钢结构焊接变形的原因及防治措施

浅析钢结构焊接变形的原因及防治措施XX集团XX工程有限公司摘要：目前，钢结构已在各类建筑中得到广泛的应用。焊接是一项重要的钢结构制作和连接技术，而焊接除了具有质量检验较为困难的缺点外，还容易引起构件变形和存留残余应力。本文结合钢结构焊接变形的基础理论与工程实例，从节点设计、焊接工艺和施工管理方面针对钢结构焊接变形的产生原因和防治措施作一初步探讨。关键词：框架钢结构；焊接变形；防治措施；火焰矫正1、引言钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，在各种结构设施中得到了迅速发展和普遍应用。而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，广泛应用于钢结构的预制与安装中，但随之带来的焊接变形问题也日益突出，对钢结构的外形美观、顺利安装和使用功能等造成了一定的影响，而且给焊后带来大量复杂的矫正工作，严重的变形甚至会使焊件结构报废。因此，综合分析框架钢结构焊接变形产生的原因及其影响因素，采取适当措施控制焊接变形以及采用一些措施对焊接变形加以矫正，对于保证钢结构工程质量具有重要意义。2、工程实例简介XXXX项目主体为钢筋混凝土结构，屋顶局部造型为钢结构，由柱、梁等组成的一个简单框架钢结构体系。钢材材质为Q235B，构件主要形式为圆管截面、口型截面，连接方法采用手工电弧焊，焊缝形式为对接焊缝和角焊缝。3、钢结构焊接变形的基本形式及变形分析3.1钢结构焊接变形的基本形式钢结构焊接变形的基本形式有：焊接过程中产生的变形及焊后残留在结构中的焊接残余变形，其中焊接残余变形对框架钢结构焊接质量有较大影响。焊接残余变形按其对整个结构影响程度不同，可分为整体变形和局部变形；按其特征可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形和错边变形等。在这些焊接残余变形中，角变形和波浪变形属于结构局部变形，其它的属于结构整体变形。而本工程框架钢结构最多发生的是收缩变形和弯曲变形。3.2影响钢结构焊接变形的因素本工程焊接中采用的是电弧焊，它主要利用电弧所产生的高温(约6000~7000℃)，使焊缝周围的母材和引发电弧的焊条加以逐渐熔化(熔点约在1500℃)，熔化的钢水互相混合、冷却后，两块被连接的母材便被牢固地凝结成一体，而连接部位则形成了焊缝。焊接中加热部位仅仅局限于焊缝附近，母材本身的温度则要低得多，大型构件基本上相当于室温，两者温差在1000℃以上。因这种加热是极不均匀的，其后果往往产生变形和留存残余内应力。备料和装配质量备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。例如，装配间隙大，焊缝的横向收缩也大，所以号料时，要在设计要求尺寸的基础上加出适当的切割余量，尽量减小构件接头部位的间隙。此外还应考虑焊件的自重和形状，对跨度较长的钢梁要进行材料的矫正，保证钢材的顺直度，且在焊前恰当地加以支撑。焊接工艺方法不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。对于相同焊件、相同焊缝，不同的焊接方法，其焊接变形也不同，埋弧焊的焊接变形最大，其次为手工焊，最小的焊接变形为CO2气体保护焊。本工程考虑到屋面结构的复杂多样性及高空悬挑作业，选用了手工焊，焊机为交流焊机，此种焊接方法还具有设备简单、操作灵活、可进行各种位置焊接的特点。焊接参数焊接参数包括焊接线能量、焊接电流、电弧电压和焊接速度等。其中焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大则焊接时产生的塑性变形区面积越大，焊后的焊接变形越大，反之则越小；焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大，随焊接速度增大而减小。材料的热物理性能材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。焊缝的布置焊缝若沿构件截面分布不对称，则会引起该构件焊接时产生弯曲变形。4、钢结构焊接变形防治措施4.1焊接节点构造设计控制焊缝的数量和大小。钢结构焊缝数量多、尺寸大，焊接时的热输入量也越多，造成的焊接变形也更大。因此，在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊缝的数量和大小，尽可能减少焊接变形。在本工程中，多数焊缝在钢梁的连接处，接头形式为T形对接和十字形对接，坚持主梁贯通，次梁焊接在主梁上的原则，在纵横向主梁相交处遵循减少焊缝数量原则，如下图：①节点处的GL2-1与GL2-2均为主梁，设计要求两者为T形对接，在现场装配时，为减少焊缝数量则需将①轴-②轴、②轴-③轴两跨的GL2-1合为一跨，使GL2-2端部焊接在GL2-1上，这样连接要比GL2-1分为两跨焊接在GL2-2上少2条角焊缝。4.2工艺措施在钢结构焊接施工过程中，采取适当的焊接工艺措施，对于控制钢结构焊接变形也具有非常重要的作用。对称焊缝采用对称焊接焊法对截面形状、焊缝布置均匀对称的钢结构件，应采用对称焊接施工。刚性固定在没有反变形的情况下，利用外加约束来固定构件，限制其焊接变形。例如，采用装焊胎卡具等增加钢结构在焊接时的刚度，以减少变形。变形矫正矫正方法主要有机械矫正和火焰矫正两种。前者主要是用外力将尺寸较短的部分加伸展。从而使构件展平或伸直，但对于塑性较好的材料才较为适用。而火焰矫正法原理正好和机械矫正法相反。火焰矫正法是利用焊接变形的原理加以矫正的，在变形部位加热，使受热部位的收缩塑性变形达到矫正目的，火焰加热法采用一般的气焊焊把,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。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。4.3管理措施要控制钢结构焊接变形，还必须从以下三个方面采取相应的焊接施工管理措施：企业资质钢结构工程焊接制作与安装单位应具有国家认可的企业资质、焊接质量管理体系、焊接施工经验等条件。焊接工艺及人员资质在开工前，焊接工艺应经相关部门批准。焊接人员(包括焊接工程师、无损检测人员、焊工、切割人员等)，必须经过专门技术培训，取得相应资格证书，并应具有一定焊接实践经验和技术水平，方能持证上岗。严格执行焊接工艺和焊接检验程序钢结构焊接人员应加强责任心，根据批准的设计图样和焊接工艺中的规定精心组织和施焊；焊接质量检验人员应按照批准的检验程序和标准要求严格把关，以确保钢结构的整体焊接质量。5.结语在大多数的情况下，通过采取适当的焊接节点构造设计措施和技术措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，以达到确保工程质量的目的。但由于材料、结构以及焊接施工现场环境等因素的复杂多变,还应该在实践中不断总结和积累焊接经验,