钢结构的焊接和矫正

[关键词]钢结构 焊接变形 矫正 火焰矫正  

　　在钢结构屋架和钢柱平台施工中，焊接是重要工序.如何消除焊接应力，控制焊接变形，是保证工程质量的关键.针对大型钢结构屋架和钢柱平台焊接变形问题，施工前应分析出影响变形的主要因素并预见变形的方向，制定预防、矫正变形、释放焊接应力的措施 

　　1、焊接应力与释放概述 

　　1.1焊接应力概述 

　　焊接应力：是焊接过程中焊件内产生的应力。它是导致结构变形，形成裂纹的主要原因。焊接应力可分为瞬态热应力和焊接残余应力。焊接应力的危害可从两方面考虑： 

　　（1）对结构完整性的影响 

　　焊接热应力可促使焊缝产生热裂纹，残余应力导致焊后延迟裂纹的形成。 

　　（2）对结构服役性能的影响 

　　焊接残余应力可以加速疲劳破坏，导致应力腐蚀开裂（包括硫化物引起的开裂和碱脆破坏），产生低温脆断破坏，促进材料的腐蚀磨损等，压缩残余应力还会造成薄板结构或细长杆件的压曲失稳，产生面外变形。 

　　1.2应力释放 

　　应力释放（stress relief）是指物体内某一点的应力由于释放能量而降低的现象；确切地说是能量释放。应力释放一般有两种情况：其一，在应力集中的部位，如断裂端点和交叉部位等处发生形变或破坏，导致应力释放。其二，并非应力集中的地区岩质相变、岩石力学性质变化或其他原因，致使强度降低，也会发生形变或破坏，造成应力释放。 

　　在焊接过程当中，由于焊接点的好坏，往往会出现焊接残余应力，焊接残余应力和残存变形将影响构件的受力和使用，并且是形成各种焊接裂纹的因素之一，应在焊接、制造和设计时加以控制和重视。因此在焊接钢结构屋架的时候，由于我们需要对焊接应力进行详细的分析与研究，将焊接应力所产生的影响降低到最小的限度。一般来说，焊接的方式主要分为几种，热时效、加载法、超声冲击与锤击 

　　（1）热时效：对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。在焊接很多大型钢结构建筑物的时候，我们一般都是采用整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果，通过热时效的焊接方式，可以具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。在焊接过程当中，一般认为热时效的消应力效果为40-80%，能有效的保证焊接的效果完整。 

　　（2）加载法： 加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。这种方式可以在一定程度上进行进行大型钢结构屋架的焊接。由于在焊接前先将所焊接的钢彩进行拉伸。在焊接完毕之后，钢材能够在恢复时抵消焊接应力的影响，并且能够有一定的伸缩度，提高屋顶的承重能力。因此焊接大型钢结构屋架应该主要采用这种方式。 

　　（3）超声冲击与锤击：超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是：在超声频率（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；从实验的数据来看： 

　　⑴超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲击的表面会形成压应力，对2～4mm深度层消应力效果可达34～55%。 

　　⑵采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19%，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。 

　　⑶由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。 

　　冲击工艺一般采用的应压力的方式将焊接应力随着振动的方式进行消除，这种工艺一般适用于短焊接的局部处理。例如修补焊接口，小配件焊接方式等。焊接后容易产生延迟冷裂纹的情况。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。 

　　3、焊接变形的种类 

　　钢结构焊接后出现变形的类型和大小与结构的材料，板厚，形状，焊缝在结构上的位置。以及采用的焊接顺序 ，焊接电流大小，焊接方法等有关。按焊接残余变形的外观形态分为收缩变形，角变形，弯曲变形，波浪变形和扭曲变形五种基本类型。 

　　3.1收缩变形：可分为纵向收缩变形和横向收缩变形。 

　　3.2角变形 

　　角变形是常见的焊接变形。主要发生在堆焊，搭接接头，对接接头和T形接头焊缝中。堆焊是指板材上平铺焊缝。在堆焊时，焊缝及其周围温度明显高于焊缝背面，因此，板材堆焊表面金属受热膨胀产生压缩塑性变形，冷却后产生了角变形。对接接头焊缝的坡口形式，坡口角度和焊接顺序是影响对接接头角变形的重要因素。 

　　3.3弯曲变形 

　　弯曲变形也称为挠曲变形。焊接引起的挠曲变形指纵向收缩和横向收缩引起的挠曲变形。 

　　纵向收缩引起的挠曲变形：当焊缝中心线与焊接结构截面的中性轴不重合，焊缝在焊件上的分布不对称以及焊接顺序不合理，使纵向收缩力在焊件中性轴两侧引起的变形不能相互抵消，除了要求焊件的收缩变形外，同时还会引起焊件的挠度变形。随着焊缝尺寸的增大，钢结构产生的挠曲变形量也增大。 

　　横向收缩引起的挠曲变形：钢结构上的焊缝分布不均匀，在其横向收缩时和纵向收缩一样会产生焊件的挠曲变形。 

　　3.4扭曲变形 

　　扭曲变形常发生在杆件结构中。在杆件结构中由于纵向焊缝分布不均和焊接顺序不合理等因素，焊接后造成杆件结构发生绕杆件轴线的扭转变形。 

　　焊接扭曲变形的影响因素主要是焊接加热不均匀造成的，其机理分析较为复杂。 

　　4、钢结构矫正概述 

　　随着工业迅速发展，越来越多的钢结构应用于桥梁、厂房以及梁等构件，H型钢柱是钢结构的主要构件，通常以焊接方式进行连接。由于焊接是一个热加工过程，在构件制作过程中受热影响，都存在焊接变形问题，在实际应用中，若焊接变形不予以矫正，则不仅影响结构整体安装，还会降低工程的安全可靠性。 

　　4.1钢结构焊接变形火焰矫正 

　　火焰矫正法就是把焊接变形相对部位的金属局部加热到热塑状态，利用不均匀加热引起的变形来矫正焊接结构已经发生的变形，这种方法只需普通气焊所用的工具和设备。但火焰矫正是一门较难操作的工作，方法掌握、温度控制不当还会造成构件新的更大变形。因此，火焰矫正要有丰富的实践经验。 

　　4.2钢结构焊接变形机械矫正 

　　利用机械外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者互相抵消，称为机械矫正法。采用加压机械来矫正工字梁的弯曲变形。当板壳结构的焊缝比较规则时（例如直焊缝或环形焊缝），采用碾压法消除焊接变形效率高、质量好，具有很大的优越性。碾压法是利用圆盘形滚轮来碾压焊缝及其两侧压缩塑性变形区，使之伸长来达到消除变形的目的。 

　　结语 

　　从上述分析我们可以知道，在焊接的过程当中会出现焊接应力来影响整个焊接的结果，因此在焊接之前，认真了解所焊接的工艺属于什么类型的产品和焊接的方法等，就能够在焊接过程当中最大限度的消除焊接应力。 

　　建筑屋架钢结构焊后存在高的残余应力，时效工艺可以明显降低应力水平，对安全性及使用寿命带来好处。 

　　参考文献 

　　[1] 姜春宝. 高层建筑钢结构设计中应注意的问题分析[J]. 科学中国人 2015年17期 

　　[2] 王靖，张恒飞，徐子茵. 浅谈我国高层建筑钢结构[J]. 科技致富向导 2011年26期