钢结构工业厂房构件焊接应力及变形控制措施

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钢结构工业厂房构件焊接应力及变形控制措施
文龙
（中交第三公路工程局有限公司第五工程分公司，北京100009）
摘要:钢结构在现代工业厂房搭建中取得了广泛应用，但各类构件焊接过程中易出现质量问题，诸如应力与变形。

从
原材料质量、焊接工艺等角度展开探讨，提出可行的方法以消除焊接应力与变形问题，通过合理控制措施为构件焊接
质量提供保障，确保整体结构的安全性。

关键词：钢构件；焊接应力；变形控制
工业厂房钢结构搭建过程中，广泛使用以H型钢柱为代表的各类钢构件,涉及到加工与组装作业，在此过程中易产生焊接应力并伴随明显的变形现象,若缺乏合理的矫正措施,将会对钢结构的整体稳定性造成影响。

因此，从焊接应力与变形特点出发,提岀可行的控制措施极具必要性。

1工程概况
某工程位于深圳特区北部，周边交通发达，与海岸线仅lkm 距离。

正式施工前，业主针对现场展开了整平作业，并全面检测场地标高情况。

根据设计要求，主要有HPC工厂、配送中心与办公室3部分，主体建筑面积13200m2,W属建筑面积3400…?,室外绿化面积11300m2。

为满足对外沟通要求，设置道路工程面积12100m',整个项目总建设面积达40000m2。

2钢结构工程
该工程广泛使用钢结构，以钢柱、钢桁架为基础结构，并铺设屋面瓦。

2.1施工准备
1）工艺文件编制形成工程图纸，在其指导下探讨工艺特点并形成与实际施工相符的工艺文件,涉及到原材料加工、制造、焊接等各个环节。

2）工装设计确定合适的装配胎具、钻孔模板等，以便给正式施工作业提供帮助。

3）工艺试验与分析此项工作需有焊接工程师的参与，形成工艺评定任务书,并展开工艺试验，通过此方式确定合适的焊接工艺，诸如焊接坡口、焊材等，最终得到焊接工艺卡。

2.2现场安装
厂房搭建过程中，钢结构发挥出支撑作用,在此环节施工中会出现与土建工程交叉作业的情况。

各柱结构间增设混凝土连系梁，要求该梁结构符合强度要求后,方可展开后续施工作业。

结束厂房土建施工作业后，设置满堂脚手架，将其作为施工作业的主要平台，通过双机抬吊吊装的方式将钢结构转移到指定施工地点。

2.3现场焊接
根据设计要求.该工程施工中所用的构件数量较多，普遍采取焊接方式,因此要有效控制焊接施工质量,避免焊接变形现象。

［作者简介］文龙，工程师,E-mail：****************2.4现场拼装
钢构件均采取厂内加工的方式，形成各类小件后，经运输设备转移到施工现场，经拼装作业后再吊装至指定位置。

整个过程中，控制拼装质量尤为关键，同时要考虑到拼装与安装交叉作业，通过合理的方式协调施工矛盾，做好现场组织协调工作。

2.5钢结构工程施工方法
2.5.1钢结构加工
1）放样全面核对图纸内容，经放样后完成各类构件的加工作业。

放样过程中，铳、刨工件时应充分考虑加工余量,以既定的工艺流程为指导，合理预留焊接收缩余量。

2）号料做好对各类原材料的检查与核对工作,在材料上确定加工位置，以便给铳、刨等环节的施工作业提供指导;打冲孔并准确标识零件编号，此过程中应遵循用材合理的基本原则。

3）切割基于切割的方式下料，在此之前需要做好检查工作,将残留在钢材上的铁锈等杂质清理干净;切割过程中确保断口质量，不允许出现裂纹，产生的缺口需在1.0mm以内，及时清理边缘的各类飞溅物。

切割截面以及表面垂直度都要得到合理控制，其产生的偏差需控制在钢材厚度的10%以内，且须不大于2mmo
2.5.2钢结构焊接组装
H型钢下料作业时，需充分考虑到翼板、腹板长度，在原有基础上加30mm的余量，若存在拼接需求，合理的工艺顺序是先拼接作业再下料。

根据设计要求，于厶/3处拼接，且拼缝间距小于200mm。

针对存在起拱要求的梁，其腹板起拱形式以圆弧形为宜。

定位焊施工作业时,要求间隙得到合理控制。

以腹板厚度t为基准，若12mm,加固作业采取的是<i>4.0mm焊条点固的形式。

所有焊点应足够牢固，焊缝长20~30mm,各焊点间距控制在200~300mm.不可出现焊点高度过高的情况,以便为后续埋弧焊接提供优良条件。

通过对H型钢的焊接作业，随后采取机械矫正措施,有效控制翼板角变形现象。

在翼、腹板处精确标出中心线,在该处打上样冲,通过此方式为零件装配作业提供基准。

后续组装作业时需将一端对齐,经焊接矫正后再处理多余部分，将超岀部分切下。

梁端处孔的设置不可按边距尺寸划线，需要精确检测构件长度，在此基础上修正划
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线。

完成构件焊接作业后需处理外形，进行修正与焊疤清理工作，经打磨处理使其具有足够的光洁度，要求边缘处形成2R倒角。

3焊接应力的消除
焊接过程中易形成应力，为避免这一现象，需注重如下内容。

1）常规构件较可行的是焊后锤击方法要求构件处于受热状态，此时利用手锤多次敲击焊缝（此操作应注重对称性与均匀性）,可达到焊缝收缩补偿的效果，从而控制焊接残余应力。

2）局部加热方法通过对焊缝周边进行加热可达到消除残余应力的效果。

3）关键性构件较可行的是焊后热处理方法将焊件放置在炉中并采取加热措施,使其达到特定温度后再冷却,此方式的应用效果较好，且得到了广泛应用。

不同材料的回火温度存在差异,具体内容如表1所示。

4原因分析
4.1焊接应力
完成焊接且经过一段时间后，焊缝将由高温逐步恢复至原始温度,分析焊缝拉应力得知,其与母材压应力几乎达到平衡状态,此时便是焊接残余应力,亦可称为焊接应力。

4.2焊接变形
受焊接应力的影响，焊件在尺寸与形状上易发生变化,表现出不同程度的弯曲、翘曲等现象，随之产生焊接变形。

4.3焊接应力与焊接变形的具体生成机理
实际焊接作业时,受不均匀加热的影响，焊缝周边区域的温度明显提升，相较之下距焊缝较远的区域几乎不受热,其温度与大气温度大体相同,此部分金属将对焊缝变形产生阻力；待后续冷却后,焊缝将出现收缩现象,并伴随明显应力，加之金属内部晶粒组织的变化，体积也随之改变，此时焊件也会发生变形。

5控制焊接变形的措施
5.1材料质量控制
各类构件需满足质量要求,并出具质量合格证，在强度、塑性等方面都要足够良好，以免焊接过程中岀现质量问题。

5.2钢构件焊接变形的矫正
针对钢构件整体变形现象，需在下料、装配等环节采取合适的控制措施,基于矫正工艺有助于消除局部变形现象，在波浪变形、角变形等质量问题中具有较好的应用效果。

针对钢构件焊接变形问题，主要有如下2种处理方法。

1）机械矫正法借助机械实现对各类构件的矫正，应用较为广泛的有翼缘矫直机矫正法，该装置设置有圆盘滚轮,在其作用下可实现对焊缝的碾压处理，同时控制压缩塑性变形区,最终有效消除变形。

此方法的局限之处在于适用性不强，只有在翼缘宽度大于200mm的工字钢中才具有应用价值。

2）火焰矫正法以低碳钢为例展开分析,可细分为低温矫正、中温矫正与高温矫正3种，所采取的冷却途径也不相同,其中低温矫正采取的是水冷却的方式，高温矫正为空气冷却,较特殊的是中温矫正,采取空气与水相混合的形式。

火焰矫正对加热温度提出较高的要求,不可出现温度过高的情况，否则会引发金属变脆等问题。

5.3翼缘板的角变形
针对H型钢柱变形等问题，采取纵向线状加热的方式，实际操作中加热温度需在650T以内，同时要控制好加热范围，需限定在两焊脚操控范围内。

在此过程中,应避免同一方位重复加热现象。

1）翼缘板加热时，需要从弯曲中心处开始逐步向两头加热,整个过程呈线状特性,若处理效果欠佳,还可采取辅助加载的方式。

2）腹板处采取三角形加热措施，此方式可有效处理柱、梁弯曲变形问题，横向线状加热过程中实际宽度以20~90mm 为宜,若处理的板厚度偏小,此时需适当缩小加热宽度,需从顶部开始加热，由中心逐步向两边扩大,最后完成整个区域的加热处理。

5.4柱、梁腹板的波浪变形
寻找波峰处，通过圆点加热法辅以手锤的方式实现对变形的有效矫正，此过程中加热圆点直径需得到有效控制，普遍介于100~200mm,以中温矫正较为适宜，达到波峰时增设垫板并捶打，从而达到加热区金属受压的效果,后续经冷却后即可恢复平整状态。

6结语
钢构件焊接变形现象将对钢结构整体质量造成影响，实际施工中需注重如下要点:①针对构件采取分段、分片焊接作业,在此基础上再进行拼装;②以大块材料为宜，以达到控制焊缝数量的效果;③针对构件采取定位加固措施，提升结构刚性;④采取自动埋弧焊的方法，确定合适的焊接参数;⑤基于反变形法有助于控制焊接变形现象。

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表1各种材料的回火温度
碳钢极低合金钢奥氏体钢铝合金镁合金钛合金锭合金铸铁580〜680850〜1050250~300250〜300550~6001100-1200600~650
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