钢结构件制作焊接变形的控制与分析

摘 要：焊接是钢结构行业中常用的连接技术，由于其具有非常优良的性能，在钢结构的连接中得到了非常广泛的应用。本文就钢结构件制作焊接变形的控制进行分析。

关键词：钢结构件；焊接变形；控制

引言

在焊接制造、焊接生产过程中，由于现场作业、拘束条件、以及压力管道结构不均匀相变、冷却、加热等原因，导致很容易就在焊接接頭内产生瞬态变形和瞬态热应力。尤其是焊缝横向收缩会严重影响到焊接结构件焊接变形。

一、焊接变形

焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。焊接是一种局部加热的工艺过程，焊接过程中以及焊后，焊件不可避免地会产生焊接应力和变形。焊接应力和变形会影响到焊件的性能，如强度、刚度、尺寸精度和稳定性、受压时的稳定性和抗腐蚀性等。不仅如此，过大的焊接应力和变形，还会大大增加制造工艺中的困难和经济消耗，而且往往因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致产品报废。

二、焊接残余变形

影响焊接结构件出现变形的原因较多，如施焊过程中是否有约束、冷却时间、焊接顺序、填充材料、母材材质、焊接参数、焊接方法等，主要影响焊接结构变形的因素有：1）焊接方法。这个主要是反映在V与I的作用上，埋弧焊（SAW）的线能量大，手弧焊（SMAW）的线能量较小，正相反性在回转变形上表现得较为显著。2）坡口或者根部间隙。焊条金属熔敷量W随着坡口或者根部间隙的增大而增大，出现横向收缩增大或者收缩变形的现象，坡口两面角度比例有影响。3）单位长度焊条金属熔敷量W或者线能量。收缩变形量与线能量是成正比的，而lgW越大，收缩变形量也就越大。4）焊接顺序。应该尽量避免出现集中热作用的现象，应力求热作用应该做到对称、均匀、分散。

三、控制方法

3.1设计方面

（1）尽可能减少焊缝的数量。减少焊缝数量可以明显减小焊接变形。但工程机械工况恶劣，结构件强度要求高，焊缝数量之多就不可避免。

（2）选择合理的焊缝尺寸和形状。对于板厚较大的采用X型坡口。X型坡口的熔敷金属量大约比V型坡口少1/2。对于更大板厚采用U型坡口或者双U型坡口，以减少焊接变形。主梁底板和上盖板板厚为15mm，对接焊缝位置采用X型坡口焊接，再加上一定的工装设备，变形量得到有效地控制，而且焊缝的合格率也提高了。在保证结构有足够承载能力的前提下，尽可能减小焊缝尺寸。受力较大的T型接头或者十字接头，采用开破口角焊缝比一般角焊缝可以大大减少焊缝的焊接变形。

转台立板与底板间的焊缝、转台立板与横加强板间的焊缝、主梁侧板与底板间的焊缝等等都采用了坡口角焊缝，一方面减少了焊接变形，另一方面保证了焊缝的熔深，提高了质量。

（3）合理的选择结构形式和焊缝位置。合理的焊缝位置设计可以减小焊接变形。如焊缝安排对称与截面中心轴、平行于焊接变形较小的方向、设计尽可能少的焊接量、选择合理的平板厚度等等。

3.2工艺措施

（1）反变形。焊接前将结构件的部件装配成具有焊接变形相反方向的预先变性。反变形一定的程度可以抵消焊后的变形。要正确合理地使用反变形法，必须掌握焊件的变形规律。

大梁的油缸支座位置，由于主焊缝的形式导致该位置发生横向弯曲变形，变形量大，油缸支座孔及内侧加工余量不足，严重影响产品的性能。制作过程中采用反变形法，在主焊缝焊接前将油缸支座位置反变形3～5mm，焊接完成后变形误差降低至1mm左右。保证了设计要求，提高性能的同时也给后续加工节省成本。

（2）预留加工余量。组对时将两立板的间距在设计要求上放大3～4mm，同时将横加强板的宽度增加。焊接完成后，两立板间距误差保证在1～2mm，效果显著。

（3）刚性固定法。对于刚性小的结构，采用胎卡具或者支撑方法，增加结构在焊接时的刚度，达到减少焊接变形的目的。这种方法对角变形和波浪边形有很大效果。

转台底板与立板之间焊缝要求为坡口14mm+焊角14mm的焊缝。焊接完成后，底板发生角变形，外侧向上变形3mm左右，底板地面的平面度无法保证。在工装台上，底板内外圈周边焊接简单压紧工装，使用螺栓固定底板。增加底板刚度，很大程度上减少了底板的变形量。

腿箱制作过程中，侧板厚度只有6mm，而侧板与底板、中封板和盖板的焊缝强度要求为一级焊缝。焊接时侧板发生波浪变形，严重影响后续附件的安装。最先采用短加强筋纵向固定，每隔50mm焊接加强筋固定侧边，保证侧板与底板、中封板的垂直度。但由于侧板太薄，刚度不够，效果不明显。后来采用长板横向固定，整体加强侧板的刚度，明显减少了侧板的波浪变形。

大梁圆筒与底板焊接时，内外侧焊缝焊接后，自然情况下底板圆孔位置向上收缩变形15mm之多。

（4）选择合理的焊接方法。选择能量密度高的焊接方法，如CO2气体保护焊，减小焊接变形。焊接不对称构件，选用不同的焊接参数，可以控制和调节弯曲变形。如图1，焊缝1和2到中心轴的距离e比焊缝3和4到中心轴的距离f大，焊后引起的变形也就大。如果焊缝1和2采用比焊3和4小的焊接参数分层焊接可以使上下弯曲变形抵消。选择合理的焊接顺序分布在中心线两侧的焊缝，先焊一侧焊缝产生的弯曲变形要比后焊一侧焊缝产生的变形大很多。因此焊接顺序总的规律是先焊焊缝少的一侧，或者尽可能采用对称焊接的方法。不同的焊缝可以采用跳焊、交替焊、对称焊和分中逐步退焊等焊接方法。对于焊角大的焊缝采用多层多道焊缝焊接：转台底板与立板位置焊缝设计为坡口14mm+焊角14mm。不合理的焊接顺序会导致立板和底板严重角变形。经过研究讨论，将该焊缝的层数、每道焊缝的大小、每道焊缝的焊接参数都严格要求。

对于比较长的焊缝采用分段对称焊接：转台垫板与底板的焊缝，内外两圈，焊缝长。制作中将该焊缝分成多段圆弧，对称焊接。

3.3 其他措施

焊前预热也是减少焊接变形的一种手段。把焊件预先加热到一定的温度（一般150-200℃），然后再焊接。预热使熔焊金属和周围基本金属的温度差比较接近，可以均匀的同时冷却，以减少焊件的变形。

焊后回火也是一种减小结构件焊后内应力的方法。将焊接完的焊件均匀加热到一定的温度，并根据焊件厚度保温一定时间（一般规定每毫米厚度需保温0.04小时），然后均匀冷却，使金属内应力全部消除。焊接完成后，整体抛丸也可以让结构件内部应力得到一定的散失。

变形的校正，焊接变形超过允许标准，应加以修理后方可使用，校正方法有冷校正和热力校正。冷校正是用三星或七星辊床、液压机、校直机或锤击等方法，来校正焊件变形。热力校正，利用火焰在焊件上适当的地方加热，然后用水速冷，促使焊件变形，而达到焊件恢复到正确形状的目的。

四、结束语

总之，有效地控制焊接结构件焊接变形极为重要，具有极大的经济价值和社会意义，我们在日常生产活动中，应该尽可能地多去完善焊接工艺，从而能够在最大程度上将焊接结构件的焊接变形问题控制住。

参考文献：

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[2]邱炳胜.高大空间钢结构工程施工技术管理与控制探讨[J].绿色环保建材，2018（11）：133-134.