鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及火焰矯正

李權(quán) 張冬梅 劉丹鳳

摘 要： 鋼結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力和變形是不可避免的，當(dāng)焊接變形超過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)允許變形范圍，就應(yīng)設(shè)法進(jìn)行矯正，使其符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求。本文在闡述了焊接結(jié)構(gòu)焊接變形矯正的原理及方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合本人多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)焊接資料，分析了常用焊接結(jié)構(gòu)-箱型梁焊接變形的特征，提出了對(duì)焊接箱型梁變形的火焰矯正施工工藝，對(duì)指導(dǎo)焊接梁變形的火焰矯正具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：火焰矯正;焊接;變形;施工

目前，鋼制產(chǎn)品在日常生活和大型建設(shè)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。而鋼結(jié)構(gòu)廠房的生產(chǎn)工藝的誕生，為現(xiàn)代建設(shè)工程增添了一道亮麗的琵琶。然而鋼結(jié)構(gòu)廠房的主要構(gòu)件是焊接H型鋼柱、梁、撐。這些構(gòu)件在制作過(guò)程中都存在焊接變形問(wèn)題，如果焊接變形超過(guò)設(shè)計(jì)允許范圍，則不僅影響結(jié)構(gòu)整體安裝，還會(huì)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(jī)械矯正等，冷矯正主要適合于剛度不大的焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。火焰矯正方法操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活，適用面廣;但技術(shù)含量較高，若加熱區(qū)域的位置及大小選擇不當(dāng)、加熱溫度控制不當(dāng)，都會(huì)嚴(yán)重影響焊接變形矯正的效果，甚至?xí)购附幼冃胃鼜?fù)雜，難以進(jìn)行矯正。因此，對(duì)火焰矯正焊接變形的工藝進(jìn)行深入研究，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)變形特征，合理確定火焰矯正的工藝，具有重要實(shí)際意義。

1.鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形及預(yù)防措施

1.1 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的基本類型

根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)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?；鹧娉C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(chǎn)生是無(wú)法避免的，但適當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧┛梢钥刂苹驕p小焊接變形量，或者前后產(chǎn)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?xì)怏w保護(hù)焊、等離子弧焊和氬弧焊等方法進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中要考慮生產(chǎn)率， 焊接線能量不宜過(guò)低。

3）焊接不對(duì)稱得構(gòu)件， 通過(guò)選用不同的焊接參數(shù)， 可以控制和調(diào)節(jié)彎曲變形。如圖所示的截面不對(duì)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(guī)范參數(shù)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(gòu)件在裝配過(guò)程中， 側(cè)面中心位置不斷發(fā)生變化， 因而焊接變形也變化。利用這一特點(diǎn)通過(guò)把結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)姆殖刹考?分別裝配焊裝， 使不對(duì)稱得焊縫和收縮量較大的焊縫在焊接過(guò)程中能比較自由的收縮而不影響整體結(jié)構(gòu)， 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(cè)面中心線兩側(cè)的焊縫，一般來(lái)說(shuō)，先焊的一側(cè)焊縫產(chǎn)生的彎曲變形比后焊的一側(cè)焊縫產(chǎn)生的彎曲變形要大。因此焊接順序總的規(guī)律是先焊焊縫少的一側(cè)。對(duì)于截面形狀對(duì)稱的結(jié)構(gòu)， 盡可能采用對(duì)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(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因是焊接時(shí)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(nèi)部組織變化的不均勻，致使熱脹冷縮不能自由進(jìn)行造成的。焊接變形的產(chǎn)生是由于焊接加熱膨脹時(shí)不能自由進(jìn)行，致使焊縫及附近金屬發(fā)生了壓（收）縮變形，與之相鄰的焊縫兩側(cè)金屬發(fā)生了拉伸變形;產(chǎn)生收縮變形的區(qū)域發(fā)生內(nèi)凹變形，被拉伸的區(qū)域產(chǎn)生外凸的變形?；鹧娉C正焊接變形就是在因產(chǎn)生拉伸變形而外凸的地方進(jìn)行加熱，用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的收縮變形來(lái)抵消原來(lái)的焊接變形。加熱區(qū)域越大、加熱溫度越高，產(chǎn)生的收縮變形量就越大，同時(shí)因加熱區(qū)域收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力也越大;因此，必須根據(jù)變形程度嚴(yán)格控制加熱溫度、加熱區(qū)域、加熱和冷卻速度等工藝參數(shù)，由其對(duì)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(jù)焊接變形特征和加熱區(qū)域或方式的不同，火焰矯正焊接變形的方法有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種，如圖2所示。

根據(jù)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(duì)常用的焊接結(jié)構(gòu)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?；鹧娉C正時(shí)加熱溫度不宜過(guò)高，過(guò)高會(huì)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(shù)等措施不當(dāng)，焊接后發(fā)生如圖3所示變形。經(jīng)檢測(cè)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(jī)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(cè)上翼板凸起面進(jìn)行分區(qū)加熱，加熱區(qū)域尺寸為寬度12mm帶狀加熱;在腹板中性線以上區(qū)域進(jìn)行三角形加熱，采用三角形加熱面，低寬50mm，高30mm，采用7號(hào)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(cè)，沿板厚進(jìn)行波浪線形加熱，同時(shí)在腹板凸起側(cè)中部進(jìn)行加熱，采用8號(hào)焊嘴，加熱到700～800℃。

火焰矯正引起的應(yīng)力與焊接內(nèi)應(yīng)力一樣都是內(nèi)應(yīng)力。不恰當(dāng)?shù)某C正產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接內(nèi)應(yīng)力和負(fù)載應(yīng)力迭加，會(huì)使柱、梁、撐的縱應(yīng)力超過(guò)允許應(yīng)力，從而導(dǎo)致承載安全系數(shù)的降低。因此在鋼結(jié)構(gòu)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(shí)盡量可能采用機(jī)械矯正。當(dāng)不得不采用火焰矯正時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）、烤火位置不得在主梁最大應(yīng)力截面附近;

2）、矯正處烤火面積在一個(gè)截面上不得過(guò)大，要多選幾個(gè)截面;

3）、宜用點(diǎn)狀加熱方式，以改善加熱區(qū)的應(yīng)力狀態(tài);

4）、加熱溫度最好不超過(guò)700度。

4.結(jié)束語(yǔ)

焊接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力和變形是不可避免的，當(dāng)焊接變形量超過(guò)設(shè)計(jì)要求允許的范圍時(shí)必須進(jìn)行矯正，因此焊接變形的矯正是實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。焊接變形的火焰矯正原理是用火焰加熱產(chǎn)生的收縮變形來(lái)抵消原來(lái)焊接變形的過(guò)程，保證火焰矯正焊接變形成功的關(guān)鍵是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的變形程度和變形方向等情況，嚴(yán)格控制火焰加熱的加熱部位、加熱方式、加熱溫度、加熱區(qū)域面積等參數(shù)，以保證火焰加熱新產(chǎn)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(shí)際證明，只要火焰加熱工藝得當(dāng)，完全可以矯正焊接變形，獲得符合設(shè)計(jì)要求的焊接結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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

[3]中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》2009.北京：人民交通出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：

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

張冬梅（1976-），山東省陽(yáng)信縣人，目前在勝利油田樁西采油廠集輸大隊(duì)從事油氣儲(chǔ)運(yùn)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(duì)從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工作。