构件翼缘板与腹板的纵向收缩不一致形成的扭曲变形。

（5）薄钢板焊接后，母材受压应力区由于失稳致使钢板沿焊缝起伏不平的波浪变形。

这几种是焊接变形的基本形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的综合作用。

1.2 钢结构焊接变形的根本原因

焊工对钢结构件实施焊接时，高温的焊接电弧延焊缝移动。这会使焊道以及热影响区温度升高，其他大部分金属不受热。受热金属膨胀，周围不受热金属不膨胀，所以受热金属的膨胀就会受到制约和抑制，产生压应力。而焊后冷却时，焊道和焊道附近的金属因收缩变短，此时又会被周围没有受热的金属限制，不能自由进行，从而产生拉应力。当焊缝冷却产生的收缩作用力超过构件的最大屈服极限时，就会使焊接件发生变形。

2 影响结构焊接变形的因素

影响焊接变形量的因素大致可分为设计和工艺两个方面，综合分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，可提前做好防变形措施，达到预期焊接效果。

（1）焊缝的布置：若结构设计的焊缝沿构件截面分布不对称，则构件在焊接后会产生弯曲变形。平台甲板片预制时，主梁与次梁连接、梁格上翼板与甲板焊接。这两种情况焊缝在中性轴偏上，从而会引起甲板片的整体上挠变形。

(2)基尔莫市挡水坝。澳大利亚基尔莫市，于1996年修建一座均质土挡水坝，坝高为13 m。蓄水使用后发生了管涌破坏，渗流冲蚀成孔洞，发展成贯穿性通道，直径达到11 m。经过技术修复后，在下游处再次出现直径为0.15 m空洞，引发管涌破坏。

（2）焊缝截面积的影响：构件组对时坡口角度越大、间隙越大，焊缝截面积也相应增大，焊接时需填充更多的金属，焊后的变形增大。

（3）焊接热输入的影响：焊接作业热输入越大焊后引起变形越大，热输入过大还会影响焊缝质量。

（4）焊接方法的影响：钢结构焊接常用的有手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊电阻焊几种方法，在其他条件如焊缝面积等相同情况下，气体保护焊热输入最小，焊后变形也相对最小，在生产中应用广泛。

（5）结构的刚性对焊接变形的影响：构件材质以及截面形状、大小决定结构的刚性。刚性较小的结构，抵抗变形的能力小，焊后变形大；刚性大的结构，抵抗变形的能力大，焊后变形较小。

（6）装配焊接顺序对焊接变形的影响：采取不同的装配焊接顺序，结构的变形也会完全不同。整体装配完再进行焊接，其变形一般小于边装配边焊接。

在日常生产时，由于不同条件、因素综合作用，焊接变形的规律比较复杂，需要先掌握各因素单独作用引起的变形情况，才能对构件变形的具体问题采取措施[2]。

3 焊接变形的控制措施

（1）提高结构设计的合理性，在保证结构承载能力的情况下，设计时采取较小的焊缝尺寸。同时要尽可能的去除不必要的焊缝，力求结构中的焊缝数少，减少焊接量。焊缝位置也要合理安排，尽量使焊缝靠近中性轴，或者与结构截面的中性轴对称。

（3）对于焊接量大的构件，在下料时对长度方向加量，每米加1mm，补偿焊缝纵向收缩变形。铆工组应考虑焊接收缩量，焊前尺寸要大于设计尺寸，保证焊后尺寸符合要求。

（4）优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。焊接时根据WPS上的规定，选用较小的焊接参数（电流、电压等）。

（5）厚板对接时采用多层多道焊，对接X坡口开成大小坡口，先焊接大坡口面，焊到背面能清根时，然后采用碳弧气刨清根、焊接背面。焊接完成后两面焊接量基本相等，焊后变形较小。

（6）反变形法：提前分析焊接后可能产生变形的方向，把焊接件在焊前做相反方向的变形，反变形的量值可以经验估算或是通过做实验件获取。例如在海洋平台甲板片预制时，甲板与梁的焊接会造成甲板片翘曲。在焊接甲板前，对甲板片做反变形，使之中间高，四角低（70mm～100mm），效果良好。

（7）刚性固定控制法：众所周知，刚性大的构件焊后变形一般较少，对刚性小的焊接件使用装配夹具、增加临时支撑或点焊固定等强制手段固定住，提高焊接件刚性，限制焊接件发生变形。等焊缝全冷凉透再打开固定，焊后变形量较小。此方法使用方便，但会使焊缝区域产生极大的内应力，适用于塑性较好的低碳钢。

（8）缩小温差法：对焊接件采取焊前预热和焊后缓冷的措施，使之与环境温差减小，降低焊缝冷却速度，减少焊接变形。

（9）焊工焊接时应按顺序施焊，如海洋石油平台甲板片焊接的焊接顺序：先大梁，后小梁，由中间向四周扩展。甲板与工字梁的焊缝类型有板与板的对接缝，板和工字梁翼缘板的角焊缝。要先焊接板对接焊缝，如下图所示，先焊短焊缝①、②、③、④、⑤、⑥，再焊长焊缝⑦、⑧、⑨。焊接长焊缝时，采用分段退焊法，由中间向外围依次焊接。待板对接焊缝完成，最后再焊角焊缝。

图1 焊接时的施焊顺序图

4 钢结构件变形的矫正

铆焊构件在制造过程中发生了变形，尺寸超出了公差要求，质量留下了隐患。这就需要通过使用外力或者局部加热的方法，使其发生一定程度的反变形，从而达到技术要求所规定的正确几何形状或尺寸。矫正的方法很多，经常用的矫正方法可分为机械矫正和火焰加热矫正两种方法，或两种方法配合使用。

4.1 机械矫正法

机械矫正是利用机械设备施加外力，使构件产生与焊接变形相反的塑性变形，常用的有矫直机、压力机、千斤顶、拉链等。

图2 矫直机调工字钢变形

图3 压力机运行图

4.2 火焰加热矫正法

利用火焰加热变形部位，根据金属热胀冷缩的原理，使结构产生反变形，达到矫正目的。加热矫正法的加热方法分为点状加热、线状加热、三角形加热。用火焰加热法可矫正很多施力矫正无法解决的变形，熟练掌握火焰局部加热引起的变形的规律是做好矫正的关键，选择正确加热的位置和加热温度会使调直工作事半功倍。低碳钢和普通合金的焊接结构通常采用500～650度的加热温度，正常情况下不宜超过650度。调直过程中用测温枪监控，以防加热温度过高，改变钢材内部组织结构或烧坏构件表面。

火焰加热矫正法具体分为：

（1）点状加热法：点状加热法多用于薄板结构，加热点直径d取5-8倍板厚，使用中性焰加热，加热时烤枪嘴不要来回晃，加热火焰与钢板保持垂直，加热点数量和变形量成正比。

（2）线状加热法：火焰沿直线移动、同时做横向摆动，形成一个加热带的加热方法，在矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大时会经常用到。

（3）三角形加热法：多用于工字钢、T型梁的起拱和旁弯变形。加热区域呈三角形，三角形的底边应在被矫正结构的拱边上。一次加热如未完全消除变形可进行二次加热，加热位置应与第一次错开。

图4 火焰加热矫正法调变形

图5 加热区域示意图

4.3 调整变形的注意事项

（1）首先要分析构件的变形原因，弄清变形是外力还是内应力引起的，制定一个完善的矫正方案。多种矫正方法并用时，确定好先后顺序。

（2）钢结构件是由多个零部件焊接连成一体，各零部件相互联系、相互制约，矫正变形前要先弄清楚各个零部件相互关系，着眼点必须是一个整体，不能单独考虑某个零件，忽略相互间的牵制作用。

（3）通过测量，找出构件变形的位置，但要注意变形位置有时并不一定就是矫正位置，还需分析找出应力集中区域，对该区域采取措施，消除内应力或者使内应力达到平衡，才能使构件变形得到矫正。

（4）先解决主要问题，再解决次要问题，如型钢存在多种变形时要先调扭曲，然后调旁弯，最后调角变形。

（5）要确认构件所用钢材的性质，防止采用的矫正方法不当造成构件折断、产生裂纹或回弹等状况。

5 结论

焊接变形对结构件的尺寸及质量影响颇大，各零部件产生变形后要采取正确的矫正方法，及时矫正合格，避免误差越积越大，整体成型后难以矫正。本文所写内容希望可为今后铆焊工作提供帮助，减少焊接变形，提高生产效率。