钢结构的焊接和矫正论文赵维康 10601305摘要在钢结构屋架和钢柱平台施工中在钢结构屋架和钢柱平台施工中,焊接是重要工序焊接是重要工序.如何消除焊接应力如何消除焊接应力,控制焊接变形控制焊接变形,是保是保 证工程质量的关键证工程质量的关键.针对大型钢结构屋架和钢柱平台焊接变形问题针对大型钢结构屋架和钢柱平台焊接变形问题,施工前应分析出影响变形施工前应分析出影响变形 的主要因素并预见变形的方向的主要因素并预见变形的方向,制定预防、矫正变形、释放焊接应力的措施制定预防、矫正变形、释放焊接应力的措施.关键词：钢结构 焊接变形 矫正 火焰矫正在钢结构屋架和钢柱平台施工中在钢结构屋架和钢柱平台施工中, ,焊接是重要工序焊接是重要工序. .如何消除焊接应力如何消除焊接应力, ,控制控制 焊接变形焊接变形, ,是保证工程质量的关键是保证工程质量的关键. .针对大型钢结构屋架和钢柱平台焊接变形问针对大型钢结构屋架和钢柱平台焊接变形问 题题, ,施工前应分析出影响变形的主要因素并预见变形的方向施工前应分析出影响变形的主要因素并预见变形的方向, ,制定预防、矫正变制定预防、矫正变 形、释放焊接应力的措施形、释放焊接应力的措施 1 焊接应力与释放概述 1.1 焊接应力概述 焊接应力:是焊接过程中焊件内产生的应力。它是导致结构变形,形成裂纹的主要原因。 焊接应力可分为瞬态热应力和焊接残余应力。焊接应力的危害可从两方面考虑: (1)对结构完整性的影响 焊接热应力可促使焊缝产生热裂纹,残余应力导致焊后延迟裂纹的形成。 (2)对结构服役性能的影响 焊接残余应力可以加速疲劳破坏,导致应力腐蚀开裂(包括硫化物引起的开裂和碱 脆破坏),产生低温脆断破坏,促进材料的腐蚀磨损等,压缩残余应力还会造成薄板结构或细长 杆件的压曲失稳,产生面外变形。 1.2 应力释放 应力释放(stress relief)是指物体内某一点的应力由于释放能量而降低的现象;确切 地说是能量释放。应力释放一般有两种情况:其一,在应力集中的部位,如断裂端点和交叉部 位等处发生形变或破坏,导致应力释放。其二,并非应力集中的地区岩质相变、岩石力学性 质变化或其他原因,致使强度降低,也会发生形变或破坏,造成应力释放。 2 焊接应力减小与释放的研究 在焊接过程当中,由于焊接点的好坏,往往会出现焊接残余应力,焊接残余应力和残存变 形将影响构件的受力和使用,并且是形成各种焊接裂纹的因素之一,应在焊接、制造和设计时 加以控制和重视。因此在焊接钢结构屋架的时候,由于我们需要对焊接应力进行详细的分析 与研究,将焊接应力所产生的影响降低到最小的限度。一般来说,焊接的方式主要分为几种, 热时效、加载法、超声冲击与锤击 （1）热时效：对重要焊接构件先进行整体热时效,然后在现场与其它构件进行组合拼焊的 工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。在焊接很多大型钢结构建筑物的时候,我们一般都是 采用整体热时效,然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果,通 过热时效的焊接方式,可以具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。在焊接过程当中, 一般认为热时效的消应力效果为 40-80%,能有效的保证焊接的效果完整。 （2）加载法： 加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力,使焊缝及其附近 产生拉伸塑性变形,与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分,达到松驰应力的目的。这种方式可以在一定程度上进行进行大型钢结构屋架的焊接。由于在焊接 前先将所焊接的钢彩进行拉伸。在焊接完毕之后,钢材能够在恢复时抵消焊接应力的影响,并 且能够有一定的伸缩度,提高屋顶的承重能力。因此焊接大型钢结构屋架应该主要采用这种 方式。 （3）超声冲击与锤击：超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出,近年引入我国,已 在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是:在超声频率 (16KHz)下应用束状冲头,在对焊趾和焊缝表面进行冲击;从实验的数据来看: 超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果,在采用对焊道全覆盖冲击时,被冲击的 表面会形成压应力,对 24mm 深度层消应力效果可达 3455%。 采用焊趾冲击法,可以快速修复焊趾的缺陷,降低应力集中。并伴随其压应力区的作 用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力,下降率达 19%,对提高接头的疲 劳寿命有明显作用。 由于冲击工艺处理的特点,仅可以用于冲击工具可达的外表面,其工作效率约为 1200mm2/min。 冲击工艺一般采用的应压力的方式将焊接应力随着振动的方式进行消除,这种工艺一般 适用于短焊接的局部处理。例如修补焊接口,小配件焊接方式等。焊接后容易产生延迟冷裂 纹的情况。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。 3 焊接变形的种类焊接变形的种类 钢结构焊接后出现变形的类型和大小与结构的材料，板厚，形状，焊缝在结构上的位 置。以及采用的焊接顺序 ，焊接电流大小，焊接方法等有关。按焊接残余变形的外观形态 分为收缩变形，角变形，弯曲变形，波浪变形和扭曲变形五种基本类型。 3.1 收缩变形 可分为纵向收缩变形：由于构件的焊缝及附近的金属在焊接高温作用下膨胀时受到周 围未加热金属的阻碍，产生了压缩塑性变形，这个区域称为塑性变形区。 横向收缩变形：垂直于焊缝轴线方向所发生的焊件整体缩短现象。 3.2 角变形 角变形是常见的焊接变形。主要发生在堆焊，搭接接头，对接接头和 T 形接头焊缝中。堆焊是指板材上平铺焊缝。在堆焊时，焊缝及其周围温度明显高于焊缝背面，因此， 板材堆焊表面金属受热膨胀产生压缩塑性变形，冷却后产生了角变形。 对接接头焊缝的坡口形式，坡口角度和焊接顺序是影响对接接头角变形的重要因素。 搭接接头角变形的影响因素基本与对接焊缝相似。焊缝截面和焊接顺序是影响角变形的重 要因素。 T 形接头焊缝的角变形有立板相对水平板的回转和水平板的角变形两种。角变形的大 小取决于角焊缝的焊角尺寸 K 和板厚 3.3 弯曲变形 弯曲变形也称为挠曲变形。焊接引起的挠曲变形指纵向收缩和横向收缩引起的挠曲变 形 纵向收缩引起的挠曲变形:当焊缝中心线与焊接结构截面的中性轴不重合，焊缝在焊件 上的分布不对称以及焊接顺序不合理，使纵向收缩力在焊件中性轴两侧引起的变形不能相 互抵消，除了要求焊件的收缩变形外，同时还会引起焊件的挠度变形。随着焊缝尺寸的增 大，钢结构产生的挠曲变形量也增大。 横向收缩引起的挠曲变形：钢结构上的焊缝分布不均匀，在其横向收缩时和纵向收缩 一样会产生焊件的挠曲变形。3.4 扭曲变形 扭曲变形常发生在杆件结构中。在杆件结构中由于纵向焊缝分布不均和焊接顺序不合 理等因素，焊接后造成杆件结构发生绕杆件轴线的扭转变形。 焊接扭曲变形的影响因素主要是焊接加热不均匀造成的，其机理分析较为复杂。 3.5 其他变形 焊接引起的其他变形还有错边变形和波浪变形等。 错边变形产生的原因是对接两焊件在焊接过程中产生的热膨胀不一致，因其长度方向 和厚度方向变形的差异不同产生的错边变形。 波浪变形一般发生在薄板焊件中，主要是焊接加热的残余应力造成的。残余应力作用 的部件的刚度不同是错边变形产生的主要因素。 4 钢结构矫正概述 随着工业迅速发展，越来越多的钢结构应用于桥梁、厂房以及梁等构件，H 型钢柱是 钢结构的主要构件，通常以焊接方式进行连接。由于焊接是一个热加工过程，在构件制作 过程中受热影响，都存在焊接变形问题，在实际应用中，若焊接变形不予以矫正，则不仅 影响结构整体安装，还会降低工程的安全可靠性。 通常，当焊接钢结构产生的变形超过技术设计允许变形范围时，应设法进行矫正，使 其达到符合产品质量要求。实践证明，多数变形的构件是可以矫正的。矫正的方法都是设 法造成新的变形来达到抵消已经发生的变形。在生产过程中普遍应用的矫正方法主要有机 械矫正、火焰矫正。 4.1 钢结构焊接变形火焰矫正 火焰矫正法就是把焊接变形相对部位的金属局部加热到热塑状态，利用不均匀加热引 起的变形来矫正焊接结构已经发生的变形，这种方法只需普通气焊所用的工具和设备。但 火焰矫正是一门较难操作的工作，方法掌握、温度控制不当还会造成构件新的更大变形。 因此，火焰矫正要有丰富的实践经验。 钢结构的主要构件是焊接 H 型钢柱、梁、撑。焊接变形经常采用以下三种火焰矫正方 法： （1）线状加热法:加热时火焰沿直线方向移动或同时在宽度方向作一定的横向摆动称 为线状加热法； （2）点状加热法：加热的区域是直径不一的圆圈状的点称为点状加热法； （3）三角形加热法：加热区域呈三角形的称为三角形加热法。 下面介绍解决不同部位的施工方法。以下为火焰矫正时的加热温度（材质为低碳钢） 低温矫正 500 度600 度 冷却方式：水 中温矫正 600 度700 度 冷却方式：空气和水、 高温矫正 700 度800 度 冷却方式：空气 注意事项：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。 16Mn 在高温矫正时不可用水冷却，包括厚度或淬硬倾向较大的钢材。 线状加热时要注意：（1）不应在同一位置反复加热； （2）加热过程中不要进行浇水。 这两点是火焰矫正一般原则。 4.2 钢结构焊接变形机械矫正利用机械外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者互相抵消，称为机 械矫正法。采用加压机械来矫正工字梁的弯曲变形。当板壳结构的焊缝比较规则时（例如直焊缝或环形焊缝） ，采用碾压法消除焊接变形效率高、质量好，具有很大的优越性。碾压法是利用圆盘形滚轮来碾压焊缝及其两侧压缩塑 性变形区，使之伸长来达到消除变形的目的。 机械矫正法就是利用机械力的作用来矫正变形，常用的工具有千斤顶、螺旋拉紧器和 压力机等。 5 焊接变形火焰矫正实例 5.1 翼缘板的角变形 矫正 H 型钢柱、梁、撑角变形。在翼缘板上面（对准焊缝外）纵向线状加热（加热温 度控制在 650 度以下） ，注意加热范围不超过两焊脚所控制的范围，所以不用水冷却。线状 加热时要注意： （1）不应在同一位置反复加热； （2）加热过程中不要进行浇水。这两点是火焰矫正一般原则。 5.2 柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲（1）在翼缘板上，对着纵长焊缝，由中间向两端作线状加热，即可矫正弯曲变形。为 避免产生弯曲和扭曲变形，两条加热带要同步进行。可采取低温矫正或中温矫正法。这种 方法有利于减少焊接内应力，但这种方法在纵向收缩的同时有较大的横向收缩，较难掌握。（2）翼缘板上作线状加热，在腹板上作三角形加热。用这种方法矫正柱、梁、撑的弯 曲变形，效果显著，横向线状加热宽度一般取 2090mm，板厚小时，加热宽度要窄一些， 加热过程应由宽度中间向两边扩展。线状加热最好由两人同时操作进行，再分别加热三角 形三角形的宽度不应超过板厚的 2 倍，三角形的底与对应的翼板上线状加热宽度相等。加 热三角形从顶部开始，然后从中心向两侧扩展，一层层加热直到三角形的底为止。加热腹 板时温度不能太高，否则造成凹陷变形，很难修复。注：以上三角形加热方法同样适用于构件的旁弯矫正。加热时应采用中温矫正，浇水 要少。 5.3 柱、梁、撑腹板的波浪变形矫正波浪变形首先要找出凸起的波峰，用圆点加热法配合手锤矫正。加热圆点的直径 一般为 5090mm，当钢板厚度或波浪形面积较大时直径也应放大，可按 d（410） mm（d 为加热点直径； 为板厚）计算得出值加热。烤嘴从波峰起作螺旋形移动，采用 中温矫正。当温度达到 600700 度时，将手锤放在加热区边缘处，再用大锤击手锤，使加 热区金属受挤压，冷却收缩后被拉平。矫正时应避免产生过大的收缩应力。矫完一个圆点 后再进行加热第二个波峰点，方法同上。为加快冷却速度，可对 Q235 钢材进行加水冷却。 这种矫正方法属于点状加热法，加热点的分布可呈梅花形或链式密点形。注意温度不要超 过 750 度。结语：从上述分析我们可以知道,在焊接的过程当中会出现焊接应力来影响整个焊接