鋼結構焊接變形及火焰矯正

李權 張冬梅 劉丹鳳

摘 要： 鋼結構在焊接過程中產生應力和變形是不可避免的，當焊接變形超過技術設計允許變形范圍，就應設法進行矯正，使其符合產品設計質量的要求。本文在闡述了焊接結構焊接變形矯正的原理及方法的基礎上，結合本人多年實踐經驗和國內外相關焊接資料，分析了常用焊接結構-箱型梁焊接變形的特征，提出了對焊接箱型梁變形的火焰矯正施工工藝，對指導焊接梁變形的火焰矯正具有一定指導意義。

關鍵詞：火焰矯正;焊接;變形;施工

目前，鋼制產品在日常生活和大型建設工程中得到了廣泛的應用。而鋼結構廠房的生產工藝的誕生，為現代建設工程增添了一道亮麗的琵琶。然而鋼結構廠房的主要構件是焊接H型鋼柱、梁、撐。這些構件在制作過程中都存在焊接變形問題，如果焊接變形超過設計允許范圍，則不僅影響結構整體安裝，還會降低工程的安全可靠性，為此必須予以矯正。焊接變形的矯正方法有冷矯正和熱矯正（如火焰矯正）兩種。冷矯正主要有手工矯正、機械矯正等，冷矯正主要適合于剛度不大的焊接結構變形矯正;熱矯正主要是火焰矯正，主要適合于剛度較大、不適合冷矯正的焊接結構。火焰矯正方法操作簡單、應用靈活，適用面廣;但技術含量較高，若加熱區域的位置及大小選擇不當、加熱溫度控制不當，都會嚴重影響焊接變形矯正的效果，甚至會使焊接變形更復雜，難以進行矯正。因此，對火焰矯正焊接變形的工藝進行深入研究，根據焊接結構變形特征，合理確定火焰矯正的工藝，具有重要實際意義。

1.鋼結構的焊接變形及預防措施

1.1 鋼結構焊接變形的基本類型

根據焊接結構特征不同，焊接變形的基本形式的基本形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等五種，如圖1所示。火焰矯正主要適用于角變形、彎曲變形及波浪變形等凹凸比較明顯的變形。

1.2 防止或減小焊接變形的措施

焊接變形的產生是無法避免的，但適當的焊接工藝措施可以控制或減小焊接變形量，或者前后產生的焊接變形相互抵消，最終可防止或減小焊接變形。常用防止或減小焊接變形的措施如下：

1）選用能量密度高的焊接方法。如采用二氧化碳氣體保護焊、等離子弧焊和氬弧焊等方法進行焊接， 可以減少變形量。

2）采用較小的焊接線能量可以減少焊接變形量。但在實際生產中要考慮生產率， 焊接線能量不宜過低。

3）焊接不對稱得構件， 通過選用不同的焊接參數， 可以控制和調節彎曲變形。如圖所示的截面不對稱得梁， 焊縫1和2到中心軸的距離e 比焊縫3和4 到中心軸的距離d大焊后引起的變形也大。如果焊縫1和2采用比焊縫3和4 小的規范參數分層焊接， 可以使上下彎曲變形抵消。

4）選擇合理的裝配焊接順序。構件在裝配過程中， 側面中心位置不斷發生變化， 因而焊接變形也變化。利用這一特點通過把結構適當的分成部件， 分別裝配焊裝， 使不對稱得焊縫和收縮量較大的焊縫在焊接過程中能比較自由的收縮而不影響整體結構， 然后拼焊成整體。這樣有利于控制變形，矯正也比較容易。分布在側面中心線兩側的焊縫，一般來說，先焊的一側焊縫產生的彎曲變形比后焊的一側焊縫產生的彎曲變形要大。因此焊接順序總的規律是先焊焊縫少的一側。對于截面形狀對稱的結構， 盡可能采用對稱焊接方法。

2.火焰矯正焊接變形的原理及方法

2.1 火焰矯正焊接變形的原理

焊接應力與變形的產生原因是焊接時的局部不均勻加熱和冷卻，焊件各部分之間的相互約束，金屬內部組織變化的不均勻，致使熱脹冷縮不能自由進行造成的。焊接變形的產生是由于焊接加熱膨脹時不能自由進行，致使焊縫及附近金屬發生了壓（收）縮變形，與之相鄰的焊縫兩側金屬發生了拉伸變形;產生收縮變形的區域發生內凹變形，被拉伸的區域產生外凸的變形。火焰矯正焊接變形就是在因產生拉伸變形而外凸的地方進行加熱，用火焰加熱時產生的收縮變形來抵消原來的焊接變形。加熱區域越大、加熱溫度越高，產生的收縮變形量就越大，同時因加熱區域收縮而產生的應力也越大;因此，必須根據變形程度嚴格控制加熱溫度、加熱區域、加熱和冷卻速度等工藝參數，由其對含碳量較高的鋼、合金鋼等淬硬傾向較大的鋼要慎用。

2.2 火焰矯正焊接變形的方法

根據焊接變形特征和加熱區域或方式的不同，火焰矯正焊接變形的方法有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種，如圖2所示。

根據加熱溫度的不同，火焰矯正焊接變形法又分為低溫矯正、中溫矯正和高溫矯正三種，對常用的焊接結構材料低碳鋼和普通低合金鋼，其加熱溫度及冷卻方式如表1所示。火焰矯正時加熱溫度不宜過高，過高會引起金屬變脆、影響沖擊韌性。

3.箱型梁焊接變形火焰矯正工藝

某箱型梁因焊接順序、工藝參數等措施不當，焊接后發生如圖3所示變形。經檢測該梁焊接后的上拱變形量3～5mm，旁彎變形量為2～4mm。因該梁截面板厚和剛度較大，不便采用機械矯正，因而采用火焰矯正。

上拱變形矯正。如圖3（a）所示，上拱變形的矯正是在箱型梁上拱側上翼板凸起面進行分區加熱，加熱區域尺寸為寬度12mm帶狀加熱;在腹板中性線以上區域進行三角形加熱，采用三角形加熱面，低寬50mm，高30mm，采用7號焊嘴，加熱到700～800℃。

旁彎變形矯正。如圖3（b）所示，在上下翼板的凸起側，沿板厚進行波浪線形加熱，同時在腹板凸起側中部進行加熱，采用8號焊嘴，加熱到700～800℃。

火焰矯正引起的應力與焊接內應力一樣都是內應力。不恰當的矯正產生的內應力與焊接內應力和負載應力迭加，會使柱、梁、撐的縱應力超過允許應力，從而導致承載安全系數的降低。因此在鋼結構制造中一定要慎重，盡量采用合理的工藝措施以減少變形，矯正時盡量可能采用機械矯正。當不得不采用火焰矯正時應注意以下幾點：

1）、烤火位置不得在主梁最大應力截面附近;

2）、矯正處烤火面積在一個截面上不得過大，要多選幾個截面;

3）、宜用點狀加熱方式，以改善加熱區的應力狀態;

4）、加熱溫度最好不超過700度。

4.結束語

焊接結構在焊接過程中產生應力和變形是不可避免的，當焊接變形量超過設計要求允許的范圍時必須進行矯正，因此焊接變形的矯正是實際工作中經常遇到的問題。焊接變形的火焰矯正原理是用火焰加熱產生的收縮變形來抵消原來焊接變形的過程，保證火焰矯正焊接變形成功的關鍵是根據焊接結構的變形程度和變形方向等情況，嚴格控制火焰加熱的加熱部位、加熱方式、加熱溫度、加熱區域面積等參數，以保證火焰加熱新產生的變形量和變形方向與原焊接變形量和變形方向相反。實際證明，只要火焰加熱工藝得當，完全可以矯正焊接變形，獲得符合設計要求的焊接結構。

參考文獻：

[1]勞動人事部.蒸汽鍋爐安全技術監察規程.北京：勞動人事出版社，1987.

[2]張文鉞.金屬熔焊原理及工藝（上冊）. 北京：機械工業出版社，1982.

[3]中國船級社《材料與焊接規范》2009.北京：人民交通出版社，2009.

作者簡介：

李權（1975-），四川省南充市人，目前在勝利油田樁西采油廠集輸大隊從事油氣儲運工作。

張冬梅（1976-），山東省陽信縣人，目前在勝利油田樁西采油廠集輸大隊從事油氣儲運工作。

劉丹鳳（1990-），遼寧省撫順市人，目前在勝利油田樁西采油廠集輸大隊從事油氣儲運工作。