钢结构焊接变形的形式与原因及焊接方法

00简介

钢结构连接常用焊接，一些重要焊缝一般采用全熔透焊。 金属焊接局部加热熔化过程中，受热区域的金属与周围母材的温差很大，导致焊接过程中产生瞬时应力。

冷却至原始温度后，整个接头区域的焊缝及近焊缝区域的拉应力区与母材的压应力区达到平衡，从而在结构本身产生焊接残余应力。

此时，在焊接应力的作用下，焊接结构发生各种形式的变形。 残余应力的存在和变形的产生是相互转化的。 如果了解了变形规律，就不难找到预防、减少和纠正变形的方法。

1、焊接变形的形式及产生原因

钢结构焊接后的变形大致可分为两种情况：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和弯曲（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：板坡口对接焊后长度缩短（纵向收缩）和宽度缩小（横向收缩）的变形； 板坡口对接焊后角变形；

构件焊后沿构件纵轴的角变形值不同以及构件翼缘、腹板纵向收缩不一致而引起的变形；

薄板焊接后，母材的压应力区使板面因失稳而翘曲，形成波浪变形； 构件的整体弯曲是由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件中性轴的不对称性造成的。 这种变形称为弯曲变形。

这些变形是变形的基本形式，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，因此在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，造成焊接结构的各种变形。

2、影响焊接结构变形的因素

影响焊接变形的因素有很多。 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内的金属面积。 焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形越大。

2）焊接热输入的影响：一般热输入大时，高温区大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，有增大纵向变形的作用。 、横向或角变形。 但在表面堆焊中，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，热输入越大，冷却速度减慢，收缩变形增大。

4）焊接方法的影响：建筑钢结构常用的焊接方法中，除电渣焊外，在焊缝面积等其他条件相同的情况下，埋弧焊的线能量最大，收缩变形也最大。 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。 刚度较低的结构，焊接变形较大； 刚度较高的结构焊接后变形较小。

7）装配和焊接规范对焊接变形的影响：不同的装配方法也会影响结构的变形。 如果整个结构在焊接前组装，则组装时的变形一般比焊接时的变形小。

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。 单独了解各个因素的影响，有利于对项目的具体情况进行具体的综合分析。

3、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，尽可能采用最小的坡口尺寸（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，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，应采用双面对称坡口，焊接多层时应采用与构件中性轴对称的焊接顺序，如图2所示：

图2：采用双面坡口对称焊接顺序减少角变形

5）当T型接头板厚较大时，采用坡口角对接焊缝，见图3：

图3：T型接头板厚较大时采用斜角对接焊缝

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。

防止焊后变形的目的是为了防止焊后变形。 表1和图4分别为箱形柱和H型钢焊前抗变形参考值：

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。 在实际生产中，对于刚性较高的部件，焊接后的变形一般较小。 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，必须在焊接冷却后拆除夹具和支撑。 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）锤击焊法：此法主要适用于薄板的焊接。 当薄板焊缝及其热影响区尚未完全冷却时，立即锤击该区域，并用气枪敲击厚板。

9）采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形。

10）设计时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中性轴，焊缝排列应与构件中性轴一致。

与轴对称。

11）正确选择焊接顺序。 当钢结构中既有对接焊缝又有角焊缝时，原则上应先焊对接焊缝，后焊角焊缝。 对于十字焊缝和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。 以整个钢结构的中性轴对称焊接，从中间相分两段焊接，对减少变形非常有利。 对于强度要求较高的钢结构重要部位的焊接，应允许接头尽可能自由收缩，不受约束。

4、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修正方法可分为力修正和加热修正，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、螺旋增力器、辊式矫直机或大型压力机进行。

4.2 加热修正方法

即利用不均匀加热，使结构向相反方向变形，以补偿或抵消原来的焊接变形。 加热校正法的加热方式可分为点加热、线性加热、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的变形规律是做好矫正的关键。 火焰校正的效果主要由加热位置和加热温度决定。 低碳钢与普通合金的焊接结构通常采用650-8000C的加热温度，一般不应超过9000C。 各种颜色的温度范围见表2

为了提高矫正效果，可以在加热过程中施加外力。 火焰校正时，加热点冷却有两种方式：自然冷却和水冷却。 水火修正法可以使结构修正更加有效，并且可以使修正量大于自然冷却的修正量。 例如，校正大截面H型钢时