钢结构焊接施工焊接应力、焊接变形分析与控制
摘要：钢结构由于具有强度高、结构自重轻、构件截面小、抗震性好、平面布置灵活、有效节约空间、质量可靠、施工速度快、现场用工省，建设周期短等一些列优点，在建筑工程上得到日益广泛的应用，但由于钢结构截面小、板厚薄，在焊接施工过程中由于施工工艺不适当易产生焊接应力和焊接变形，从而直接影响安装精度和框架结构安全稳定性。本文研究对象为焊接应力、焊接变形及控制，主要阐述在钢结构焊接施工过程中焊接应力和焊接变形产生原因及危害性，焊接变形种类，焊接应力与焊接变形控制措施，焊接应力消除与焊接变形的矫正方法。
关键词：焊接应力 焊接变形 控制措施 应力消除 矫正方法
1 焊接应力与焊接变形产生原因分析
1.1 焊接应力：焊缝冷却至原始温度后，在整个接头区内焊缝及近缝的拉应力与母材的压应力区数值达到平衡，这时应力状态称为焊接残余应力，简称焊接应力。
1.2 焊接变形：在焊接应力作用下，如果焊件的约束较小，则焊件会产生相应的尺寸变化或弯曲或翘曲变形，称为焊接变形。
1.3 焊接应力与焊接变形产生原因
在焊接过程中，在不均匀加热使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度接近室内温度。这样，不受热的金属部分便阻碍了焊缝及近缝金属的膨胀和收缩；因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接
结构的各种变形。金属内部晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形，这也是产生焊接应力与变形的根本原因。
1.4 焊件残余应力与变形危害
在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生变形，而焊完并冷却后所留下的变形不是暂时的而是残余的。通常焊接的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受载荷，使产品质量大大下降，而矫正却要浪费大量的人力和物力，有时还导致产品的报废。同时焊接裂纹的产生往往和焊接残余应力和焊接变形有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而使其使用性能大为下降，从而对这类金属的焊件生产工艺上的就存在大量困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接时应力发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减小它的危害。
2 焊接变形种类
焊接变形的种类很多，与构件形状和尺寸，焊接方法和顺序，约束情况等很多因素有关。常见焊接变形主要分为以下几大类：
①横向收缩变形：构件焊后在垂直于焊缝方向产生收缩。
②纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向产生收缩。
③角变形：由于焊缝的横向收缩使得焊件平面绕焊缝轴产生角变化。
④弯曲变形：由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中和轴不对称引起构件整体弯曲。
⑤扭曲变形：焊后构件的角变形沿构件纵轴方向数值不同及构件翼缘与腹板的纵向收缩不一致，综合而形成的变形形态。
⑥波浪变形：薄板焊接后，母材受压应力由于失稳而使板面产生翘曲。
3 焊接应力与焊接变形控制措施
3.1 焊接应力的控制措施
构件制作和安装企业往往优先考虑的是控制焊接变形，对焊接应力的控制较为忽视。但由于残余应力对构件承受动力载荷、三向应力状态和低温下使用有非常不利的影响，因此对焊接残余应力的控制也需要特别注意。控制焊接应力的目的是减低其峰值并使其均匀分布，控制措施可以从以下几方面予以加强：
①尽量减小焊缝尺寸
②减小焊接约束度
③采取合理焊接顺序
④降低焊件刚度，创造自由收缩条件
⑤锤击法减小焊接残余应力
3.2 焊接变形的控制措施
焊接变形直接影响构件、结构的安装及使用，并引起附加内力或次应力降低结构承载力，故控制焊接变形很重要。控制焊接变形主要有以下措施：
①尽量减小焊缝截面积。在实际施焊中能达到无超标缺陷焊缝的前提下选择工艺参数，尽可能采用较小的坡口尺寸。
②对于屈服强度小于345MPA的钢材采用较小的热输入，尽可能不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。
③对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称焊接；对于有对称截面的构件，宜采用对称于中和轴的顺序焊接。
④对于双面非对称坡口焊接，宜采用先焊接深坡口侧部分焊缝，后焊浅坡口侧焊缝，最后焊完深坡口侧焊缝的顺序。
⑤在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定情况下，宜优先采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自动保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输入。
⑥设计上要尽量减小焊缝的数量和尺寸；合理布置焊缝，除了要避免焊缝的密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。
⑦对于某些焊缝布置不对称结构，应优先焊接焊缝少的一侧；厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊接。
⑧宜采用反变形法控制角变形。
⑨对于一般构件可用定位焊固定同时变形；对于大型、厚度构件宜用刚性固定法增加结构焊接时刚性；对于大型结构件宜采用分部分组装焊接，分别矫正后再进行总装或连续施工方法。
⑩采用合理的焊接顺序也是防止焊接变形的有效措施。长焊缝可采用逆向分段焊接法；从中间向两端分开焊接法；两边对称施焊法（角接焊缝）；两把焊同步、同方向、同参数的三同施工焊接（H型钢、箱形构件主焊道）；大型梁腹板的现场总成对接焊采用从下向上施焊法达成上拱要求。当有几种纵横交叉焊缝施焊时，应先焊收缩变形较大的横缝，而后焊纵缝，这样焊横缝时不会受到纵缝的约束，使横缝的收缩力在无约束的情况下得到释放，可以减小焊接变形；对接焊缝和角对接同时存在时应优先焊接对接焊缝后焊接角焊缝。
4 焊接应力消除与焊接变形的矫正方法
4.1焊接应力消除方法
对于需要避免应力腐蚀，或要求在动载荷和疲劳载荷下工作，不产生脆性断裂构件必须在焊后对其进行应力消除。焊后应力消除方法大致有以下几种：
①用锤击法消除中间焊层应力，应使用圆头手锤或小型振动工具进行，不应对根部焊缝、盖面焊缝进行锤击。
②振动法进行应力消除。在进行振动应力消除时应符合国家现行《振动时效工艺参数选择及技术要求》（JB/T-5926）的规定。
③加热炉整体退火或电加热器局部退火对焊件进行消除应力，在具体操作过程中视具体情况可以根据尺寸进行选择。
④焊后对焊接进行焊后热处理。在焊后热处理时构件焊缝每侧加热宽度至少为3倍钢板厚度，且不应该小于200MM；加热宽度以往构件两侧尚宜用保温材料适当覆盖。
4.2 焊接变形的矫正方法
构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须进行矫正。焊接变形矫正方法有：机械矫正、火焰矫正和混合矫正。施工时，可以根据实际情况合理选用。矫正时应遵循以下原则：先总体，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后次件。
4.2.1 机械矫正法
机械矫正法主要是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用方法有液压矫正机矫、滚筒式矫正机滚矫、液压矫正机扳矫和千斤顶顶矫。
4.2.2火焰矫正
采用火焰矫正的原理和焊接变形原理相同，只是反其道而行之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生变形，构件局部被加热后，依靠加热区的膨胀与收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。用火焰加热矫正构件时，一定要使构件处于自由状态，一些自重较大的构件加热后要用吊具提离平台，以免自重产生的摩擦力阻碍变形，影响矫正效果。采用火焰矫正20米长钢构件其侧弯或拱量可以矫正到6MM
以内，远远低于规范要求。但是用火焰矫正，在实际施工中很难定量地确定加热部位、加热温度、加热时间及加热区域长度等，主要靠积累经验，因此，在准备矫正构件时，要选择有一定矫正经验的人员担任此项工作，并且人员要相对固定。
利用火焰矫正方便快捷，但必须注意几项基本要领。首先，加热温度要掌握好，一般
控制温度在650-850℃之间，温度太低效果不明显，温度太高易使材质发生变化；要掌握在
不同气温情况下的加热温度；变形较大的构件一次加热不能完全清除变形时，应错开原来
的加热点进行第二次加热矫正；采取合理的矫正顺序，先矫正翼板不平、倾斜，再矫正侧向弯曲和起拱；矫正过程中要经常用直尺、细钢线、水准仪等检查矫正情况，防止矫枉过正产生新的变形量。
4.2.3 混合矫正
混合矫正就是根据具体构件变形情况，选用机械矫正和火焰矫正交替使用最后达到
消除焊接变形目的。
上述方法都是钢结构焊接施工中对焊接变形矫正的一些常用方法，但何时应用何种方法并无明确规定，通常要根据结构形式和施工方案，并结合丰富的施工经验才能取到事半功倍的效果。随着建筑市场的发展，新设备的大量使用，各种施工工艺都有新发展，对于预防和处理焊接变形会有更好处理方法。
5 结束语
鉴于钢结构由于具有强度高、结构自重轻、构件截面小、抗震性好、平面布置灵活、有效节约空间、质量可靠、施工速度快、现场用工省，建设周期短等一些列优点，其在建筑行业得到广泛的应用。但由于在焊接过程中易产生焊接应力和焊接变形，然而由于焊接应力和焊接变形的存在存首先在加工过程中大量增加了加工制造物力和人力，同时使整个构件丧失稳定性，使建筑框架系统承载能力下降，从而使建筑安全使用性大为降低。故在钢结构施工过程中应制定合理有效控制焊接应力和焊接变形措施，把焊接应力和焊接变形程度降到最低，同时针对仍有超标部分的变形应根据具体结构和变形量采用有效矫正方法进行矫正，以此保证整个建筑工程使用安全性。
