大型钢结构焊接变形及防控纠正

知识点：焊接处弯曲

焊接变形指的是钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形为焊接变形。包括缩短、角度改变、弯曲变形等。焊接变形对结构安装精度有很大影响，过大的变形将显著降低结构的承载能力

　　随着国民经济的不断发展，国内结构设计越来越多的采用了大型钢结构的形式。与其他形式和材料相比，大型钢结构有很多的优良性能，比如强度高，塑性韧性好；材质均匀，相对重量轻；良好的工艺性能；施工周期短；便于回收等等。钢结构的连接普遍采用焊接的方式，但是由于部分钢结构外形尺寸较大、焊接工艺不合理等等因素造成大型钢构发生变形，不仅仅影响了钢结构的外观和使用性能，更是直接影响到钢结构使用的安全性和可靠性。

　　1、变形纠正

　　焊接难免都会出现变形，特别是大型钢结构的焊接，焊接变形量的控制更加困难，但是为了达到设计和规范的要求，针对部分焊接出现变形的位置需要进行焊接结构件的矫正。

　　对于出现的焊接变形可以采用火焰加热的办法矫正，还可以采用机械的办法敲打、外力拉等方式，如果是较大位置或者较大变形，还可以采用综合火焰纠正和机械矫正等多种方式共同作用的综合矫正方法。但特别需要注意的是火焰矫正方法中，火焰温度不可过高，不可以超过800℃，否则会引起钢材变脆，影响冲击性能；不可以在蓝脆的温度阶段对钢结构施加机械外力的敲打拉伸等，容易产生断裂；火焰矫正需要考虑对结构件其他部位的影响。

　　2、钢结构变形类型

　　在焊接大型钢结构的过程中，由于对焊接大型钢结构部件进行了局部的、不均匀的加热，这是产生焊接应力和变形的根本原因。在焊接过程中焊接电弧产生了高温，从而使钢结构在焊缝及其周围产生了不同程度的膨胀，另外焊接完成后在大型钢结构焊接构件内存在焊接残余变形，其中焊接残余变形是对钢结构影响最大、破坏性最强的变形类型，它不仅仅影响局部变形，甚至造成整体变形过大而使整个结构报废。

　　焊接残余变形按其表现的特征可分为：收缩产生的变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形和错边变形等；按其对整个结构影响程度不同，可分为整体变形和局部变形。局部变形有角变形和波浪变形等；整体弯曲变形、扭曲变形、收缩变形等属于整体变形。而大型钢结构发生较多、影响较大的变形类型是结构整体焊接变形。

　　3、钢结构变形原因

　　造成大型钢结构件焊接变形的因素主要有设计和工艺两个方面。设计方面指结构设计的不合理，比如焊缝的位置设置不合理、焊接坡口的形式不适合等；钢结构不具有可靠的刚度，不能够抵抗拉伸和弯曲变形的能力。钢结构的刚度主要取决于结构的截面形状和尺寸的大小，就比如工字梁的弯曲变形主要取决于截面的抗弯刚度。大型钢结构整体的焊接顺序和对称性对整体结构的影响巨大，如果焊接顺序和对称性布置较好，构件的变形主要就是线性变形，否则就会发生扭曲等多种复杂、难以控制的变形。

　　工艺方面指不合理的焊接工艺规程，装焊顺序，采用不适合的防变形和反变形方法，以及不能及时的采取的消应力措施等，焊接工艺对焊接变形的影响主要是焊接电流偏大，焊条直径较粗，使得焊接速度较慢，可能导致局部的不均匀受热，造成焊接变形过大。较厚的钢材焊接时，经常还会采取多层多道焊接，逐层焊接过程中都有焊接变形的存在，层数越多，焊接变形越大。

　　4、防止变形措施

　　针对安庆石化改扩建项目使用的大型加热炉钢结构装置，长度达17米，宽9.3米，高8.25米。为了防止制造过程中出现大的焊接变形，我们从设计到工艺采取了各种防控措施，有效的控制了钢结构的焊接变形，确保了工程质量。

　　首先，优化焊接构造设计

　　安庆加热炉为了达到控制焊接变形的目的，我们首先从控制焊缝的数量和大小入手。钢结构焊缝数量越多、尺寸越大，焊接时的热输入量也越多，造成的焊接变形也更大，因此，在安庆石化加热炉钢结构焊接节点构造设计时，尽量的控制了焊缝的数量和大小，尽可能的减少焊接变形。立柱设置的位置处于构件截面的对称处，结构中性轴焊接节点的位置设置的H350型钢在构件截面的中性轴对称位置，每侧钢结构由中间向两侧均布的3条H350型钢组成，两端两条由H300型钢焊接，采用对称设置的方式，避免了单向焊接大的变形可能。焊接柱头节点选择对称和均布形式，在满足设计强度的情况下选用尽可能小的刚性节点形式，这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形。

　　其次，优化工艺措施

　　①组对和焊接顺序。安庆加热炉钢结构的组对设置在一个标准的水平面平台上进行，该平台强度和平整度满足制造要求的工字梁框架焊接而成，不会出现钢构件失稳和下沉的现象，可以满足钢结构组对的基本要求。焊接过程中采用对称焊接和跳焊法来避免局部过热变形和焊接变形，比如在柱头位置采用双面同时和焊接的对称焊接，在外侧小的加强梁位置采用跳焊方法；在柱脚大尺寸坡口焊接过程中采用小锤敲击焊缝的方法减小拉应力。此外，组对和焊接过程中保证了焊接接头热量均匀，消除应力并减少变形；焊缝保证对接间隙、坡口角度、搭接长度的尺寸无误，形式、大小与构件的设计和焊接规范一致。

　　②采用预先反变形。大型钢结构焊缝在冷却过程会产生收缩反应，减小工件焊接后的尺寸或产生变形，为了尽可能的减小热胀冷缩带来的变形影响，在大型构件焊接时常用预先反变形的方法。反变形方法是在进行焊接前使构件预先发生变形，使变形方向和焊接变形方向相反、变形量大小基本相等。比如，在焊接两侧侧墙柱头时，为了防止柱头焊接后单向弯曲变形，在焊接前预先在背面施加压力，使H型钢产生一个小的变形，在焊接柱头后，由于冷却收缩拉力，刚好使钢结构立柱变形拉回，保证了整体尺寸的垂直度。

　　③提前增加刚度。在焊接大型钢结构之前，事先在主要框架焊接前增加大型工字梁等来提高整体刚度，减小整个结构的变形。

　　④配钻组对焊接。安庆加热炉钢结构制造采用先确定整体框架尺寸，在平台四周焊接工字梁，保证整体尺寸不产生偏差，各连接部件采用配钻连接组焊的方法。框架焊接完成后再将小的节点部位焊接，最后焊接面板的方式，组焊时不采用较大外力强制拼装，以防止零部件过度焊接应力和较大约束力带来的变形。

　　通过以上措施，有效的控制了安庆加热炉钢结构的焊接变形，达到了确保工程质量的目的。

　　5、结论

　　通过长期对大型钢结构的制造总结和安庆加热炉的钢结构设计施工过程，我们掌握了大型钢结构焊接过程，防止变形的预防性措施和科学合理的结构设计和焊接工艺，可以提高整个大型钢结构的焊接质量和工程质量，可以减少或避免大型钢结构焊接后出现的变形，减少矫正工作量并提高整个制造过程的工作效率。

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