（宝钢钢构有限公司，上海201999）
摘要：在大型钢结构焊接工艺中，钢结构的施工进度、安装要求、尺寸精度等都会受到焊接变形的影响。本文分析了大型钢结构焊接变形的影响因素及操作难点，并且详细叙述了相应的控制措施。
关键词：大型钢结构；焊接变形；控制措施
前言
大型钢结构焊接是一种较为复杂的操作技术，这项工作的处理中需要有极强的技巧性。大型钢结构焊接过程中产生焊接变形的主要原因在于焊接区域的应力作用和局部收缩，因此施工时需要对这两个方面进行控制。
1影响大型钢结构焊接变形的重要因素
在焊接过程中，部件之间相互制约又相互联系，而且部件在进行加热的过程中，受热不均匀会导致各部位产生不同程度上的热胀冷缩现象，致使部件中应力分布不均并产生不同程度上的拉伸，最后导致结构焊接的变形和扭曲。本文主要对影响大型钢结构焊接变形的多种因素进行详细探讨。
大型钢结构的焊接设计不能忽略焊缝的均匀布置问题，否则容易在焊缝密疏处造成不同程度上的变形，而焊缝过分集中也会使焊接变形的程度进一步加深，造成应力过分集中。在焊接时，结构刚度较小的构件在焊接后会发生很大的变形，刚度越小变形就会越大。大量事实证明焊接顺序对焊接变形的影响不容忽视，合理的焊接顺序是控制焊接变形的必要措施。焊接坡口对焊接变形的影响往往被忽视，而坡口大小与变形程度成正比，坡口越小变形越小，坡口越大变形就会越大。不同的工艺水准往往会产生不同的效果，不同的焊接规范参数会产生很大的区别，快速、电流小等措施可以帮助减少焊条的摆动，同时也减少一定程度的变形。
2大型钢结构焊接的难点分析
大型钢结构焊接中结构的自由度一般较大，焊接热源会比较集中，但是温度场分散不均，要想进一步达到一定精度的工艺要求就需要在焊接处划分一定细密的网格。但是划分网格的同时就会产生新的难题，网格一旦增加就会给计算工作带来巨大的困难，而大型钢结构焊接的模拟分析也会由于焊接长度过长而受到一定影响。
大型钢结构焊接中瞬态分析的工作过于复杂。由于焊接工艺会随时间的变化而产生相应的变化，这个过程是一个动态的过程，所以需要将一个个动态场人工看成静态场来分析时间的增量，然后再对每一个静态场的时间分量进行瞬态的分析。在焊接的过程中会受到一定的因素影响造成应力场和温度场不断发生变化，不得不增加一定的时间分量去描述这个现象，进而减少数据的分析和计算失误，但是这样做的后果就是计算量过于庞大。
3大型钢结构焊接变形控制措施
大型钢结构焊接变形一旦产生，矫正工作会对生产效率、生产成本造成很大的影响，因此在制订焊接工艺阶段甚至设计阶段就应做好充分的考虑。通常有以下几个方面：
3.1对结构进行合理的分析与计算
确定焊接变形和收缩预留量，对复杂的节点构件，可通过试验并结合以往的焊接经验来确定焊接预留收缩量。
3.2控制装配间隙
严格控制坡口加工精度及装配间隙，选择合适的坡口形状和焊接顺序以减小焊接变形。
3.3使用防变形胎架
组装时使用必要的装配及焊接胎架、工装夹具、支撑并预留收缩余量。
3.4分块制作整体组装
对于复杂的构件，尽可能分块制作、整体拼装焊接的方法制作。
3.5对称和均匀施焊
在对称焊接方面，我们也可以考虑采用适当合理的工艺手法加强焊接的水平。对称焊接施工主要应用于对称构件、焊缝分布均匀、截面形状对称等情况。以两侧都与腹板焊接的筋板为例，在进行焊接时需要在筋板的两侧各由一名焊工同时进行施焊才能保证较少的变形，使焊后的筋板基本垂直于腹板。具体如下：
（1）厚板坡口焊缝焊接时，视变形情况增加翻身次数对称施焊，同时配以过程中的火焰矫正。
（2）构件的焊缝分布相对于构件的几何中性轴对称分布时，构件的焊接采用对称均匀施焊以利用对称原理抵消构件的总体变形。
（3）按平面中性轴对称布置的两焊缝，相互对称同向、同规范、同时进行焊接，此时，两对称焊缝沿平面中性轴垂直方向的收缩或变形将互相平衡抵消。
（4）为平衡另一对称平面上的焊缝，两平面上的焊缝交叉施焊，焊接方向相同、规范相同，以达到所有焊缝对构件中性轴而言亦须对称，使构件总体变形相互平衡而最小。
3.6分段退焊法施焊
对焊缝较长的构件，宜采用分段退焊法施焊，降低焊接变形的程度，分段退焊示意图1所示：
3.7预设焊接反变形
在腹板和薄翼板的角焊接过程中，常常会用到一些特殊的工艺措施，在薄翼板和腹板的焊接等角焊缝的焊接中常用反变形措施。在腹板和叠板进行焊接时很容易产生变形现象，这种现象通常会是叠板两端向腹板方向扭曲变形，但是采用一定的特殊措施可以避免这样的情况发生，通过焊接热输入，进一步精确计算变形值，可以在腹板和叠板进行焊接后恢复到原来平直的状态，并且满足一定的贴合要求。如图2所示，叠板1、2的厚度是25mm，它们在和腹板进行焊接时，容易产生叠板两端向腹板方向翘曲变形的现象，可以采取反变形措施，通过焊接热输入精确计算变形量，如此便可以让腹板在与叠板1、2焊接后恢复到平直状态，且能够保证叠板1、2之间的贴合面要求。
3.8减少焊接应力
减少焊接应力也有一些值得学习的技巧和方法，首先要注意合理选用焊缝的尺寸，其次要选用合适的焊接参数和材料，进行预热及必要的焊后热处理，必要时搭配振动时效方法减少应力。焊缝的热胀冷缩会形成焊接应力，焊接区域小，焊接后的变形程度就会较少。我们在进行焊接时会考虑到提高金属的抗裂性、塑性、韧性，降低一定的应力，所以我们需要选择合适的材料进行焊接。
（1）合适的焊接材料及焊接参数
为提高焊缝金属的抗裂性能、韧性和塑性，有效降低应力集中和焊缝中淬硬组织的形成，就要选择适当的焊材。一般情况下，要使焊缝金属的含碳量低于母材，为达到与母材的同等强度，会对焊缝中的锰、硅含量进行提高。另外，焊接变形和焊接参数中的焊接线能量之间是正比例关系，焊接线能量越大，在进行焊接时所产生的应力就越大，塑形变形也就越大。
（2）焊缝尺寸的选择
焊接区域热胀冷缩形成焊缝应力，热输入与焊接区域大小成正比，焊接区域越小，焊后变形就会越小，一般厚板、小角度坡口就要尽可能的使用双面坡口。
（3）选择合理的焊接工艺
在对钢结构中的长焊缝进行焊接时，一般可采取分段焊接的方法。在进行分段焊接时，要注意避免两端焊材的接头对齐，保证两个焊材的接头处相互交错覆盖住对方的接头。另外用分段焊接代替连续焊接时，还要避免焊接变形，当温度过高时，要将构件翻转过来背面焊接，待焊缝温度温度降低下来后再继续。在进行三面焊接时，可以先从中间焊起，再向两侧蔓延，适当的改变焊接方向也有利于减少焊后变形。
（4）焊接热处理
为防止裂纹的产生，并消除应力和变形，我们可以采取适当的热处理措施。例如在厚板下料和焊接前要先对其进行预热，可以有效避免气割边缘和焊缝产生较大的应力，抑制淬硬组织马氏体的形成，降低热影响区和焊缝金属的冷却速度，减少焊接变形的发生；为消除焊接应力，必要情况下需进行焊后热处理，以避免氢致裂纹的产生，同时减小焊接变形。
如果某些结构件如大型结构件不易进行焊缝退火处理的话，可以进行振动时效。所谓的振动时效就是将一个与固有谐振频率一致的周期振动力施加在工件上，使其产生共振，从而在工件内部通过共振能量产生微小的塑性变形，消除或均匀化残余应力，将残余应力导致的歪曲晶格恢复到平衡状态。采取振动时效的方法具有效果好、效率高、生产周期短等优点。
4结语
综上所述，在实施大型钢结构焊接的施工中，为了避免焊接发生不必要的变形，可以采取一些比较简单并便于操作的措施。本文对大型钢结构焊接变形控制工艺进行了具体分析和研究，希望对提高大型钢结构焊接施工质量起到一定作用。
参考文献：
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[3]崔勇力．BZ28—2S海上平台大型钢结构安装焊接变形控制措施[J]．金属加工（热加工），2015（14）
论文作者:陈东昱
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2016年3月第5期
论文发表时间:2017/1/4
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