鋼結構環境焊接變形及防治措施分析

摘 要:焊接在結構制作中很重要，目前焊接已成為鋼結構制作的主要連接方式，構件與構件之間的某些部位通過焊接的方式進行連接，因此產生的焊接變形對結構質量有一定的影響。如何防止焊接變形愈來愈成為鋼結構制作的關鍵。就一些結構制作工程施工中存在的焊接變形問題進行分析與研究，指出防止焊接變形在結構制作中的重要作用。

關鍵詞:鋼結構 焊接 構件制作 變形

中圖分類號:TN929.5文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0083-01

1 焊接引起的鋼構件變形

焊接順序生產實踐表明焊接過程中，焊接變形的產生給結構制作帶來很大的困難，它不僅可以改變結構的外觀形狀、幾何尺寸，而且有時會降低結構的承載能力，使結構體系處于不穩定狀態，引發事故，例如圖1所示的丁字梁的制作，在焊后會出現如圖所示方向向下的撓曲變形;如圖2所示，加強筋和板的焊接會引起橫向收縮使構件長度縮短。構件因焊接而產生變形達不到使用要求，為矯正這些變形，常要花費大量工時來矯正較復雜的變形，其矯正工作量有時比焊接工作量要大得多，有的殘余變形大到經矯正后也無法達到使用要求或殘余變形根本無法矯正，這時產品只能報廢。

由此可見，鋼結構焊接變形的產生往往給構件的質量帶來嚴重威脅，應該引起鋼結構制作工程技術人員的足夠重視，在工程實踐中環境是影響鋼結構變形的主要因素，所以我們要充分運用焊接變形的規律消除和最大程度減小構件因焊接而產生的殘余變形，保證工程質量。

2 環境對焊接變形的影響

焊接變形問題在施工過程中顯得如此重要，在鋼結構焊接中影響變形最主要的因素是環境。

影響鋼結構焊接質量的理化環境因素主要是指空氣的溫度、濕度和風力，其次是指焊件坡口區域的清潔程度。其中溫度的影響效果最直接、后果最嚴重，也最難控制;濕度次之;風力可在局部小環境內得到控制;坡口區域的清潔程度容易保證。這些環境因素在焊接質量的形成過程中所起的作用不同程度上間接的影響著結構或者構件的變形。

(1)空氣溫度直接影響焊接熱循環過程、焊接熔池冶金化學反應程度、焊縫和熱影響區金相組織轉變、合金元素和應力的分布，最終影響焊接接頭的質量和性能。其次空氣中溫度也影響焊接設備的工作性能。

(2)空氣濕度對焊接質量有影響，因為水分是氫元素的主要來源。而氫元素直接參與熔池的冶金化學反應。氫元素的溶解度和擴散速度隨著焊縫金屬的結晶、組織轉變不斷發生變化。氫元素的含量和分布直接影響焊接接頭的脆性轉變和延遲裂紋的發生發展，對焊接結構的質量和安全危害極大。

(3)風力即焊接區域空氣的流速。主要是影響焊接電弧形態和氣體保護氛圍的工藝穩定性;其次與溫度共同作用影響焊縫冷卻速度，從而影響焊接熱布。

(4)焊接前坡口區域存在的水分、油漆、鐵銹等污染物，含有C、H、O等化學元素。在焊接加熱時，直接參與冶金反應，改變了正常的化學反應成分和元素含量，增加了焊接接頭產生缺陷的機率。

3 環境影響焊縫變形的原因及預防措施分析

3.1 環境影響變形的原因分析

焊接缺陷的產生是各種因素共同作用的結果。在此僅分析以理化環境因素為主導所產生的焊接缺陷:

(1)氣孔。氣孔的存在降低了焊縫的有效截面，降低焊縫金屬的強度和韌性，影響疲勞強度和動載強度。氣孔的類型主要是氫氣孔和CO氣孔。低碳鋼和低合金鋼在多數情況下，氫氣孔存在于焊縫表面，形似喇叭口而氣孔周圍有光滑的內壁。當環境氣氛濕度較大，如雨雪霧天氣、下雨雪前后、鋼材表面結露、坡口周圍含有水分未清理干凈、焊條藥皮受潮，加上低溫環境焊接，焊縫結晶冷卻速度過快，變形速度加快，導致氫元素來不及上浮而殘存于焊縫內部，從而形成內部氫氣孔。

(2)裂紋。裂紋是鋼結構焊接中最危險的一種缺陷。它除了減少結構承載截面，還會產生嚴重的應力集中，在結構使用中會逐漸擴展并發生脆斷，帶來災難性的事故。建筑鋼結構與環境因素有關的裂紋有三類:冷裂紋、層狀撕裂、熱裂紋。冷裂紋一般在焊后冷卻過程中產生，具有延遲出現的特征。冷裂紋的形成與鋼材的淬硬性、節點的拘束度及接頭含氫量有關。而低合金高強鋼的淬硬傾向主要取決于板厚、焊接工藝和冷卻條件。其實質即生成馬氏體組織的含量多少。冬季大風降雪等低溫環境會使節點焊縫周圍的溫度場變化不均勻，冷卻速度過快，使熔合區的組織成分轉變為馬氏體組織。另外氫是造成冷裂紋延遲特征的主要因素，因而所有可提供H2的潮濕天氣、受潮的焊條、含結晶水的鐵銹等因素都可以促使焊接熱影響區出現延遲性冷裂紋。

(3)殘余應力和變形。焊接熱循環過程中加熱不均勻，構件受節點剛性拘束，伸縮不自由，內應力超過鋼材屈服應力時產生殘余應力和變形。殘余應力影響結構承載力，焊接變形影響結構尺寸。

3.2 減少焊縫環境變形的措施

針對環境因素的防護措施確認焊接作業區環境減少結構的變形。

(1)焊接作業區風速:手工電弧焊不超過8m/s;氣體保護電弧焊及藥芯焊絲電弧焊不超過2m/s。

(2)焊接作業區的相對濕度不得大于90％。

(3)焊接作業區的環境溫度應保持正溫(即高于0℃)。

(4)焊件接口部位100mm范圍內不得有水、油、銹等雜物。

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