浅析H型钢结构焊接变形及控制

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摘要：根据工程实践，分析了H型钢结构产生焊接变形的原因，提出了控制焊接变形的方法和措施，从而提高了焊接工艺质量，增强结构的安全性。

Abstract： According to the engineering practice， this paper analyzed the reasons for welding deformation of H-shaped steel structure， proposed the methods and measures of controlling welding deformation， thus improving the welding craft quality and enhancing the security of structure.

关键词： H型钢结构；焊接变形；控制

Key words： H-shaped steel structure；welding deformation；control

中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）25-0088-02

1 焊接变形产生原因

钢结构在焊接过程中会产生焊接应力和变形，造成焊接应力和变形的因素有很多，但焊件受热的不均匀性是其最根本的原因。结构在焊接时，由于局部高温加热从而造成焊件上温度分布不均匀，从而导致构件产生不均匀膨胀，而低温区的限制了高温区的膨胀，最终导致焊件焊后发展成焊接变形。其次，是由焊缝金属的收缩、金相组织的变化以及焊件刚度的不同引起的。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定影响。

2 H钢的焊接变形的种类

焊接变形按照外观形态分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。H 型钢在制造过程中，主要产生角变形、弯曲变形和扭曲变形。

2.1 角变形 焊缝的横向收缩沿板厚的不均匀分布是导致角变形的根本原因。

2.2 弯曲变形 弯曲变形主要是结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。弯曲变形的大小用挠度f进行度量。挠度f是指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离。当纵向焊缝位置偏离构件截面的中心轴时（如图1），不仅产生纵向收缩，而且由于等效收缩力FP而产生弯曲变形。根据材料力学，其产生的最大挠度为：

f =■（1）

式中：f弯曲变形挠度（cm）；E-弹性模量（MPa）；FP假想的纵向收缩力（N）；S-偏心矩（cm）；L-焊缝长度（cm）；I-截面惯性矩（cm4）。

2.3 扭曲变形 焊缝角变形沿焊缝长度方向的不均匀分布是产生扭曲变形的根本原因。一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上，如焊接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺序不当有关。

3 影响H钢结构焊接变形的因素

3.1 焊接方法及其工艺规范的影响 H钢结构制造时一般的焊接方法有埋弧自动焊、手工电弧焊和CO2气体保护焊。不同的焊接方法产生的热量不同，造成的变形也不同。同一焊接方法中，由于焊接工艺规范的不同所产生的焊接变形也不同。H钢结构在施焊前要通过焊接工艺评定制定工艺规程，但在具体进行实际生产时，一些单位不执行工艺文件，进行大线能量施焊而造成焊接变形。

3.2 坡口形式和尺寸的影响 坡口形式不相同，焊接变形量就不同。如坡口截面不对称的焊缝，其角变形大。坡口角度越大，其填充金属量大，变形就越大，坡口小变形就越小。

3.3 结构刚度和焊缝分布的影响 刚性是指焊件抵抗变形的能力，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。结构刚性越大，则阻止焊缝及其附近热变形的能力越强，焊接变形就越小。反之焊件的刚性越小，则焊接变形就越大。焊缝分布越密集，将使焊接应力和热量互相叠加，增加了焊接变形。焊缝分布与截面中性轴不对称或远离截面中性轴，则会增加弯曲变形。

3.4 装配-焊接顺序的影响 不同的装焊顺序焊后将产生不同的变形量，所以在装焊时应采取合理的顺序。焊接时尽量采用对称焊接；焊缝不对称时，先焊焊缝少的一侧。纵向收缩引起的弯曲变形是H钢最容易出现的变形。焊缝布置对称的焊缝，如果装配焊接顺序不合理，同样可能产生较大的弯曲变形。如图2焊接H钢（工字钢），采用不同的装配焊接顺序，弯曲变形量大小不同。如果先装成T形梁，如图2-a所示，然后再装配焊接成工字构件如图2-b，其挠度变化情况如下：

T形：f1、2=■ 工字形：f3、4=■

式中：S′-焊缝1、2到T型梁截面中性轴的距离；S″-焊缝1、2到Ⅰ型梁截面中性轴的距离；TT-T型截面梁惯性矩；ⅠI-Ⅰ型截面梁惯性矩；由于f1、2与f3、4方向相反，且两挠度的比值为：■=■

一般情况下，虽然S′>ⅠT，所以f1、2>f3、4，既两者不能相互抵消，焊后产生残余弯曲变形。

如果采用先装配并定位焊焊成工字构件，然后按图2-c的1～4顺序焊接，因为焊接过程中构件的截面惯性矩基本不变，且两边焊缝距中心轴的距离近似相等，所以产生的挠度基本上可以互相抵消，使构件保持平直。

4 控制焊接变形的措施

如果在焊接前或焊接过程中采取一些措施就可以有效地控制焊接变形，不仅为焊后矫正节省了人力、物力和财力，也为大型构件的一次合格率提供了保障。

4.1 设计措施 ①合理地选择焊缝的尺寸和形状。在保证结构承载力的情况下，尽可能采用较小的焊缝尺寸，减少热输入对材料性能的影响，并降低成本。②合理地安排焊缝的位置。安排焊缝尽可能对称与截面中性轴，或使焊缝接近中性轴，这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。

4.2 工艺措施

①反变形法。根据焊件的变形规律，将焊件向着与焊接变形相反的方向进行人为变形后再进行焊接，以达到抵消焊接变形的目的。

②留余量法。此方法主要用于防止焊件的收缩变形。为了补偿焊件的收缩，下料时，应当适当加大零件的实际长度或宽度尺寸比设计。

③刚性固定法。将焊件组合成刚性更大或对称的结构。

④选择合理的装配焊接顺序。装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。1）在条件允许的情况下，将大型而复杂的焊接结构分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接后再总装成整体。2）施焊时，焊缝尽量靠近结构截面的中性轴。3）在进行装配焊接时，对于结构不对称布置的焊缝，应当先焊焊缝少的一侧。4）应当由偶数焊工对称地焊接焊缝对称的结构。5）当焊接1m以上的长焊缝时，为了减少焊接后的收缩变形，在焊接时应当采用图3所示的方向和顺序进行。

⑤合理地选择焊接方法和焊接工艺参数。各种焊接方法的热输入不同，因而产生的变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。用CO2气体保护焊焊接中厚板的变形比用气焊和焊条电弧焊小得多。焊接热输入是影响变形量的关键因素，当焊接方法确定后，可通过调节焊接参数来控制热输入。在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入。

5 结论

H钢结构在制造过程中极易发生焊接变形，但如果在焊前能够正确分析其产生原因，在施焊过程中采取合适的焊接方法、合理的装焊顺序和焊接接头设计等工艺措施减小焊接热输入，就能有效的控制焊接变形，使得结构焊接质量得到保证。

参考文献：

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