探究钢结构制造中焊接变形的控制策略

包亚军 屈婧 刘培坤

作者简介：包亚军（1972—），男，职高，高级技师，研究方向为机械制造。

屈婧（1988—），女，本科，工程师，研究方向为材料科学与工程。

刘培坤（1994—），男，大专，技师，研究方向为机械制造。

摘要：钢结构制造过程中，往往会受到很多因素的影响，从而发生焊接变形问题，进而严重影响到钢结构的制造质量。基于此，本文重点对钢结构制造中焊接变形的控制策略进行探讨，从焊接变形的类型入手，分析了钢结构焊接变形影响因素，提出钢结构制造中焊接变形的控制策略，希望为相关人员提供参考借鉴，降低钢结构制造环节焊接变形问题的出现，保证钢结构的安全性与稳定性。

关键词：钢结构制造;焊接变形;控制策略;焊接工艺

中图分类号：TG404

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-7840

Abstract： Steel structure manufacturing process is often affected by many factors， thus， the welding deformation will occur， which will seriously affect the manufacturing quality of steel structure. Based on this， this paper focuses on the control strategy of welding deformation in steel structure manufacturing， starting with the types of welding deformation， analyzes the influencing factors of welding deformation of steel structure， and puts forward the control strategy of welding deformation in steel structure manufacturing， hope to provide reference for relevant personnel， reduce the steel structure manufacturing link welding deformation， ensure the safety and stability of the steel structure.

Key words： Steel Structure Manufacturing; Welding deformation; Control strategy; Welding process

钢结构制造环节，会受到较多因素的影响，最终出现焊接变形情况，如加热不均匀、焊接工艺不合理、材料质量问题等，当出现焊接变形问题后，会对钢结构产品制造质量产生较大的影响，因此，在钢结构制造环节，需要重点关注焊接变形的控制问题，积极制定出有效的策略对焊接变形进行有效控制。

1 焊接变形的类型

1.1 纵横向收缩变形

受到焊缝大小、焊缝变化等的影响，在钢结构轴向方向产生的收缩变形，属于纵向收缩变形;由于高温环境下金属会受热膨胀，受到周围低温金属的影响，在与焊缝垂直的方向产生的收缩变形，属于横向收缩变形。

1.2 挠曲变形

钢结构焊接环节，因为焊缝两侧存在不同的收缩变形量，或者焊缝一端出现了收缩变形，而另一端并未出现这种情况，就会导致挠曲变形的产生。

1.3 角变形

若焊接环节沿着板厚方向发生不同的焊缝收缩变形量，会导致焊接后构件平面绕焊缝产生一定的角度，这种情况下就属于角变形。

1.4 波浪变形

因为内应力作用，导致焊接后构件失稳，形状为波浪状，则属于波浪变形。

1.5 错边变形

因为焊接钢结构两侧受热不均，使得焊件在长度及高度上出现了错位，则为错位变形。

2 钢结构焊接变形影响因素

2.1 焊接工艺

当焊接电流较大及焊条直径较宽时，会降低焊接速度，使得高温影响的区域范围不断增大，从而会出现焊接变形情况。而选择不同的焊接工艺，发生的变形情况也会存在较大差异，因此，焊接工艺会对焊接变形产生直接的影响，具体表现为：焊接层数越多，变形程度也就会越大;同连续焊缝方式比較，断续焊缝方式的收缩量变形更小;对接式焊缝，其横向收缩变形量更多，能够达到纵向收缩变形的2～4倍。

2.2 焊缝位置

钢结构焊接环节，实际焊接位置各不相同，因此，焊接缝对钢结构也会产生不同的影响，主要表现为一些主要的钢结构受力处的焊接缝，会影响到钢结构的受力状态，同时，还会受到外界作用力的影响，从而导致焊接缝发生变形情况，严重影响到了钢结构的整体安全性及稳定性，所以，需要重点进行焊接位置的控制。

2.3 钢结构强度

实际上，钢结构强度表示的是钢结构在弯曲及拉伸变形作用下，能够承受的抵抗能力。钢结构截面尺寸及形状均会影响到钢结构的刚度，钢结构刚度较小时，焊接接缝对称分布，如果焊接程序合理，仅会出现线性缩短变形。如果焊接接缝不对称分布，会发生弯曲变形问题。施焊程序合理的情况下，保证焊缝截面中心与接头截面中心处于同一方位时，仅会产生线性缩短，若两者不处于同一方位，会出现角变形情况。

3 钢结构制造中焊接变形的控制策略

3.1 强化焊接工艺控制

钢结构制造环节，焊接工艺会对焊接质量产生直接的影响，因此，若想防止焊接变形情况的出现，需要强化焊接工艺控制，具体可以选择以下方式。第一，在焊接工艺的选择上，需要以具体钢结构焊接要求为主，以保证焊接工艺的科学性与合理性，焊接人员应根据钢结构焊接要求及具体选择的焊接工艺，确定出最佳电流、焊接速度与焊接顺序，从而避免出现钢结构焊接变形情况。第二，当存在较长或者较为集中的焊缝时，需要选择针对性的焊接工艺，利用跳焊法处理集中焊缝，利用对称焊结合分段退步焊的方式处理较长焊缝，有效减少焊接变形情况的出现。第三，焊接复杂钢结构时，不但要做好焊接工艺的选择，还应遵循科学、合理的焊接原则，先焊短后焊长、先中间后两边、先对接缝后搭接缝等，最大限度地避免出现钢结构焊接变形问题。

3.2 规范焊接顺序

钢结构制造中，为对焊接变形问题进行有效的控制，需要进行钢结构制作标准的详细分析，进一步规范焊接顺序，特别是应了解钢结构的规格型号、形状等信息，保证钢结构焊接工作良好开展[1]。钢结构焊接环节，会涉及较多小组件的焊接工作，这也是钢结构制造的基础所在，完成各小组件焊接，才能顺利开展钢结构的整体焊接及装配工作，更是对焊接变形进行控制的关键内容。焊接小组件时，需要做好组件装配与定位焊固定工作，随后严格根据焊接顺序开展实际工作，保证焊接的规范性，防止出现钢结构焊接变形问题。需要注意的是，部件装配环节很有可能会发生变形问题，所以焊接技术人员需要严格进行零配件管理，根据焊接要求选用零配件，以免在部件装配环节出现变形问题，确保钢结构制作的科学性及合理性。

3.3 适当采用反变形法

通常情况下，钢构件焊接工作完成后，会因为热胀冷缩的影响，使得钢结构出现收缩变形情况，因此，可以对焊接环节较易发生收缩变形情况的钢构件，适当采用反变形法。对于反变形法而言，其实际上表示的是事前控制变形问题，根据变形相反的方向，预留出变形大小的余量，不过应用这种方法需要具备一定的前提条件，即不但要有相应的焊接工艺试验，还需要丰富的经验。基于焊缝设计要求下，对焊接规范进行调整，选择规格及材质相同的钢板，事先做好试件进行焊接，确保焊角、高度及焊缝形式满足设计要求，完成焊接后，将其冷却至环境温度，对翼板变形量进行测量，得到的数值就是压制反变形的参数，在压力机的良好使用下， 事先压出变形量的数，保证翼板两端处于上翘状态，进行焊接变形量的抵消，焊接完成后，达到持平效果。

3.4 有效控制焊接坡口

若想减少焊接问题的出现，还应严格控制钢结构的焊接坡口，主要是与生产实际情况结合，按照板厚程度、结构形式等[2]，进行坡口形式的合理设置。例如，拼接性焊缝，通常情况下，筒体轴向或大型容器类会选择对接的方式，如果为立式拼装，可在上端设置对接坡口，下端不用进行坡口设置，从而得到单V型坡口焊，更利于横焊的开展。这种方式就是按照机构形式进行坡口设置，可以有效地控制焊接质量。在厚度较厚的板材拼接性焊缝变形控制上，为有效避免钢结构在焊接后期出现严重的变形情况，应将非对称性坡口，设置为焊接坡口，具体需要进行以下操作：将焊接坡口较深一侧的2/3区域翻转至正面，背面设置固定板，选择多层多道焊接方式进行焊接。完成焊接操作后，应用气刨清根焊接的方式，进行剩余区域的焊接，通过两次翻转焊接，最终完成整体焊拼缝焊接工作。通过合理设置焊接坡口，会有效减少拼缝焊接环节的翻转次数，不仅会有效提升生产效率，还会有效控制焊接变形问题的出现。

3.5 积极利用刚性固定法

对于刚性固定法而言，实际上就是在焊接工作开展前，通过外加刚性约束的方式，对焊接环节的自由变形进行控制[3]，从而避免出现残余变形的一种手段。例如，进行排土机设备中上部塔门焊接时，在其生产焊接上，主要包括单片阻焊、箱体组焊、塔门结构拼装组焊，具体的焊接环节为：先进行单片组焊，将需要进行组焊的单片放置在刚性平台上，利用压铁将板面中间压住，将周边封上后，再进行焊接，焊接完毕待焊缝冷却后，将固定焊缝磨掉，并移除压铁，通过这一方式，会有效防止单片组对时出现波浪变形情况。组对塔门箱体时，通常是将箱体一面作为基准，并在台架上固定，实施封焊组对，胎架会起到刚性固定的效果，避免变形的产生。进行箱体两侧板组对时，通过临时支撑的方式，增加结构件约束，将一些临时的拉杆或者支撑焊在容易产生变形问题的部位，使局部刚度进一步增加，对焊接变形进行控制。进行回转底座与塔门拼装焊接时，刚性固定尤为重要，可以通过增加水平约束力的方式，控制焊接变形问题。为达到良好的控制效果，应在底座与塔门焊接前，将塔门吊装就位，同时与底座连接。在這种方式下，得到局部稳定结构[4]。选择立装的方式，因为存在较高的高度，整个结构体两侧均具备刚性约束，会保证结构整体在拼装焊接时，不会出现严重的变形情况。

3.6 做好焊接后处理工作

钢结构焊接后，应通过针对性的检查工具，全面、详细地检查焊接情况，例如，可利用放大镜，对焊接表面是否存在夹渣与气孔等情况进行检查，具体工作中，还应做好以下工作。第一，应进行良好保温[5]，检查完钢结构焊接质量后，需要对焊缝实施后温处理，在这种方式下，利用功率较大的烤枪，均匀加热焊缝中间部位两侧，将温度控制在250℃左右，加热范围不要超过中间部位两端的150mm，均匀加热20min即可。后温处理环节，应将石棉布扎紧处理部位，随后密闭焊接防护棚，特别是当温度较低的情况下，这种处理方式会防止骤然冷却导致的变形问题，待整体恢复常温后，可将防护棚撤去。第二，进行焊接节点无损检测，及时找出焊缝缺陷，特别是重要的承力节点处，需要花费较长的时间进行跟踪复测，以免钢板出现撕裂变形情况[6]。

3.7 合理选择焊接变形矫正方式

当钢结构构件出现扭曲或弯曲变形情况后，会使构件不满足规范设计要求，所以需要选择相应的方式对其加以矫正，主要包括以下几种方式。第一，通过相应机械，进行焊接变形的机械力纠正，包括撑直机与压力机等[7-8]，可在变形钢结构构件两边放置压力机，对准构件变形位置缓慢施压，进而对焊接变形进行矫正。第二，焊接工作完成后，当存在焊接变形问题时，可选择高温火焰反其道矫正方式，主要原理为将一定的热量输入到钢结构焊接变形位置，将其加热至塑性状态，产生收缩差，这种情况下，变形部位会向相反的方向变形，最终矫正变形情况。第三，因为不同的钢结构具备一定的差异性，当以上两种方式未能达到良好的矫正效果时，可以将两种方式进行综合利用。

4 结语

综上所述，钢结构焊接过程中，会存在较多的焊接变形类型，导致焊接变形的原因较多，不过，最主要的原因是焊接环节加热不均匀。当前，钢结构制造环节，焊接变形问题较为常见，在一定程度上影响到了钢结构质量。因此，需要采取强化焊接工艺控制;规范焊接顺序;适当采用反变形法;有效控制焊接坡口;积极利用刚性固定法;做好焊接后处理工作;合理选择焊接变形矫正方式等手段，有效控制钢结构焊接变形问题。

参考文献

[1]褚金亮.钢套筒-螺栓-结构胶混合连接的钢筋性能研究[D].唐山：华北理工大学，2020.

[2]杨凯元.残余应力对铝合金梁柱焊接节点抗震性能影响研究[D].西安：西安工业大学，2021.

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[4]范广森，陈允轩，刘加佳.钢结构制造质量控制相关措施[J].化工管理，2020（13）：35-36.

[5]王雪峰.钢结构焊接中存在的问题及处理方法探究[J].现代工业经济和信息化，2020，10（11）：147-148，157.

[6]亢晋军，韩建强，唐江明，等.钢套筒-螺栓-结构胶混合连接的钢筋性能研究[J].华北理工大学学报：自然科学版，2021，43（3）：61-68.

[7]李成华，郭帅，杨凯元.焊接残余应力对铝合金梁柱节点抗震性能的影响[J].西安工业大学学报，2021，41（5）：524-529.

[8]牟迪，高亮，陈民昌，等.钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术分析[J].内燃机与配件，2019（6）：110-111.