焊接變形的控制與矯正

焊接變形產(chǎn)生的原因

電弧焊是一個(gè)不均勻的快速加熱和冷卻的過程，焊接過程中及焊后，焊接構(gòu)件都將產(chǎn)生變形。影響焊接變形最根本的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性條件。在焊接過程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件的約束，出現(xiàn)了壓縮塑性變形，這就產(chǎn)生了焊接殘余變形。

（一） 影響焊接熱變形的因素

1. 焊接工藝方法。不同的焊接方法，將產(chǎn)生不同的溫度場，形成的熱變形也不相同。一般來說，自動(dòng)焊比手工焊加熱集中，受熱區(qū)窄，變形較小。CO2氣體保護(hù)焊焊絲細(xì)，電流密度大，加熱集中，變形小。

2. 焊接參數(shù)。即焊接電流、電弧電壓和焊接速度。線能量越大，焊接變形越大。焊接變形隨焊接電流和電弧電壓的增大而增大，隨焊接速度增大而減小。在3個(gè)參數(shù)中，電弧電壓的作用明顯，因此低電壓高速大電流密度的自動(dòng)焊變形較小。

3. 焊縫數(shù)量和斷面大小。焊縫數(shù)量越多，斷面尺寸越大，焊接變形越大。

4. 施工方法。連續(xù)焊、斷續(xù)焊的溫度場不同，產(chǎn)生的熱變形也不同。通常連續(xù)焊變形較大，斷續(xù)焊變形最小。

5. 材料的熱物理性能。不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和膨脹系數(shù)等均不相同，產(chǎn)生的熱變形也不相同，焊接變形也不相同。

（二） 影響焊接構(gòu)件剛性系數(shù)的因素

1構(gòu)件的尺寸和形狀。隨著構(gòu)件剛性的增加，焊接變形越小。 2胎夾具的應(yīng)用。采用胎夾具，增加了構(gòu)件的剛性，從而減少焊接變形。

3裝配焊接程序。裝配焊接程序能引起構(gòu)件在不同裝配階段剛性的變化和重心位置的改變，對控制構(gòu)件的焊接變形有很大的影響。

一般來說，焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊接變形大，反之，則變形小。

薄板結(jié)結(jié)構(gòu)焊接變形的種類

任何鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，可分為整體變形和局部變形。整體變形就是焊接以后，整個(gè)構(gòu)件的尺寸或形狀發(fā)生的變化，包括縱向和橫向收縮（總尺寸縮短），彎曲變形（中拱、中垂）和扭曲變形等。局部變形是指焊接以后構(gòu)件的局部區(qū)域出現(xiàn)的變形，包括角變形和波浪變形等。

控制薄板結(jié)結(jié)構(gòu)焊接變形的原則與方法

焊接過程中的熱變形和施焊時(shí)焊接構(gòu)件的剛性條件是影響焊接殘余變形的兩個(gè)主要因素。根據(jù)這兩個(gè)主要因素可以認(rèn)為焊接殘余變形是不可避免的，即完全消除焊接變形是不太可能的。控制焊接殘余變形必須從薄板結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工工藝兩個(gè)方面同時(shí)采取措施。

在薄板結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)上除了要滿足構(gòu)件的強(qiáng)度和使用性能外，還必須滿足構(gòu)件制造中焊接變形最小及耗費(fèi)勞動(dòng)工時(shí)最低的要求。因此優(yōu)化板縫布置尤為重要，設(shè)計(jì)圖紙中的板縫布置往往對工藝性考慮不周 ,容易引起焊接變形。

焊接工藝是鋼結(jié)構(gòu)施工中的重要工藝之一。合理的焊接工藝是減少焊接變形，減少應(yīng)力集中的有效方法。

為了控制構(gòu)件焊接變形，應(yīng)盡可能采取有效措施，如：將構(gòu)件分為若干小部件與構(gòu)件分段，使焊接變形分散在各個(gè)部件上，便于構(gòu)件變形的控制與矯正；使各部件焊縫的布置與構(gòu)件分段截面中性軸對稱或接近截面中性軸，避免焊接后產(chǎn)生扭曲和過大的彎曲變形；對每一條主要焊縫，盡可能選擇小的焊腳尺寸和短的焊縫；避免焊縫過分集中和交叉布置；盡可能采用寬而長的鋼板或能減少焊縫數(shù)量的結(jié)構(gòu)形式，等等。

控制薄板結(jié)構(gòu)件焊接變形的工藝方法有：

（一）在無裝配應(yīng)力強(qiáng)制下進(jìn)行構(gòu)件裝配；

（二）采用自動(dòng)焊和其它氣體保護(hù)焊工藝；如最先進(jìn)的

Ar+CO2混合氣體MAG保護(hù)焊。

（三）合理選擇焊接規(guī)范參數(shù)和裝配焊接順序。減少焊絲供

給量，降低電流、電壓,改變極性（通常為直流反極性→直流正極性）。先焊短焊縫后焊長焊縫，采取分段退焊，由內(nèi)向外依次進(jìn)行。

（四）盡可能合理運(yùn)用剛性固定法，反變形法。

薄板結(jié)構(gòu)件焊接變形的矯正

鋼結(jié)構(gòu)的建造過程中，盡管在其構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工工藝上采取措施來控制焊接變形，但由于焊接過程的特點(diǎn)和施工工藝的復(fù)雜性，產(chǎn)生焊接變形仍是不可避免的，因此，對出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)要求的焊接變形必須進(jìn)行矯正。

矯正工藝只限于矯正焊接構(gòu)件的局部變形，如角變形、彎曲變形、波浪變形等等，對于構(gòu)件結(jié)構(gòu)的整體變形如縱向和橫向收縮（總尺寸縮短）只能通過下料或裝配時(shí)預(yù)放余量來補(bǔ)償。

采用機(jī)械矯正法校正鋼結(jié)構(gòu)容易引起金屬冷作硬化，消耗材料一定數(shù)量的塑性儲備，只能用于塑性良好的材料，實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械矯正法矯正過程中可能使用專用的大型油壓機(jī)、摩擦壓力機(jī)矯正。

采用火焰矯正法校正鋼結(jié)構(gòu)，矯正冷卻后，焊接構(gòu)件這部分金屬獲得不可逆的壓縮塑性變形，使整個(gè)焊接構(gòu)件變形得到矯正。火焰矯正法同樣要消耗材料一部分塑性，對于脆性材料或塑性差的材料要謹(jǐn)慎使用。要適當(dāng)控制火焰加熱的溫度，溫度過高材料機(jī)械性能降低，溫度過低使矯正效率降低。由于冷卻速度對矯正效果不產(chǎn)生任何影響，施工過程中，多采用邊加熱邊噴水冷卻的方法，既提高了工作效率，又提高了矯正效果。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)制造過程中，焊接變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接變形，并對超出公差要求的焊接變形進(jìn)行矯正，從而既滿足鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求，又滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

大明鋼鐵網(wǎng)材料與加工組整理

鋼結(jié)構(gòu)連接普遍采用焊接，且對于一些重要焊縫一般都采用全熔透焊接。金屬焊接時(shí)在局部加熱、熔化過程中，加熱區(qū)的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產(chǎn)生焊接過程中的瞬時(shí)應(yīng)力。

冷卻至原始溫度后，整個(gè)接頭區(qū)焊縫及近縫區(qū)的拉應(yīng)力區(qū)與母材在壓應(yīng)力區(qū)數(shù)值達(dá)到平衡，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)本身的焊接殘余應(yīng)力。

此時(shí)，在焊接應(yīng)力的作用下焊接件結(jié)構(gòu)發(fā)生多種形式的變形。殘余應(yīng)力的存在與變形的產(chǎn)生是相互轉(zhuǎn)化的，認(rèn)清變形規(guī)律，就不難從中找到防止減少和糾正變形的方法。

一、焊接變形的形式與原因

鋼結(jié)構(gòu)焊接后發(fā)生的變形大致可分為兩種情況：即整體結(jié)構(gòu)的變形和結(jié)構(gòu)局部的變形。整體結(jié)構(gòu)的變形包括結(jié)構(gòu)的縱向和橫向縮短和彎曲（即翹曲）。局部變形表現(xiàn)為凸彎、波浪形、角變形等多種。

1.1變形常見基本形式

常見焊接變形基本形式有如下幾種：板材坡口對焊后產(chǎn)生的長度縮短（縱向收縮）和寬度變窄（橫向收縮）的變形；板材坡口對接焊接后產(chǎn)生的角變形；

焊后構(gòu)件的角變形沿構(gòu)件縱軸方向數(shù)值不同及構(gòu)件翼緣與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形；

薄板焊接后母材受壓應(yīng)力區(qū)由于失穩(wěn)而使板面產(chǎn)生翹曲形成的波浪變形；由于焊縫的縱向和橫向收縮相對于構(gòu)件的中和軸不對稱引起構(gòu)件的整體彎曲，此種變形為彎曲變形。

這些變形都是基本的變形形式，各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形都是這些基本變形的發(fā)展、轉(zhuǎn)化和綜合。

1.2焊接變形的原因

在焊接過程中對焊件進(jìn)行了局部的、不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形的原因。焊接時(shí)焊縫和焊縫附近受熱區(qū)的金屬發(fā)生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區(qū)域內(nèi)就發(fā)生壓縮應(yīng)力和塑性收縮變形，產(chǎn)生了不同程度的橫向和縱向收縮。由于這兩個(gè)方向的收縮，造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。

二、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的因素

影響焊接變形量的因素較多，有時(shí)同一因素對縱向變形、橫向變形及角變形會有相反的影響。全面分析各因素對各種變形的影響，掌握其影響規(guī)律是采取合理措施控制變形的基礎(chǔ)。否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。

1）焊縫截面積的影響：焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)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。

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(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大，不論對縱向、橫向或角變形都有變形增大的影響。但在表面堆焊時(shí)，當(dāng)熱輸入增大到一定程度時(shí)，由于整個(gè)板厚溫度趨近，因而即使熱輸入繼續(xù)增大，角變形不再增大，反而有所下降。

3）工件的預(yù)熱、層間溫度影響：預(yù)熱溫度和層間溫度越高，相當(dāng)于熱輸入增大，使冷卻速度減慢，收縮變形增大。

4）焊接方法的影響：在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫面積等相同情況下，收縮變形最大。手工電弧焊熱輸入居中，收縮變形比埋弧焊小。CO2氣體保護(hù)焊熱輸入最小，收縮變形響應(yīng)也最小。

5）焊縫位置對變形的影響：由于焊縫位置在結(jié)構(gòu)中不對稱，焊縫位置不對稱等將引起各種變形。

6）結(jié)構(gòu)的剛性對焊接變形的影響：結(jié)構(gòu)的剛性大小，主要取決于結(jié)構(gòu)的形狀和其截面大小，剛性較小的結(jié)構(gòu)，焊接變形大；剛性大的結(jié)構(gòu)，焊后變形較小。

7）裝配和焊接規(guī)范對焊接變形的影響：由于采取的裝配方法不同，對結(jié)構(gòu)的變形也有影響。整體裝配完再進(jìn)行焊接，其變形一般小于邊裝配邊焊接。

在工程焊接時(shí)間中，由于各種條件、因素綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對工程具體情況作具體的綜合分析。

三、防止和減少結(jié)構(gòu)變形的措施

1）減小焊縫截面積：在得到完好、無超標(biāo)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(qiáng)度345MPa以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)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(hù)焊。

3）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。

4）雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中和軸對稱的焊接順序，如下圖2：

圖2：用雙面坡口對稱焊接順序減小角變形

5）T形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口角對接焊縫，見圖3：

圖3：T形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口角對接焊縫

6）采用焊前反變形方法控制焊后的角變形，此法使生產(chǎn)中最常見的一種方法，而預(yù)先把焊件作出基本抵消（補(bǔ)償）。

焊后彎曲的反變形，來達(dá)到防止焊后變形的目的。表1、圖4分別為箱形柱、H型鋼焊接前反變形參考數(shù)值：

圖4 H形鋼焊接前翼緣的反變形量參考值

7）剛性固定法：又稱為強(qiáng)制法。在實(shí)際制作中，對于剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少，對剛性小的構(gòu)件可在焊前加強(qiáng)構(gòu)件剛性，焊后變形也響應(yīng)減小。在采用這種方法時(shí)，必須等焊接冷卻后再把夾具和支撐卸去，幾種常見的方法有夾具法、支撐法、胎具法、臨時(shí)固定法（如焊釘固定和壓緊固定法）、定位焊接法。

8）錘擊焊縫法：此法主要適用于薄板的焊接。當(dāng)薄板的焊縫及其熱影響區(qū)還沒有完全冷卻時(shí)，立即對該區(qū)域進(jìn)行錘擊，對于厚板則用風(fēng)槍敲擊。

9）采用構(gòu)件預(yù)留長度法補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形。

10）設(shè)計(jì)上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸；合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中

和軸相對稱。

11）正確選擇焊接順序。在鋼結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在對焊縫和角焊縫時(shí)，原則上先焊對焊縫，反焊角焊縫。對十字型焊縫和T字型焊縫，更應(yīng)采取正確的順序，避免焊接應(yīng)力集中，保證接頭焊接質(zhì)量。采取對稱于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的中和軸的焊接和采取從中間相兩段焊接，對減少變形十分有利。對鋼結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度要求高的重要部位焊接，應(yīng)盡量使接頭能自由收縮，不受約束。

四、焊接變形的焊后矯正方法

為了達(dá)到設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，發(fā)生了焊接變形的焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須矯正，從另外一個(gè)角度來解釋，這種矯正實(shí)質(zhì)上都是設(shè)法造成新的變形來補(bǔ)償或抵消已發(fā)生的變形。在施工生產(chǎn)中，最常用的焊后殘余變形的矯正方法可以分為施力矯正和加熱矯正以及兩中方法的結(jié)合運(yùn)用。

4.1施力矯正法

施力矯正一般用千斤頂、螺旋加力器、輥壓矯正機(jī)或在大型壓力機(jī)上完成。

4.2加熱矯正法

即利用不均勻的加熱使結(jié)構(gòu)獲得反向的變形來補(bǔ)償或抵消原來的焊接變形。加熱矯正法的加熱方法可分為點(diǎn)狀加熱、線狀加熱、三角形加熱。加熱矯正能消除很多施力矯正無法解決的變形，掌握火焰局部加熱引起的變形的規(guī)律是做好矯正的關(guān)鍵，決定火焰矯正效果主要是加熱的位置和加熱溫度。低碳鋼和普通合金的焊接結(jié)構(gòu)通常采用650～8000C的加熱溫度，一般不宜超過9000C。參見表2各種顏色可判別溫度范圍

在利用加熱矯正的同時(shí)，為了提高矯正效果，也可在加熱過程種施加外力矯正，火焰矯正時(shí)，加熱點(diǎn)的冷卻有兩種方法：即自然冷卻和水冷卻。采用水火矯正法能使結(jié)構(gòu)矯正收效快，并可以使矯正量大于自然冷卻的矯正量。如矯正大截面的H型鋼

轉(zhuǎn)自：焊接技術(shù)

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