中国石化胜利石油分公司地面工程维修中心孤东维修服务部 山东东营 张华峰、孙玉东、刘麒 257231
作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废，给企业造成直接经济损失。特别是在大型钢结构件的焊接作业中，这一问题表现得尤其突出。有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量，降低企业生产成本。
1、焊接变形的基本类型分析和原因分析
1.1焊接变形的基本类型。
所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；根据变形的不同特点则可分为：角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。钢结构发生较多的变形类型是整体变形。
1.2焊接变形产生的原因分析。
钢结构刚度：刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。例如，工字钢截面和纵向桁架变形量，主要取决于其横截面面积的弦杆截面大小的部分。再如，工字型、丁字型或其他形状的型钢的弯曲变形量主要取决于截面的抗弯刚度。焊接连接缝位置和数量：当钢结构刚度不足时，在设计焊接连接缝位置和数量时，应在结构体对称安排，且焊接顺序是合理的，构件只能产生线性变形;当焊缝为不对称的安排，产生的多为弯曲变形。焊接工艺：焊接电流偏大、焊条直径较粗，使得焊接速度缓慢，可能导致焊接变形大;厚钢板焊接时，手工焊接方法比自动焊接方法引起的变形量较小；采用多层焊接工艺时，首层的焊缝收缩变形最大，第二和第三层焊接变形量分别是首层的20％和5％ 10％。也就是说，多层焊接的层数越多，焊接变形越明显；断续式焊缝与连续焊缝相比收缩变形量小；对接式焊缝的横向收缩变形量比纵向收缩变形量大2至4倍;焊接顺序不当或在没有焊接妥当分部构件时就进行整体组装焊接，很容易产生焊接变形。因此，为了防治焊接变形，在焊接施工过程中必须制订合理的工艺措施。
2、焊接变形的控制
2.1设计措施
2.1.1合理地选择焊接的尺寸和形式
焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大,不但焊接量大,而且焊接变形也大,因此,在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头,在保证相同的强度条件下,采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属,对减小变形有利。
2.1.2尽可能减少不必要的焊缝
在设计焊接结构时,合理地选择筋板的形状,适当地安排筋板的位置,力求焊缝数量少,避免不必要的焊缝,从而减小焊接变形。
2.1.3合理地安排焊缝位置
在设计焊接结构时,安排焊缝尽可能对称于截面中性轴,或者使焊缝接近中性轴,这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。
2.2工艺措施
工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。
2.2.1焊前预防措施
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。
预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
预拉伸法多用于薄板平面构件,焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后,去除预拉伸或加热,薄板恢复初始状态,可有效地降低焊接残余应力,控制焊接变形。预热的作用在于减小温度梯度,不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别,预热温度在300 ℃～400 ℃时,在钢中残余应力水平降低了30 %～50 %,当预热温度为200 ℃时,残余应力水平降低了10 %～20 %。
刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定,可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。
2.2.2焊接过程控制措施
焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热,横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀,变化更加平缓,起到减小焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因,在生产应用中受到一定的限制,但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。
焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大,在采用不同的焊接顺序时,可以改变残余应力的分布规律,但对残余应力整体幅值的降低作用不大,同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明显。
2.2.3焊后矫正措施
当构件焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
3、结束语
综合分析上述焊接变形的影响因素与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。
参考文献：
[1]邓文英.金属工艺学.北京:高等教育出版社,2003.
[2]王国凡.钢结构焊接制造[M].北京:化学工业出版社,2004.