钢构件焊接变形与火焰矫正工艺初探-论文发表

钢构件焊接变形与火焰矫正工艺初探
林毅俊
【摘要】:本文根据笔者多年经验并结合有关技术资料，阐述了焊接变形的成因、火焰矫正的原理等方面的内容，对矫正工艺进行了初步探讨。
关键词：焊接变形温度应力火焰矫正
0 引言
目前，钢结构已在各类建筑中得到广泛的应用。而钢构件在制作过程中大量采用了焊接工艺。这些构件在制作过程中都存在焊接变形问题，如果焊接变形不予以矫正，则不仅影响结构整体安装，还会降低工程的安全可靠性。实践证明，多数变形的构件是可以通过矫正工艺使其符合产品质量要求的。构件在生产过程中普遍应用的矫正方法，主要有机械矫正、火焰矫正和综合矫正。但火焰矫正是现场制作的钢构件过程中使用最多、且较难操作的矫正工艺。方法掌握、温度控制不当还会造成构件新的更大变形。因此，火焰矫正需要丰富的实践经验。火焰矫正效果的好坏，关键在于正确地选择加热位置和加热温度。本文正是对钢结构焊接变形的种类以及火焰矫正工艺的初步探讨。
1 焊接应力的成因
钢构件在焊接过程中，随着焊接区的温度变化可以产生三种内应力，即温度应力、组织应力和构建自身受到约束的约束应力。若温度应力低于材料的屈服极限，则焊后变形可消失；若大于屈服极限时，则焊后接头局部区域就产生塑性变形。在自然冷却过程中，处于弹性状态部分的收缩将受到塑性变形部分的阻碍，因而产生残余应力。
2 火焰矫正的原理
钢材是由钢坯轧制而成的，在长度方向可以看成由许多纤维组成。任何变形均是其内部纤维的长短不等而造成的。矫正的原理就是使纤维较短部分伸长或使纤维较长部分缩短，直至各层纤维的长度趋于一致。在焊件内应力中，总是伴生着拉伸应力与压缩应力，应力与弹性变形同时存在。钢材的温度升高，屈服强度下降，原有的弹性应变会成为塑性应变，从而使应力松弛。在一定温度范围内，加热温度越高，内应力消除越充分。
3 焊接变形的种类与火焰矫正工艺
焊接变形的基本形式有角变形、弯曲变形、波浪变形。焊接变形经常采用以下三种火焰矫正方法：①线状加热法。矫正变形量大及刚性大的焊接结构时，可进行线状加热。此时，火焰沿直线方向移动，也可同时在宽度方向作横向摆动。宽度一般约为钢材厚度的0.5～2倍。②点状加热法。火焰加热矫正时，可根据不同情况加热一点或数点。焊件较厚，则加热点的直径要大；焊件较薄，加热点直径要小一些。一般加热点直径不＜20～30mm。焊件变形量大，加热点间距要小，其间距一般在50～100mm。矫正过程中，每加热一点后应立即捶打加热点。在矫正薄板波浪变形时，最好再加热点周围浇水冷却并锤击。③三角形加热法。这种加热的收缩量较大，常用于厚度较大、刚性较强的焊接件的弯曲变形。下面以应用最为广泛的H型钢构件为例介绍解决不同部位的施工方法。
3.1 火焰矫正时的加热温度（材质为低碳钢）
种类温度冷却方式
低温矫正 500度～600度水
中温矫正 600度～700度空气和水
高温矫正 700度～800度空气
3.2 注意事项
火焰矫正时加热温度不宜过高，过高会引起金属变脆、影响冲击韧性。16Mn在高温矫正时不可用水冷却，包括厚度或淬硬倾向较大的钢材。
3.3 翼缘板的角变形
在翼缘板上面（对准焊缝外）纵向线状加热（加热温度控制在650度以下），注意加热范围不超过两焊脚所控制的范围，所以不用水冷却。线状加热时要注意：（1）不应在同一位置反复加热；（2）加热过程中不要进行浇水。这两点是火焰矫正一般原则。
3.4 H型钢构件上拱与下挠及弯曲
在翼缘板上，对着纵长焊缝，由中间向两端作线状加热，即可矫正弯曲变形。为避免产生弯曲和扭曲变形，两条加热带要同步进行。可采取低温矫正或中温矫正法。这种方法有利于减少焊接内应力，但这种方法在纵向收缩的同时有较大的横向收缩，较难掌握。翼缘板上作线状加热，在腹板上作三角形加热。用这种方法矫正柱、梁、撑的弯曲变形，效果显著，横向线状加热宽度一般取20—90mm，板厚小时，加热宽度要窄一些，加热过程应由宽度中间向两边扩展。线状加热最好由两人同时操作进行，再分别加热三角形三角形的宽度不应超过板厚的2倍，三角形的底与对应的翼板上线状加热宽度相等。加热三角形从顶部开始，然后从中心向两侧扩展，一层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时温度不能太高，否则造成凹陷变形，很难修复。以上三角形加热方法同样适用于构件的旁弯矫正。加热时应采用中温矫正，浇水要少。
3.5 柱、梁、撑腹板的波浪变形
矫正波浪变形首先要找出凸起的波峰，用圆点加热法配合手锤矫正。加热圆点的直径一般为50～90mm，当钢板厚度或波浪形面积较大时直径也应放大，可按d＝（4δ＋10）mm（d为加热点直径；δ为板厚）计算得出值加热。烤嘴从波峰起作螺旋形移动，采用中温矫正。当温度达到600～700度时，将手锤放在加热区边缘处，再用大锤击手锤，使加热区金属受挤压，冷却收缩后被拉平。矫正时应避免产生过大的收缩应力。矫完一个圆点后再进行加热第二个波峰点，方法同上。为加快冷却速度，可对Q235钢材进行加水冷却。这种矫正方法属于点状加热法，加热点的分布可呈梅花形或链式密点形。注意温度不要超过750度。
4 结语
火焰矫正并非绝对有利．一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，但是，试件的冲击韧性试验表明，火焰矫正对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。火焰矫正是依靠高温下材料强度的降低来实现消除应力的，因此，在火焰矫正时，结构有可能失去刚性，对于采用整体或局部火焰矫正的结构，必须考虑焊件本身在高温下的自支承能力，根据构件的具体结构和承载状态选择合适的热处理温度和时间。再者，火焰矫正引起的应力与焊接内应力一样都是内应力。不恰当的矫正产生的内应力与焊接内应力和负载应力迭加，会使构件超过允许承载，从而导致承载安全系数的降低。因此，研究、应用合理的焊接工艺对于减小焊接应力及提高钢构件制作质量更具有重要性。
［参考文献］
［1］中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册中国计划出版社 2002.
［2］焊接工程师手册机械工业出版社 2002
［3］焊接变形的控制技术机械工业出版社 2006