常见钢结构焊接变形的基本形式与原因分析

因为钢材是当代工业生产中不可缺少的、特别重要的材料，而连接钢结构最常用的方法就是焊接，对于一些重要的焊缝一般采用全熔透焊。 在金属焊接的局部加热熔化过程中，加热区金属的温度与周围母材的温度相差很大，因此焊接过程中会产生瞬态应力。 当冷却到原始温度时，整个接头区焊缝及近焊缝区的拉应力区与母材的压应力区达到平衡，从而在结构本身中产生焊接残余应力。

此时，焊件结构在焊接应力的作用下可能会发生各种形式的变形。 残余应力的存在与变形的产生是相互转化的，因此控制和纠正普通钢结构的焊接变形显得尤为重要。

焊接变形的形式及原因

钢结构焊接后发生的变形大致可分为以下两种情况：整体结构变形和局部结构变形。 整体结构的变形包括结构的纵向和横向缩短以及弯曲（即翘曲）。 局部变形表现为凸弯、波浪形、角形变形等。

1.1 常见的基本变形形式

常见焊接变形的基本形式有：板材坡口对接焊后因长度缩短（纵向收缩）和宽度收窄（横向收缩）而产生的变形； 板材坡口对接焊后产生的角变形；

焊接构件的角变形是由于构件沿纵轴方向的数值不同以及构件翼缘和腹板的纵向收缩不一致造成的；

薄板焊接后，母材的压应力区使板面因失稳而翘曲，形成波状变形； 由于焊缝的纵向和横向收缩量相对于构件中性轴的不对称性，造成构件的整体弯曲。 这种变形就是弯曲变形。

图1：焊接变形的基本形式

这些变形都是基本变形形式，各种复杂结构变形是这些基本变形的发展、转化和综合。

1.2 焊接变形的原因

焊接过程中焊件局部受热不均匀是产生焊接应力和变形的原因。 焊接过程中，焊缝中的金属和焊缝附近的加热区域会膨胀。 由于周围较冷的金属阻止了这种膨胀，因此焊接区域会产生压应力和塑性收缩变形，从而导致不同程度的横向和纵向收缩。 由于这两个方向的收缩，引起焊接结构的各种变形。

影响焊接结构变形的因素

影响焊接变形量的因素有很多。 有时同一因素对纵向变形、横向变形和角变形的影响相反。 综合分析各种因素对各种变形的影响，掌握其影响规律，是采取合理措施控制变形的基础。 否则很难达到预期的效果。

1）焊缝截面积的影响：焊缝截面积是指熔合线以内的金属面积。 焊缝面积越大，冷却时因收缩引起的塑性变形量越大。

2）焊接热输入的影响：一般来说，热输入大时，加热高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，无论纵向、横向还是角变形。 影响。 但表面堆焊时，当热输入增大到一定程度时，整个板厚的温度就接近，因此即使热输入继续增大，角变形也不再增大，而是减小。

3）工件预热和层间温度的影响：预热温度和层间温度越高，相当于热输入增加，冷却速度减慢，收缩变形增大。

4）焊接方法的影响：建筑钢结构焊接常用的几种方法中，除电渣焊外，埋弧焊的热输入量最大。 在焊缝面积等其他条件相同的情况下，收缩变形最大。 手工电弧焊的热输入中等，收缩变形比埋弧焊小。 CO2气体保护焊具有最小的热输入和最小的收缩变形响应。

5）焊缝位置对变形的影响：由于结构中焊缝位置不对称，焊缝位置不对称会引起各种变形。

6）结构刚度对焊接变形的影响：结构的刚度主要取决于结构的形状及其截面尺寸。 刚度较小的结构，焊接变形较大； 刚度高的结构焊接后变形小。

7）装配和焊接规范对焊接变形的影响：由于装配方法不同，结构的变形也受到影响。 当整个组装完成后再进行焊接时，组装时的变形一般比焊接要小。

工程焊接过程中，由于各种条件和因素的综合影响，焊接残余变形的规律比较复杂。 了解各个因素单独作用的影响，有助于对项目的具体情况进行详细、全面的分析。

防止和减少结构变形的措施

1）减小焊缝截面积：在获得完整焊缝且无过多缺陷的前提下，采用尽可能小的坡口尺寸（角度和间隙）。

2）对于屈服强度低于345MPa、淬透性弱的钢材，采用较小的热输入并尽可能避免预热或适当降低预热和层间温度； 优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。

3）对于厚板焊接，应尽量采用多层焊，而不是单层焊。

4）双面均可焊接时，必须采用双面对称坡口，多层焊接时，应采用与构件中性轴对称的焊接顺序，如下图2所示：

(a) 大角度变形

(b) 小角度变形

图2：采用双面坡口对称焊接顺序减少角变形

5）当T形接头厚度较大时，采用斜角对接焊缝，如图3所示：

(a) 没有倒角时，变形大 (b) 有倒角时，变形小

图3：T型接头板厚较大时采用坡口角对接焊缝

6）采用焊前防变形方法，控制焊后角变形。 这种方法是生产中最常用的方法，焊件基本上都是提前偏置（补偿）的。

焊后弯曲防变形，达到防止焊后变形的目的。 表1和图4分别给出了箱形柱和H型钢焊接前的抗变形参考值：

箱梁翼缘板角度反向变形值 表1

图4 H型钢焊接前法兰反向变形参考值

7）刚性固定法：又称强制法。 实际生产中，刚性高的构件焊接后变形一般较小。 对于刚度较低的构件，可以在焊接前加强构件的刚度，焊后的变形也会相应减少。 使用此方法时，必须等待焊接冷却后才能拆下夹具和支架。 常见的几种方法有夹具法、支撑法、模具法、临时固定法（如焊钉固定法、压紧固定法）、定位焊接法等。

8）锤焊法：此法主要适用于薄板的焊接。 当薄板焊缝及其热影响区未完全冷却时，应立即锤击该区域，厚板则使用气枪。

9）采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形。

10）设计中应尽量减少焊缝数量和尺寸； 焊缝应合理布置。 除避免密集焊缝外，焊缝位置应尽可能靠近构件的中性轴，焊缝布置应与构件保持一致。 中间

与轴对称。

11）正确选择焊接顺序。 当钢结构同时存在对接焊缝和角焊缝时，原则上先焊对接焊缝，反焊角焊缝。 对于十字形焊缝和T形焊缝，应采用正确的顺序，避免焊接应力集中，保证接头焊接质量。 相对于整个钢结构的中性轴对称焊接，从中间焊接两段，对于减少变形非常有利。 对于钢结构中强度要求较高的重要部位的焊接，接头应尽可能能不受约束地自由收缩。

焊接变形的焊后修正方法

为了满足设计和规范要求，必须对发生焊接变形的焊接结构部件进行校正。 从另一个角度来看，这种修正本质上是试图创造新的变形来补偿或抵消已经发生的变形。 在建筑生产中，最常用的焊后残余变形的校正方法可分为力校正、加热校正以及两种方法的结合。

4.1 力修正方法

力校正通常使用千斤顶、螺旋增强器、辊式矫直机或大型压力机来完成。

4.2 加热修正方法

即利用不均匀加热使结构获得反向变形来补偿或抵消原有的焊接变形。 加热校正法的加热方式可分为点加热、直线加热和三角加热。 加热校正可以消除许多力校正无法解决的变形。 掌握火焰局部受热引起变形的规律是纠正的关键。 加热的位置和加热温度主要决定火焰校正的效果。 低碳钢与普通合金的焊接结构通常采用650～8000℃的加热温度，一般不宜超过9000℃。通过各种颜色可区分的温度范围见表2。

板材加热颜色及对应温度表2

在采用加热矫正的同时，为了提高矫正效果，还可以在加热过程中施加外力矫正。 火焰校正时，加热点冷却有两种方法：自然冷却和水冷却。 采用水火修正法可以达到快速的结构修正效果，修正量可大于自然冷却的修正量。如修正大截面H型钢

火焰加热修正方法分为以下三种：

4.2.1. 点加热方式

点加热是一种利用多点火焰对大面积变形部件进行加热的校正方法。 加热点的直径和数量应根据焊件的结构形状和变形情况确定。 厚板加热点直径宜大一些，薄板加热点直径宜小一些。 当变形较大时，加热点之间的距离应较小； 当变形较小时，加热点之间的距离应较大。 这种加热方法特别适用于校正薄板的波形变形。

在四面受杯约束的板状结构中，当板件发生弯曲变形时，采用点加热方法。

4.2.2. 线性加热方式

火焰沿直线缓慢移动或同时横向摆动形成加热区的加热方式称为线性加热。 线性加热有直线加热、链式加热和条状加热三种形式。 线性加热是应用最广泛的火焰加热方法，可用于校正角度变形、波浪变形、弯曲变形等。

(a) 线性加热 (b) 链式加热 (c) 带状加热

线性加热图

使用线性加热方法校正焊接或角焊引起的角度变形

4.2.3. 三角加热方式

为了纠正板周围T形接头的弯曲变形，采用三角（楔形）加热方法。

火焰校正工艺流程

进行火焰校正操作时必须遵循某些工艺程序。 其工艺流程如下：

1）做好校直前的准备工作，检查氧气、乙炔、工具、设备的情况，选择合适的焊枪和焊嘴。

2）了解校正件的材料、其塑性、结构特点、刚度、技术条件和装配关系等，查找变形原因。

3）用目视检查或用直尺、粉线等测量变形尺寸，确定变形的大小，分析变形的类型。

4）确定加热位置和加热顺序，并考虑是否需要外力。 一般应先对刚度较大的方向和变形较大的部位进行校正。

5）确定加热范围、加热温度和深度。 一般对于变形较大的大型工件，加热温度为600-800℃，焊件修正加热温度为700-800℃。

6）检查校正质量，对不符合质量要求的区域重新进行火焰校正。 若修正量过大，应向相反方向进行火焰修正，直至满足技术要求。

7）一般零件校正后不需要进行退火，但有特殊技术要求的校正零件需要进行退火，以消除校正应力。 焊接件的退火温度一般为650℃。