鋼結構焊接產生的變形與焊接應力分析

李世旺　李勝

摘 要：鋼結構由于重量輕、抗震性能好等優點，在高層、超高層建筑中得到了極為廣泛的應用。高層、超高層建筑往往會設置轉換層，以供主體結構的承重構件截面改變時上部荷載能很好的傳遞到下部結構，結構越高時轉換層所設的節點也將越大，重大轉換節點的高空施工給吊裝及焊接作業都帶來了一定的挑戰，傳統的施工方法施工時效低，弊端越來越明顯。目前，國內外對鋼結構轉換節點在設計階段的受力分析已經非常完善，但是對其在施工階段的技術研究相對欠缺，鋼結構轉換節點在施工階段的焊接變形控制正好可以彌補這一塊的不足。鑒于此，文章結合筆者多年工作經驗，對鋼結構焊接產生的變形與焊接應力分析提出了一些建議，僅供參考。

關鍵詞：鋼結構;焊接產生的變形;焊接應力;分析

引言

建筑領域的重要建筑結構之一是鋼結構。使用鋼結構的優勢在于降低建筑能源消耗、加強建筑結構穩定性，在后期維護和保養的工作方面，鋼結構也具有不可替代的優勢，能夠美化建筑結構的外觀的同時，適應多種環境和氣候。在建筑建設施工當中，分析鋼結構焊接工藝技術，做好相應的工藝發展以及常見工藝并進行總結和論證非常關鍵。

1、鋼結構焊接變形與焊接應力的基本組成分析

鋼結構出現焊接變形主要包括面外變形和面內變形這兩種。面外變形又可以分為：扭曲形變、彎曲形變、失穩波浪形變和角形變等。面內變形可以分為縱向收縮變形、橫向收縮變形以及焊縫回轉變形等。對于鋼結構來講，其所發生的變形種類，大都是橫向收縮和縱向收縮變形。一般來講，鋼結構焊接后，進行冷卻處理的焊接結構中，往往會存在一些并未消除的應力。這種焊接應力主要可以分為橫向應力、縱向應力以及沿焊縫厚度方向的應力。

2、鋼結構焊接常見問題

2.1 焊接局部變形產生的原因

焊接局部變形往往是由于在焊縫較多的位置，由于出現變形較大，收縮快，焊后收縮變形不一致，導致了加工件的剛性不均勻和剛性小的問題。加工過程中由于操作人員的操作，使得為對稱分段、分層以及焊接電流速度等發生了不一致的情況，導致焊接時應力過大，引起焊接應力集中以及過量變形、放置不平，甚至在應力集中釋放時，導致了焊接不對稱的情況。

2.2 檢驗結果異常

在鋼結構焊接過程中，由于檢驗中的相關問題，導致了焊縫等級檢測等級和評定結果發生異常。根據相應的評定級別，涉險探傷可以分為多個級別。在檢驗等級上也可以根據檢測方法和檢測儀器等，對檢測結果的精確程度進行提升。例如超聲波探傷則采用標準檢測的方式，分為A、B、C三個級別，在探測面、探測范圍和允許缺陷當量情況下，對于靈敏度進行設置，依據的標準也各有不同。對于超標缺陷處理和復探，參照了建筑鋼結構焊接技術規程中的相應規范標準，得到檢測合格確認之后，方可確認件焊縫合格。

2.3 焊接的裂紋問題

鋼結構焊接裂紋產生的原因是由于應力因素和溫度因素共同作用的結果。焊接裂縫分為熱裂縫以及冷裂縫。等熱裂縫是在高溫下發生的，裂縫通常產生在焊縫內部。由于出現縱向橫向根部熱影響，裂縫等諸多情況，分別以結晶液態狀態分布在結晶過程中以及焊接熔池中。此時由于固態金屬拉開，焊接應力足夠大，導致的裂紋是出現了雜質，一旦被拉開，焊接的應力也會變成足夠大。

3、加強鋼結構焊接產生的變形與焊接應力措施

3.1 局部變形問題的解決措施

對于局部變形，應在設計時將焊縫均勻布置，對稱設置焊縫，減少密級和交叉焊縫，制定合理的焊接過程。首先要保證變形、減少，對于對稱部分進行焊縫的焊接線焊接，收縮量大的焊縫在焊接收縮量小的焊縫，采用分段分層，間斷式焊、控制電流速度方向一致，對尺寸大、焊縫多的共建，要保持手工焊接和分段焊接相結合的方法.

3.2 焊接變形控制措施

①對板材進行應力消除：采用鋼板矯平機對鋼板進行矯平處理，以達到對鋼板內的應力進行釋放從而減小鋼板內部的殘余應力對構件的影響效果。②下料：下料時采用對同一零部件兩側同時加熱的方式進行切割，防止因材料不均勻受熱發生變形。③焊接前要對母材進行預熱處理，預熱溫度控制在80℃～120℃，采用紅外測溫儀行溫度測量，當溫度達到要求后才能開始焊接并且要嚴格按照方案要求的順序進行焊接。④因十字柱翼緣板寬度較寬，為防止焊接時十字柱翼緣板產生側向變形，焊接前應采用張緊器將十字柱四塊翼緣板頂緊，張緊器的結構形式。⑤施工時將張緊器沿鋼柱縱向方向每間隔1000mm布置一組，同時對雙面螺栓施加相同的力矩，使十字柱每塊翼緣板在各個方向的受力狀況保持平衡，從而約束因焊接而產生的應力，有效降低了因焊接而引起的變形，從而減小鋼柱變形，張緊器裝配示意。⑥十字柱在胎具上焊接完畢，待構件自然降溫至外界環境溫度時，方可撤去張緊器。

3.3 焊接殘余應力消除

在焊接過程中，由于焊接件產生溫度梯度，接頭組織和性能的不均勻，導致焊接件內部因溫差而膨脹收縮不均勻，進而產生焊接應力，焊后殘留在焊件內的應力即為焊接殘余應力;消除焊接殘余應力的方法有：熱處理、錘擊、振動法和預載法等。工程上主要采用退火處理，溫度越高、保溫時間越長，溫度梯度約小，應力釋放越緩慢并均勻，消除焊接殘余應力的效果就越好，在冬季施工或焊接環境溫度較低時采用此方法。

3.4 焊后處理

①焊接作業完成后，清理焊縫表面的熔渣和金屬飛濺物，焊工自行檢查焊縫外觀質量，如不符合要求，應焊補或打磨，修補后的焊縫應光滑圓順，不影響原焊縫外觀質量要求。②重要構件或重要節點焊縫，焊工自行檢查焊縫外觀合格后，在焊縫附近打上焊工的鋼印。③外露鋼構件對接接頭，磨平焊縫余高，達到與被焊材料同樣的光潔度，清理完成后的焊縫及時予以涂刷防腐油漆，防止焊縫生銹。

結束語

綜上所述，鋼結構在制作過程中變形影響因素有好多種，其中最為重要的因素是焊接工藝參數及防變形措施的正確采用。采用了合適的焊接工藝及防變形措施可以大大減少后道工序的返修工作量，從而大大提高工作效率，節約成本。

參考文獻

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