浅谈如何加强钢结构件焊接变形的控制方法

来源:用户上传      作者: 佟国志

　　[摘 要]产生焊接变形的最主要原因在于：钢结构在焊接过程当中的加热不够均匀。在当前技术条件支持下，焊接变形是各类钢结构制造过程中最为普遍的问题。为尽可能的保障钢结构产品的制造质量，就需要针对钢结构制造过程中的焊接变形问题进行严格且有效的控制。本文试针对以上相关问题做详细分析与说明。
　　[关键词]钢结构件 焊接变形 控制方法
　　中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0388-01
　　1 引言
　　钢结构离不开焊接，焊接必然产生一定量的焊接变形，焊接变形的控制与矫正尤为重要，其焊接的质量和生产效率直接影响到钢结构的建造周期和使用寿命。
　　2 钢结构件焊接变形原因
　　焊接是一个加热熔融再凝固成永久性连接体的过程。焊接时，钢结构件局部处于高温状态，所以，焊接受热不均就会产生一定程度的变形，钢结构件受热膨胀时，由于周围金属的阻碍作用而不能自由拉伸，这种作用力也会使钢结构件变形。钢结构件变形影响因素主要有以下几方面：
　　（1）焊接变形会随着焊缝数量的增多和断面尺寸的增大而变大。这是因为焊缝截面尺寸越大时焊接所需的线能量越大变形越大。
　　（2）焊接过程中，分层焊接的层数越多，每层所以需要的线能量越小随之带来的变形越小。即第一层的焊缝收缩变形最大，第二层的焊接变形量是第一层的20%，第三层的焊接变形量是第一层的5%-10%。
　　（3）焊接有一个最适的原始温度，原始温度高，会提高线能量，使焊接变形增大。当原始温度达到某个临界温度后，焊件的温差减小，焊接变形也随之减小。
　　（4）在焊接过程中，焊接方法的不同会产生不同的温度场，那么钢结构件的热变形也就有所不同。通常情况下，相对手工焊来说，自动焊加热集中，受热区域窄，其变形较小。再者，由于连续焊和断续焊的温度场不同，因此所产生的热变形也有所不同，一般，断续焊可以降低线能量，因此焊接变形较小，连续焊的变形较大。
　　（5）焊接时，焊缝的位置和数量最好设计在钢结构件对称安排，并且按照合理的顺序焊接，这样构件产生的是线性变形；若焊缝位置不是对称安排的，一般产生都是弯曲变形。
　　（6）焊接参数的影响，包括电弧电压、焊接电流、焊接速度。焊接时选择合适的电流和焊条直径，焊接电流偏大，焊条直径过粗，均会使焊接速度变慢，焊接变形较大。大电流密度、低压、高速的自动焊产生的变形较小。
　　（7）焊接接头形式的不同也会造成不同的焊接变形。在焊接方式、焊接原始温度、焊缝截面积等条件相同时，接头形式对横、纵、角变形影响不同，通常情况下，T型、搭接接头变形小于对接接头。
　　（8）材料的物理性能也是影响变形的重要原因，材料不同，其膨胀系数、导热系数和比热等等物理性能不同，因而会产生不同的热变形，导致的焊接变形也有所不同。
　　3 钢结构焊接变形的防治策略
　　一般情况下，控制钢结构件变形需从设计方面和工艺方面采取措施。
　　3.1 设计方面
　　（1）选择合理的焊接尺寸和形式。焊接工作中，焊接尺寸是关键，它直接决定了焊接变形的大小和焊接工作量。焊缝尺寸越大，焊接量就越大，导致的焊接变形也越大。因此，我们应该尽量减少焊缝的尺寸和数量。设计时，在保证钢结构件的承载能力时，尽量采用小的焊缝截面积和坡口尺寸，对于板缝比较大的对接接头应选择“X”型破口。
　　（2）减少焊缝数量。所谓的焊缝面积指的是熔合线范围以内的金属的面积。一般，坡口尺寸越大，焊缝截面积就越大，钢结构件冷却收缩时会引起很大的塑形变量，导致的收缩变形越大。因此，在设计过程中，尽量选择冲压件、型钢等代替焊件，以避免过多焊缝。为避免不必要的焊缝，还可以合理的安排肋板的位置和形状，优化肋板数量等。
　　（3）合理设计结构形式和焊缝位置。我们在设计钢结构件时，应首先考虑焊接的实际工作量，应使工作量和部件总装时的焊接变形量均最小。选择薄板时，对板的厚度有严格要求，减少焊角尺寸和骨架间距。另外尽量不要设计曲线形或者弯曲的结构。在安排焊缝的位置时，应按照对称位置或者平行的方向安排焊缝，这样可以减少梁、柱等结构的扭曲变形。
　　3.2 工艺方面
　　所谓的工艺措施就是指在生产焊接钢结构件时采取的相应措施，这个可以分为预防措施（焊接之前）、控制措施（焊接过程中）以及矫正措施（焊接之后）。
　　3.2.1 预防措施
　　（1）反变形法。反变形法是指在钢构件施工前，先预测其可能的焊接变形的大小和方向，在焊接装配后残余变量能都抵消焊接变形，以达到防止变形的目的，使构件恢复到设计要求的几何尺寸和几何形状。
　　（2）刚性固定法。这种方法指的是没有采取反变形的条件下，将钢结构件固定增加焊件刚度，具体说就是采用夹具或电焊并依照变形的相反反向来固定焊件以避免焊接变形的发生。
　　（3）预拉伸法。这种方法大多用于薄板平面构件，即采用加热预拉伸或者机械预拉伸使钢板预先得到拉伸，然后在张紧的钢板上进行焊接，焊接结束后撤销加热或者拉伸，钢板回到初始状态。这种方法可以有效地防止波浪变形的产生。
　　（4）选择合理的装配顺序。这种方法是通过合理的安排焊接顺序，达到焊接变形相互抵消，降低变形的目的。
　　（5）选择合理的焊接方法和规范，选择焊接方法和规范时应选择线能量较低的，可避免焊接变形。
　　3.2.2 控制措施
　　焊接过程中选择何磊的焊接方法、焊接参数以及焊接次序等均可以减小焊接变形。
　　（1）厚板焊接尽量采用多层焊接。钢结构件两面都可以焊接时，最好采用双面对称坡口，多层焊时选择与构件轴线对称的焊接顺序。 （2）焊接时先焊短焊缝后焊长焊缝。焊接1米以上的长焊缝时最好采用断续焊接，预留焊接长度的方法，这样可以减少焊接变形量。
　　（3）焊缝较多的钢结构件，选择合理的焊接顺序是关键，根据其结构以及焊缝的布置情况，按照焊缝收缩量的大小，从大到小焊接。
　　（4）横向加强肋和纵向加强肋的焊接采用断续焊，内环板和中心板之间的焊缝要均匀对称焊接。
　　3.2.3 矫正措施
　　钢构件焊接完成后，若出现残余变形，就必须得通过矫正措施来减小或者消除存在的残余变形。焊后的矫正措施主要有加热矫正和机械矫正，而加热矫正又包括整体加热和局部加热。
　　（1）加热矫正。当焊接的形状偏差较大时，可以采用整体加热矫正，也就是将钢构件整体加热到锻造温度以上，然后再进行矫正。但是此方法的缺陷是焊后整体加热容易产生冶金方面的副作用。因此，整体加热的应用受到一定的限制。局部加热矫正就是采用火焰对焊接钢结构件进行局部加热，由于热胀冷缩，在高温的地方，材料的热膨胀受到钢结构件刚性的制约，产生局部压缩变形，冷却后收缩，与焊后的伸长变形相互抵消。局部加热法无需专门的设备，操作简便灵活，应用广泛。
　　（2）机械矫正法。机械矫正法主要是指借用外力促使构件形成与焊接变形相反方向的变形，达到与焊接变形相抵消的目的，进而实现变形矫正。机械矫正法效率高、成本低，通常情况下，工业上进行批量矫正时多采用大吨位压力机或者翼缘矫直机。如果只是简单的机械矫正也可以直接使用锤击，这主要是针对焊缝收缩引起的形变，用锤子击打焊缝，焊缝产生的延展会和焊缝由于收缩而产生的形变互相抵消，进而达到矫正的目的。
　　4 结语
　　钢结构焊接质量控制体系管理程序的健全，焊接变形的质量控制，应从尽快建立健全严谨的图纸设计管理程序着手，使钢结构焊接设计合理化，从源头上为结构施工焊接创造有力的基础性支持，并在施工过程中不断完善焊接质量管理，有效的控制焊接变形，最大限度地减少焊接变形，针对不可避免的焊接变形，还要坚持不懈地实践和提高焊接变形矫正工艺水平。
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