大型钢结构焊接变形控制工艺的探究

林建新，罗 田

（广州鑫南数控科技有限公司，广东广州 511495）

0 引言

大型钢结构焊接施工对精度要求较高，其结构本身存在较大自由度，焊接过程中会因为热源集中导致温度场分散欠均匀。同时，在焊接过程中，大型钢结构的焊接工艺会受时间的影响而导致应力场和温度场发生变化，极易导致数据分析与计算出现失误，严重影响焊接质量。由此可知，大型钢结构焊接施工难度较大，加强焊接变形控制工艺的研究，对焊接质量控制具有重要意义。

1 大型钢结构焊接变形的主要类型

大型钢结构焊接变形的影响因素不同，其变形状态也存在一定差异，主要包含6种类型。

（1）降温收缩纵横变形。在焊接温度下降的条件下，金属以焊缝为原点出现收缩变形。变形主要体现在纵横轴方向。

（2）降温条件下，金属收缩量差异导致钢结构角度位移而出现变形。

（3）焊缝角螺旋状变形.由于焊缝角钢结构纵横面分布不均，导致焊接变形出现。

（4）错边变形。与钢结构焊接加热不均存在一定联系，此种情况下钢结构焊接构件收缩度受到严重影响，所处焊缝位置的构件长宽无法有效控制，最终导致焊接变形。

（5）两焊缝位置不可能会出现同一焊接变形结果，带给人一种感官扭曲变形，即挠曲变形。

（6）波浪形变形。焊缝位置有着自身的内应力，能够在焊接位置出现波浪式表现，即波浪式变形。

2 焊接变形的原因

在焊接工艺中，部件之间会相互制约相互联系，而且部件在进行加热的过程中，受热不均匀会在各个部分产生不同程度上的热胀冷缩现象，这样就会导致部件的应力不均匀，产生不同程度的拉伸状况，最终导致结构焊接的变形和扭曲。为有效控制大型钢结构的焊接变形，对变形原因进行分析。

2.1 温度控制不当

焊接温度往往会金属产生一定影响，一旦焊接温度明显高于金属熔点，极易引发金属膨胀，此时金属自身温度较高，会对其周边金属产生强烈影响，引起周围金属膨胀，导致焊接变形问题出现，给大型钢结构焊接质量造成严重影响。在大型钢结构的焊接过程中，如果焊接温度控制不当，极易引发焊接变形问题。

2.2 焊接材料选择不合理

焊接材料是大型钢结构焊接操作的重要部分，不同焊接材料的性能存在一定差异。焊接温度相同时，焊接材料的膨胀度也存在一定差异。如果焊接选用的施工材料不合理，无法有效控制焊接温度，膨胀度过大或过小都会导致焊接变形。

2.3 焊接顺序或焊接方法不科学

大型钢结构焊接中，对焊接顺序及焊接方法的要求较高，不同焊接部位的承载力不同，焊接需求也存在一定差异。如果焊接顺序不合理，或者焊接方法不科学，极易造成钢结构扭曲，最终导致焊接变形。

2.4 焊缝位置不恰当

焊缝位置的选择也是大型钢结构焊接中的重要内容。钢结构重力对不同承载力金属压力效果具有一致性，如果焊缝位置不恰当，极易引发不同程度的焊接变形，影响焊接质量。

2.5 钢结构刚性控制不合理

刚性是影响大型钢结构焊接变形的重要因素。一般情况下，同等承载力下钢结构焊接变形受刚性大小的影响，刚性大的钢结构焊接变形相对较小，反之则焊接变形较大。如果大型钢结构焊接中钢结构刚性控制不合理，极易出现焊接变形。

3 大型钢结构焊接变形的控制方法

3.1 合理选择焊接材料

为有效控制大型钢结构焊接质量，降低变形问题的发生几率，应当结合工程建设要求及技术标准合理选择焊接材料，尤其是要做好钢材性能的调研分析工作去，确保其具备良好的焊接性能，且能够满足焊接工件成品质量要求，将焊接变形控制在最小范围内。与此同时，大型钢结构焊接材料的选择，应遵循实用且可靠的原则，切不可一味追求经济利益而选择劣质钢材，以免导致大型钢结构焊接变形。

3.2 选用适宜的焊接技术并规范焊接操作

大型钢结构焊接施工中，焊接技术的选用及规范操作是控制焊接变形的重要方式，要求技术人员结合大型钢结构的质量标准及焊接条件进行综合分析，选用适宜的焊接技术并规范焊接操作。在保证焊接质量的前提下，选用较低的线能量能有效防止焊接变形：埋弧自动焊具有较高的热利用率，焊接速度快且焊接收缩小，便于加强变形控制；气焊受热范围较大，焊接速度慢，后期极易出现焊接变形，影响焊接质量；二氧化碳气体保护焊也是控制焊接变形的一种有效方式，与手工电弧焊相比，其效率更高。

由于大型钢结构焊接过程中焊接工件受热后会向一侧收缩变形，因此在实际焊接过程中可以应用反变形法焊接技术。在正式焊接之前，将焊接工件进行弯曲放置，弯曲角度侧歪，为焊接收缩变形留出余量，可有效控制焊接变形。例如：焊接90°工件时，可将工件向外侧摆放为92°～94°，焊接过程中工件受热收缩，刚好回到90°位置。但在大型钢结构焊接中应当注意，反变形法焊接技术应用后需要对工件角度进行适当调整，而且无法满足焊接精度高工件的焊接需求。

刚性固定法焊接技术是大型钢结构焊接中较常用的一种焊接工艺，原理是对焊接工件进行固定来控制变形，主要依靠外力来减少热应力和刚性力对焊接工件的破坏。应用该法焊接时，应当控制好焊接过程，以降低焊接变形的影响。另外，为提高焊接质量，还应当掌握正确的焊接顺序，先点焊、再拉焊。

3.3 加强焊接过程的细节控制

大型钢结构焊接过程中，如果焊接过程控制不到位，极易出现焊接变形问题。因此在焊接过程中，应当从焊接工件厚度控制、焊接预实验等细节入手，优化焊接过程，如待焊接的2个工件之间厚度不宜相差过大、选择适当的焊接材料等。

另外，如果焊缝尺寸过大会加大焊接量，焊接变形的风险就随之加大；而焊缝过小，焊接冷却速度较快，则极易引发焊接缺陷。因此在大型钢结构焊接中应掌握好焊缝尺寸，保证焊接质量及钢结构承载力满足实际要求。与此同时，要尽可能将焊缝布置在对称于中性轴的位置，同时且对称的开展焊接操作，能够促进焊接变形的相互抵消，为大型钢结构焊接质量控制提供可靠保证。

规范大型钢结构的装焊顺序也是控制变形的有效方式。一般遵循先对接焊缝后角焊缝的焊接原则，若连续焊接与断续焊接同时进行，则尽可能先焊连续焊缝。而中长焊缝的焊接大多以分段焊接的方式进行，通过焊接顺序控制来促进焊缝自由收缩，减少变形几率。

焊接预实验是保证钢结构焊接工艺优良的重要条件，因此相关焊接技术人员应结合焊接需求调整电流电压，做好焊接的预热和预实验工作，并结合预实验结果调整焊接工艺，防止出现焊接变形。如果在大型钢结构焊接过程中出现裂纹，应当立即停止焊接工序，检查焊接点是否存在偏差，并进行妥善处理，确保大型钢结构焊接过程得到有效优化，降低焊接变形发生几率。

3.4 有效控制焊接温度

焊接温度控制是大型钢结构焊接施工中变形控制的有效方式，要求焊接技术人员掌握好焊接温度，保证焊接效果满足大型钢结构焊接要求。比如在焊缝部位金属焊接操作中，技术人员应掌握好焊接方式和焊接温度，待焊接完成后及时降温，尽可能减少焊接余温对焊接点周边金属造成不利影响，有效控制焊接变形。相关焊接技术人员应结合大型钢结构焊接需求调整焊接工序，以免焊接施工中出现挠曲变形而影响焊接质量。

合理控制焊接温度也是减少焊接应力的重要方式。焊接时应考虑提高金属的抗裂性、塑性、韧性，降低应力，合理选择焊接材料，并控制好焊接温度。一般情况下，为了与母材达到一致，会增加焊接材料中锰和硅的含量。

3.5 消除焊接中的残余变形

大型钢结构焊接极易受到温度、钢结构材料、承载力、焊接工艺及施工环境等因素的影响而出现焊接变形，严重时会影响结构焊接性能。因此在大型钢结构焊接施工中，应当不断总结焊接经验，采取有效的措施消除焊接中的残余变形，提高焊接质量。在焊接过程中，加热矫正会产生一定应力，一旦这种应力与焊接应用同向叠加，会明显加大构件总应力。这种情况下，如果构件自身应力无法承受总应力，极易导致钢结构出现变形甚至受损。大型钢结构焊接中，应当结合制作需求，合理选择施工工艺，将结构变形控制在最小范围之内，提高结构的焊接质量。

4 结语

大型钢结构焊接具有一定特殊性，受温度控制、焊机操作不当、焊接材料等因素的影响，极易出现焊接变形问题，制约焊接性能。因此，在大型钢结构焊接中，应全面分析焊接工件特性，选定适宜的焊接工艺，并加强焊接过程管理与控制，科学控制焊接变形，提高焊接效果，满足工程建设对大型钢结构的要求。