鋼結構焊接應力和變形控制

在建筑鋼結構發(fā)展如火如荼的今天，形式各異的焊接機械、焊接方法日新月異，焊接技術(shù)成了一個(gè)關(guān)鍵的課題。但在施工過(guò)程中，由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余應力和殘余變形，嚴重影響著(zhù)工程的質(zhì)量、安裝進(jìn)度和結構承載力(即使用功能)，因而，急需采用合理的方法予以控制。

鋼結構的焊接過(guò)程實(shí)際上是在焊件局部區域加熱后又冷卻凝固的熱過(guò)程，但由于不均勻溫度場(chǎng)，導致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內部產(chǎn)生焊接應力而引起焊接變形。常見(jiàn)的焊接應力有：1)縱向應力;2)橫向應力;3)厚度方向應力。常見(jiàn)的焊接變形有：1)縱向收縮變形;2)橫向收縮變形;3)角變形;4)彎曲變形;5)扭曲變形;6)波浪變形。針對這些不同種類(lèi)的焊接變形和應力分布，追溯根源，具體進(jìn)行研究控制。

1、焊接變形的控制措施

全面分析各因素對焊接變形的影響，掌握其影響規律，即可采取合理的控制措施。

1.1焊縫截面積的影響

焊縫截面積是指熔合線(xiàn)范圍內的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，而且是起主要的影響，因此，在板厚相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

1.2焊接熱輸入的影響

一般情況下，熱輸入大時(shí)，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區增大。

1.3焊接方法的影響

多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。

1.4接頭形式的影響

在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時(shí)，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。

1)表面堆焊時(shí)，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。

2)T形角接接頭和搭接接頭時(shí)，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。

3)對接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時(shí)坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。

雙面焊時(shí)情況有所不同，隨著(zhù)坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時(shí)角變形也減小。

1.5焊接層數的影響

1)橫向收縮：在對接接頭多層焊接時(shí)，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律，第一層以后相當于無(wú)間隙對接焊，接近于蓋面焊道時(shí)與堆焊的條件和變形規律相似，因此，收縮變形相對較小。

2)縱向收縮：多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。

在工程焊接實(shí)踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況做具體的綜合分析。所以，了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：

1)減小焊縫截面積，在得到完整、無(wú)超標缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸(角度和間隙)。

2)對屈服強度345MPA以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度;優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。

3)厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。

4)在滿(mǎn)足設計要求情況下，縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可采用間斷焊接法。

5)雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對稱(chēng)坡口，并在多層焊時(shí)采用與構件中和軸對稱(chēng)的焊接順序。

6)T形接頭板厚較大時(shí)采用開(kāi)坡口角對接焊縫。

7)采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。

8)采用剛性?shī)A具固定法控制焊后變形。

9)采用構件預留長(cháng)度法補償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長(cháng)可預留0.5mm～0.7mm。

10)對于長(cháng)構件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構件組裝精度，使坡口角度和間隙準確，電弧的指向或對中準確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長(cháng)度方向一致。

11)在焊縫眾多的構件組焊時(shí)或結構安裝時(shí)，要采取合理的焊接順序。

12)設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸，并使焊縫的布置與構件中和軸相對稱(chēng)。

　2、焊接應力的控制措施

構件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)內應力，焊接后產(chǎn)生殘余應力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形，這是不可避免的現象。

焊接變形的矯正費時(shí)費工，構件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形，往往對控制殘余應力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來(lái)控制變形，與此同時(shí)實(shí)際上增大了焊后的殘余應力。

對于一些本身剛性較大的構件，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大時(shí)，雖然變形會(huì )較小，但卻同時(shí)產(chǎn)生較大的內應力，甚至產(chǎn)生裂紋。

因此，對于一些構件截面厚大，焊接節點(diǎn)復雜，拘束度大，鋼材強度級別高，使用條件惡劣的重要結構要注意焊接應力的控制?？刂茟Φ哪繕耸墙档推浞逯凳蛊渚鶆蚍植?，其控制措施有以下幾種：

1)減小焊縫尺寸：焊接內應力由局部加熱循環(huán)而引起，為此，在滿(mǎn)足設計要求的條件下，不應加大焊縫尺寸和層高，要轉變焊縫越大越安全的觀(guān)念。

2)減小焊接拘束度：拘束度越大，焊接應力越大，首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。

3)采取合理的焊接順序：在焊縫較多的組裝條件下，應根據構件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。

4)降低焊件剛度，創(chuàng )造自由收縮的條件。

5)錘擊法減小焊接殘余應力：在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動(dòng)錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應力。

但根部焊道、坡口內及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側焊道不宜錘擊，以免出現熔合線(xiàn)和近縫區的硬化或裂紋。高強度低合金鋼，如屈服強度級別大于345MPa時(shí)，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應力。

6)采用拋丸機除銹：通過(guò)鋼丸均勻敲打來(lái)抵消構件的焊接應力。

綜上所述，在施工過(guò)程中，一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊后殘余應力和殘余變形。在實(shí)踐中不斷總結、積累焊接經(jīng)驗，綜合分析考慮的各種因素，可以保證工程中的焊接質(zhì)量。