鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形與應(yīng)力分析

1、鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形與應(yīng)力分析摘 要 近年來，隨著我國的工業(yè)發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程因其結(jié)構(gòu)性能好、結(jié)構(gòu)組織均勻、強度高、彈性模量高、塑性和韌性好，適于承受沖擊和地震荷載、要求施工速度快、節(jié)能環(huán)保、便于機械化生產(chǎn)和工業(yè)化程度高等很多優(yōu)越條件，因此鋼結(jié)構(gòu)工程在建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 本課題主要對H型鋼焊接變形與應(yīng)力進行研究，主要內(nèi)容包括H型鋼結(jié)構(gòu)概述、H型鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝、H型鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力與變形分析、典型H型鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)工藝等，本文通過研究分析H鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力與變形的類型及原因，以指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，焊接變形，應(yīng)力，強度STEEL STRUCTURE WELDING DEFORMATIO

2、NAND STRESS ANALYSIABSTRACTIn recent years, along with China's industrial development, steel structure engineering because of its structure performance is good, structural organization uniformity, high strength, high modulus of elasticity, plasticity and toughness, suitable for bear impact and t

3、he seismic load, construction speed and facilitate the mechanization of manufacturing and higher degree industrialization superior conditions, so many steel structure engineering in architecture has been widely used. But, can't deny, steel structure still exist defects and hidden trouble. Steel

4、structure welding process is the welding deformation and the welding stress wait for blemish. Steel structure welding process is actually in welding after heating and cooling local area, but due to the solidification process of non-uniform temperature field, causing welding uneven expansion and cont

5、raction, thereby internally generated welding welding stress and cause the welding deformation. This paper mainly analyzes the steel structure types and reasons of the welding deformation and stress elimination. KEY WORDS: steel structure， The welding deformation， Stress， Strength目錄鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形與應(yīng)力分析I摘 要

6、I前言1第一章 鋼結(jié)構(gòu)的組成及發(fā)展31.1 鋼結(jié)構(gòu)主要組成部分31.2 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景31.2.1 H型鋼的廣泛應(yīng)用與鋼結(jié)構(gòu)建筑形式的多元化發(fā)展31.2.2 鋼結(jié)構(gòu)住宅前景廣闊4第2 章 H型鋼概述62.1 H型鋼優(yōu)點、適用范圍62.1.1 H型鋼使用中有以下顯著優(yōu)點：62.1.2 H型鋼適應(yīng)范圍62.2 H型鋼結(jié)構(gòu)對連接的要求6第3章H型鋼焊接工藝及變形83.1 H型鋼焊接工藝設(shè)計83.1.1 H型鋼結(jié)構(gòu)特點83.1.2 H型鋼的制作要點：83.1.3 焊接過程中的難點：93.1.4 產(chǎn)生變形原因93.2 焊接工藝分析93.2.1 熔透焊（級）的難點：93.2.2 焊接工藝方案103.2.

7、3 焊接工藝方法103.2.4 焊接變形控制與矯正113.2.5 采取的預(yù)防方法和產(chǎn)生的效果11第4章 H型鋼的應(yīng)力與變形分析134.2 H型鋼焊接應(yīng)力與變形144.2.1 縱向殘余應(yīng)力144.2.2 橫向殘余應(yīng)力154.2.3 厚度方向的殘余應(yīng)力164.2.4 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因165.1焊接變形的基本類型分析和原因分析35.1.2 工藝措施45.2 柱、梁、撐的上拱與下?lián)霞皬澢?結(jié) 論6謝 辭7參考文獻8前言鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展有悠久的歷史。鋼結(jié)構(gòu)是由型鋼和鋼板通過焊接、螺栓連接或鉚接而制成，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。 鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程中較普通的結(jié)構(gòu)形式之一。我國是最早用鐵制造承重結(jié)構(gòu)的

8、國家，遠在秦始皇時代(公元前246-219年)，就已經(jīng)用鐵做簡單的承重結(jié)構(gòu)， 而西方國家在17世紀才開始使用金屬承重結(jié)構(gòu)。公元3-6世紀， 聰明勤勞的我國人民就用鐵鏈修建鐵索懸橋，著名的四川瀘定大渡河鐵索橋，云南的元江橋和貴州的盤江橋等都是我國早期鐵體承重結(jié)構(gòu)的例子。 在世界上鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展也很迅速，1960 日本積水（SEKISUI HOUSE）公司推出A型鋼結(jié)構(gòu)住宅。1961 建成北京工人體育館。中國現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)的開始。 1962 日本大和公司推出A型鋼結(jié)構(gòu)住宅。 1965 日本松下住宅推出R2N型鋼結(jié)構(gòu)住宅。1970 當(dāng)時世界最高大廈紐約世界貿(mào)易大廈建成，高410米 1973 當(dāng)

9、時最高的芝加哥西爾斯大廈Sears Tower完工，110層，高442米。1974 中國頒布TJ 17-44 （半概率，半經(jīng)驗的設(shè)計法）。鋼結(jié)構(gòu)因其技術(shù)成熟、施工周期短、易于回收等獨特優(yōu)勢，得到了迅速發(fā)展和普遍應(yīng)用。而焊接作為一項重要的鋼結(jié)構(gòu)制作和連接技術(shù)，但隨之帶來的焊接變形與應(yīng)力問題也日益突出。金屬構(gòu)件焊接時，焊縫區(qū)域局部受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)式或加熱溫度不高，因而對受熱區(qū)域母材的膨脹起約束作用，因而焊接區(qū)受壓，而母材受拉；隨著電弧前移，已完成焊接的熱影響冷卻收縮，而其周圍的母材此時起到了約束其收縮的作用，因而焊縫區(qū)域受拉，而其周圍的母材金屬受壓。在焊接應(yīng)力作用下，如果焊件的拘束

10、度較小，則焊件會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，如縮短、彎曲、翹曲等；如果焊件的拘束度很大，此時焊件不能自由變形，但在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生局部的應(yīng)變，同時產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。焊接應(yīng)力是指對鋼構(gòu)件進行焊接加工過程中，在焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處溫度可達1800，局部高溫使材料產(chǎn)生不均勻的膨脹。處于高溫區(qū)域的材料受到周圍溫度較低、膨脹量較小的材料的限制而不能自由地進行膨脹，于是焊件內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，使高溫區(qū)的材料受到擠壓，產(chǎn)生局部壓縮塑性應(yīng)變，在冷卻過程中，經(jīng)受壓縮塑性應(yīng)變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)了一個與焊件加熱方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。另外，由于構(gòu)件受到焊接熱循環(huán)的作用，使焊

11、縫金屬的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的變化，引起了因金屬組織轉(zhuǎn)變而造成體積上的變化。產(chǎn)生相變應(yīng)力。除上述兩種原因外，如果焊件被剛性固定或焊件之間相互牽制住，也會在焊接件中產(chǎn)生焊接應(yīng)力，上述因素就是焊接殘余應(yīng)力的形成過程鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程實際上是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的過程。但由于不均勻溫度場，導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力而引起焊接變形。本課題主要從H型鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形與應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的影響來分析。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的組成及發(fā)展 1.1 鋼結(jié)構(gòu)主要組成部分鋼結(jié)構(gòu)是由型鋼和鋼板通過焊接、螺栓連接或鉚接而制成，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。 鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程中較普通的結(jié)構(gòu)形式之一。

12、鋼結(jié)構(gòu)為確保達到保溫效果，在建筑物的外墻和屋面中使用的保溫隔熱材料能長期使用并能保溫隔熱。邁特建筑輕鋼結(jié)構(gòu)住宅一般除了在墻的墻柱間填充玻璃纖維外，在墻外側(cè)再貼一層保溫材料，有效隔斷了通過墻柱至外墻板的熱橋;樓層之間擱柵內(nèi)填充玻璃纖維，減少通過樓層的熱傳遞;所有內(nèi)墻墻體的墻柱之間均填充玻璃纖維，減少戶墻之間的熱傳遞。1.2 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景 近年來輕鋼結(jié)構(gòu)建筑在國內(nèi)以施工進度快(構(gòu)件為預(yù)制，與土建基礎(chǔ)部分可同時施工) 、外形色彩美觀、時尚、環(huán)保(拆除時較混凝土結(jié)構(gòu)易處理) 得到較快發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)形式，大多采用的是焊接H型鋼。作為鋼結(jié)構(gòu)主體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，H型鋼已被業(yè)內(nèi)專家認為是今后的發(fā)展趨勢。據(jù)

13、統(tǒng)計2005年我國H型鋼需求量約250萬噸，2010年需求量500萬噸，但目前我國H型鋼年生產(chǎn)能力為120萬噸，市場需求量非常巨大。 H型鋼的廣泛應(yīng)用與鋼結(jié)構(gòu)建筑形式的多元化發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑形式的多元化、多樣化，促進了鋼結(jié)構(gòu)形式多種多樣。有普通鋼結(jié)構(gòu)、薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)、門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、壓型鋼板結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)焊接和高強度螺栓連接、鋼與混凝土結(jié)合樓蓋、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及鋼骨（型鋼）混凝土結(jié)構(gòu)等等。如：輕鋼結(jié)構(gòu)，目前在國際上，特別是在我國，是被重點推薦的一種結(jié)構(gòu)形式。它具有重量輕、經(jīng)濟性好等特點，目前在各種屋蓋結(jié)構(gòu)及單層房屋中得到廣泛應(yīng)用。在中、小跨度的屋蓋中，輕型鋼及輕

14、型鋼管拱型結(jié)構(gòu)（平面曲線材架）也是較多采用的形式之一。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)的建造中越來越多，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力性能與設(shè)計也得到了普遍關(guān)注。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式較多，有空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、單樁層面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。鋼管結(jié)構(gòu)因其形式多樣，結(jié)構(gòu)靈活多變，可與其他鋼結(jié)構(gòu)相互關(guān)連，更是城鎮(zhèn)建設(shè)中大型建筑常見的結(jié)構(gòu)形式。目前一些造型優(yōu)美的體育場館如“鳥巢”、機場候機樓和會展中心應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)等都采用了這些形式。不過，螺旋焊管在高層大廈、重工業(yè)廠房等重鋼結(jié)構(gòu)中新的應(yīng)用，都使熱軋H型鋼在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。 鋼結(jié)構(gòu)住宅前景廣闊輕鋼結(jié)構(gòu)住宅也是近10年來發(fā)展最快的領(lǐng)域，在美國采用輕型鋼結(jié)

15、構(gòu)占非住宅建筑投資的50%以上。這些結(jié)構(gòu)工業(yè)化、商品化程度高，施工快，綜合效益高，市場需求量很大，已引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員認識。輕鋼住宅的研究開發(fā)已在各地試點，是輕鋼發(fā)展的一個重要方向，目前已經(jīng)有多種低層、多層和高層的設(shè)計方案和實例。鋼結(jié)構(gòu)住宅通用體系用于民用住宅，具有獨特的優(yōu)勢，與其它住宅通用體系相比，其主要特點是：1 自重輕，可減輕建筑物的重量約30%，有利于建設(shè)高層，特別是在地質(zhì)承載力低的地方和地震烈度較高的地方，其綜合經(jīng)濟效益優(yōu)于一般住宅建筑體系。2 布置靈活，開間大，房型豐富，約可提高建筑面積3%5%。具有充分的靈活性、可改性和安全性，有利于滿足現(xiàn)代人的居住需要，適應(yīng)現(xiàn)代住宅的市場需求。

16、3 可以工廠化生產(chǎn)，更易實現(xiàn)工業(yè)化、定型化、批量化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率。4 施工周期大大縮短。據(jù)研究，鋼結(jié)構(gòu)建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可縮短一半，減少作業(yè)量，且其節(jié)能指標可達50%，屬環(huán)保型綠色建筑體系。鋼結(jié)構(gòu)住宅因其可做到大跨度、大空間，分隔使用靈活，而且施工速度快、抗震有利的特點，必將對我國傳統(tǒng)的住宅結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沖擊。但由于受到相關(guān)領(lǐng)域如墻體材料、消防驗收的制約，特別是在工業(yè)化、城市化快遞進程中，人們環(huán)保意識淡薄，勞動力成本低等因素，導(dǎo)致住宅鋼結(jié)構(gòu)在我國短時間內(nèi)難以形成規(guī)模。一旦住宅鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)上取得突破性進展，逐步取代傳統(tǒng)建筑形態(tài)進入住宅建設(shè)市場，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)將引來爆發(fā)性的增長。第2

17、章 H型鋼概述2.1 H型鋼優(yōu)點、適用范圍2.1.1 H型鋼使用中有以下顯著優(yōu)點：2.1.2 H型鋼適應(yīng)范圍鋼船舶機械鋼結(jié)構(gòu)對連接的要求基本構(gòu)件通過連接制成整體結(jié)構(gòu)。例如：屋架。在H型鋼結(jié)構(gòu)中，連接的設(shè)計、制作、安裝占有很重要的地位，所以設(shè)計時，在選用合理的連接方式時，應(yīng)考慮以下問題：1 連接設(shè)計與結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時的假定相一致；2 連接設(shè)計應(yīng)選擇最不利的荷載工況；2 傳力直接、明確，避免應(yīng)力集中；4 節(jié)點的變形協(xié)調(diào)；5 避免偏心的影響；6 連接的方式應(yīng)避免在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力；7 利用厚鋼板時，應(yīng)避免層間撕裂；8 連接的構(gòu)造簡單，便于施工。第3章H型鋼焊接工藝及變形成品（軋制）H型鋼規(guī)格有

18、限，大部分的H型鋼均需拼裝焊接制造，為了保證焊接質(zhì)量，需制定相關(guān)工藝措施。 3.1 H型鋼焊接工藝設(shè)計3.1.1 H型鋼結(jié)構(gòu)特點近年來，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑在國內(nèi)因施工進度快（構(gòu)件為預(yù)制，與土建基礎(chǔ)部分可同時施工）、外形色彩美觀、時尚、環(huán)保（拆除時較混凝土結(jié)構(gòu)易處理）等得到較快發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)形式，大多采用的是焊接H型鋼制作而成。焊接H型鋼是由3塊一定規(guī)格尺寸的鋼板組焊而成，如圖3-1。兩塊翼板和腹板通過兩個T型接頭結(jié)合成整體。這種結(jié)構(gòu)形式雖然簡單，但對外觀要求較高。因此，對焊接變形的控制、校正尤其重要。圖3-1 焊接H型鋼3.1.2 H型鋼的制作要點：1 要求全焊透（熔透焊），無損檢測應(yīng)達到GB113

19、45之級標準。2 鋼梁連接板處的焊縫也是同樣的要求。3 翼緣板與腹板焊接后的角變形3mm(國家標準3mm)。3.1.3 焊接過程中的難點：1 對于H型鋼的熔透焊（鋼板厚度=25mm）的焊接量非常大。2 在焊接中，容易出現(xiàn)以下幾種較難處理的變形（非對稱）：翼緣板與腹板焊接變形，見圖3-2；連接板與H型鋼焊接變形，見圖3-3。 圖3-2 翼緣板與腹板焊接變形 圖3-3 連接板與H型鋼焊接變形 產(chǎn)生變形原因產(chǎn)生變形的原因是焊接應(yīng)力。金屬焊接是局部加熱、熔化的過程。焊縫加熱區(qū)受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)或加熱溫度不高狀態(tài)，因而對焊接區(qū)受熱母材的膨脹起約束作用， 焊接區(qū)因此受壓應(yīng)力，而母材受拉應(yīng)力。

20、隨著電弧的前移，已完成的焊縫和熱影響區(qū)冷卻并收縮，而周圍的母材起約束其收縮作用。在這種作用下產(chǎn)生的是焊接應(yīng)力，金屬冷卻后還存在焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力（橫向、縱向及母材厚度方向）根據(jù)應(yīng)力大小及構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、約束程度的不同，產(chǎn)生的變形方向也不相同，因而產(chǎn)生變形結(jié)果也不相同。3.2 焊接工藝分析3.2.1 熔透焊（級）的難點：1 焊縫集中，鋼板較厚（=25mm）。2 位置狹小，不便操作。3 構(gòu)件長，重量大，擺放、翻身較困難。3.2.2 焊接工藝方案根據(jù)上述情況，工藝的制定主要是滿足焊透及焊后的變形控制。由于板厚按常規(guī)焊接，這樣的規(guī)格大多數(shù)采用K型坡口形式。這種坡口形式焊接的優(yōu)點是：焊縫對稱，焊接填

21、充量少，焊后的變形及整體側(cè)彎較小。但由于操作位置小，清根很難，內(nèi)部質(zhì)量很難保證。根據(jù)這樣的情況，技術(shù)人員制定了單面40°45°的坡口，留鈍邊。采用CO2氣體保護焊填充、背面清根的工藝。3.2.3 焊接工藝方法在操作過程中為防止變形（T型焊縫的角變形及整體構(gòu)件側(cè)彎超差），各零件的尺寸要精確，在組對時要做到“頂緊”。由于焊縫交叉處4050mm范圍內(nèi)無法清根（碳弧氣刨、磨光機都因位置限制無法處理），因此在零件下料時4個角50mm范圍內(nèi)短2mm組對時此處預(yù)留出23mm組對間隙， 選用CO2氣體保護焊，因其焊絲的直徑只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力強可保證焊透；由于是氣體保護，

22、不易出現(xiàn)夾渣，同時受熱面積小，焊后的變形量也較小。為防止整體側(cè)彎和保證焊縫外形的美觀，構(gòu)件要在專用平臺上焊接。所有的焊縫填充時不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置盡可能焊平角縫，少焊立縫。為加快施工進度，背面清根選擇在構(gòu)件側(cè)立時，即一側(cè)焊接另一側(cè)清根同時進行。依據(jù)情況具體確定參數(shù)見表3-1。表3-1 CO2氣體保護焊參數(shù)表項目焊絲直徑（mm）焊接電流（A） 電弧電壓（V）CO2氣體保護焊1.218020025353.2.4 焊接變形控制與矯正前面從理論上表明焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接變形的原因，是焊接過程中不可避免的問題。消除焊接應(yīng)力對于這種鋼結(jié)構(gòu)件從經(jīng)濟的角度是不可取的，解決的辦法通常有三種：一是

23、預(yù)變形，對于結(jié)構(gòu)簡單、零部件組合較單一的構(gòu)件易采用；二是使之對稱變形，H型鋼焊接通常產(chǎn)生的角變形（對稱），用H型鋼矯直機可解決；三是變形后的矯正。對于前面提到的兩種變形（見圖3-2、圖3-3）是處理較困難的變形。這些變形產(chǎn)生的原因，對于圖3-2的變形來說與焊接順序及兩側(cè)焊接線能量不均有關(guān)。這種變形一般采用火焰加熱方法矯正，對于個別變形量較大還需配千斤頂支撐。 表3-2 埋弧焊H型鋼焊接參數(shù)表板厚（mm）焊絲牌號及規(guī)格焊劑牌號焊接電流（A）電弧電壓（V）焊速（m/min）25 H08MnA，5mm焊劑4317307503638183.2.5 采取的預(yù)防方法和產(chǎn)生的效果1 用兩面同時打底焊接，自動

24、焊使用相同的焊接工藝參數(shù)。若使用手工焊可采用對稱的焊接順序，以及翼緣板固定在鋼平臺上施焊等。2 組對時采用預(yù)變形的方法來控制，見圖3-4（數(shù)字經(jīng)實踐驗證效果理想，埋弧焊H型鋼焊接參數(shù)見表3-2）。對于圖3-3的變形，產(chǎn)生的原因是腹板與連接板要求焊透，焊接時熱量過大而產(chǎn)生的，這種變形產(chǎn)生后矯正較為困難。矯正的方法是采用火焰加熱（加熱區(qū)域見圖3-5涂黑處）。加熱的溫度應(yīng)在正火溫度以內(nèi)600800。C，鋼板的外觀呈暗紅色。這種方法實際是將上、下翼緣板“烤短”（即使鋼板經(jīng)加熱冷卻后收縮），因此，根據(jù)實際情況在下料預(yù)留焊接收縮余量時考慮進去收縮余量值一般根據(jù)經(jīng)驗留取，也可以利用經(jīng)驗公式計算。這種“烤短”

25、方法雖然可行，但對操作工人的技術(shù)、經(jīng)驗要求較高，況且非常費時、費氣（氧、乙炔）。如何控制這種變形，所采取的方法是在保證焊透的前提下，盡可能減小坡口角度。使用CO2氣體保護焊，挑選技術(shù)較好的焊工施焊，減少返修（清根）等來控制，此方法 鋼結(jié)構(gòu)制作過程中取得較好的效果。 圖3-4 預(yù)變形法控制變形 圖3-5 矯正變形加熱區(qū)域第4章 H型鋼的應(yīng)力與變形分析焊接時，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。4.1 H型鋼焊接變形種類及影響因素由于H型鋼點固時的剛性較低又采用了大線能量焊接，H型鋼的焊接變形是嚴重的，而GB 50205295鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范

26、中對H型鋼的幾何尺寸要求十分嚴格， 因此，嚴格控制焊接變形對于H型鋼的焊接非常重要。H型鋼的焊接變形主要是角變形、彎曲變形、扭曲變形等，如圖4-1 所示。1 角變形角變形的產(chǎn)生是由于焊接時溫度在翼板厚度方向分布不均引起的?？刂品椒ㄖ饕遣捎脛傂怨潭ù胧?，但在埋弧自動焊中不適合采用，因此，H型鋼的角變形一般是通過焊后的機械矯正來消除的。2 彎曲變形圖4-1 焊接變形形式彎曲變形是由于焊接時溫度在腹板上分布不均引起腹板的縱向收縮產(chǎn)生的。其控制方法是采取控制焊接順序和焊接線能量等措施。如采用對稱焊接，并保證各條焊縫線能量的一致。3 扭曲變形扭曲變形是由于工件裝配質(zhì)量不好及焊接順序和焊接方向不當(dāng)引起的

27、，其控制方法是采取剛性固定并嚴格控制焊接順序和焊接方向。4.2 H型鋼焊接應(yīng)力與變形金屬焊接時在局部加熱、熔化過程中，焊縫區(qū)受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)或加熱溫度不高，因而對焊縫區(qū)的膨脹起約束作用。焊縫區(qū)產(chǎn)生塑性壓縮變形，冷卻后經(jīng)過塑性壓縮的焊縫區(qū)由于金屬體積變小而產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而在該拉應(yīng)力的作用下使相鄰焊縫兩側(cè)的母材金屬產(chǎn)生了壓應(yīng)力，這兩種力就是我們常說的焊接應(yīng)力。按焊縫殘余應(yīng)力的分布方向我們可以把它分成三種：沿焊縫長度分布的縱向殘余應(yīng)力x，橫向分布的應(yīng)力y，厚度方向分布的z。4.2.1 縱向殘余應(yīng)力該應(yīng)力是由于焊縫的縱向收縮引起的，在焊縫區(qū)產(chǎn)生的是拉應(yīng)力，母材區(qū)產(chǎn)生的為壓應(yīng)力，該數(shù)值的

28、大小取決于鋼材的塑性，鋼號越高其數(shù)值越大。另外在焊縫的引弧區(qū)和收弧區(qū)段數(shù)值較小，中間區(qū)段數(shù)值較大，其分布情況見圖4-2。圖4-2 縱向殘余應(yīng)力x分布示意圖由圖4-2 可以看出，縱向殘余應(yīng)力在焊縫兩端由小到大變化，是過渡區(qū)，中間部分數(shù)值較為穩(wěn)定。在該應(yīng)力的作用下H型鋼會產(chǎn)生縱向收縮變形，計算公式如下: （4-1）式中的A為焊縫截面積（mm2）；A 為桿件截面積（mm2）；L 為桿件長度（mm）；L為縱向收縮量（mm）；K1為焊接方法、材料熱膨脹系數(shù)和多層焊層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，對于不同焊接方法，系數(shù) K1的數(shù)值不同，當(dāng)用CO2焊時，K1=0.043；當(dāng)用埋弧焊時，K1=0.0710.076；當(dāng)用手工電

29、弧焊時，K1=0.0480.057。對焊接 H型鋼來講，由于四道主焊縫均偏離中性軸，因此任何一道焊縫的收縮都會產(chǎn)生撓度，由縱向收縮引起的撓度值 f(cm)的計算公式如下： （4-2） 式中的e為焊縫到構(gòu)件中性軸的距離(cm )；L 為桿件長度(cm)；Aw為焊縫截面積(cm2)；I 為桿件截面慣性矩(cm4)；Kf為系數(shù)(數(shù)值同K1 )。4.2.2 橫向殘余應(yīng)力在焊接過程中由于焊縫沿長度方向各部分的橫向收縮，隨著焊接熔化過程前移不能同時發(fā)生。先焊的焊縫冷卻后，焊縫形成約束而產(chǎn)生了橫向應(yīng)力，冷卻后形成的穩(wěn)定數(shù)值即為橫向殘余應(yīng)力。其數(shù)值的大小按板寬方向來講焊縫區(qū)最大，隨著偏離焊縫橫向距離的逐漸加大

30、而降低，橫向殘余應(yīng)力y 的分布情況見圖3-3。圖4-3 橫向殘余應(yīng)力y分布示意圖在橫向應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生橫向收縮變形，計算公式如下： （式4-3）式中的B為對接接頭橫向收縮量(mm)；Aw為焊縫橫截面積(mm2)；b為根部間隙(mm )；為板厚(mm)。橫向殘余應(yīng)力y 除了會產(chǎn)生橫向收縮變形外，還由于其在焊縫橫向和縱向數(shù)值分布的不均勻會產(chǎn)生焊后H型鋼扭曲現(xiàn)象，因此應(yīng)合理控制焊接工藝，采用鋼性裝卡，減少扭曲變形。4.2.3 厚度方向的殘余應(yīng)力在焊縫厚度方向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力為z。z是由焊縫在Z向塑性變形積累產(chǎn)生，其分布情況見圖3-4。圖4-4 z在厚度上的分布殘余應(yīng)力z對H型鋼最明顯的影響是產(chǎn)生焊接

31、角變形，降低其使用強度，因此必須加以控制。其角變形計算公式如下： （式4-4）式中的為角變形量(rad)；B為翼緣寬（mm）；為翼緣厚（mm）；hf為焊角尺寸（mm）。4.2.4 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因1 焊件的不均勻受熱2 焊縫金屬的收縮3 金屬組織的變化：鋼在加熱與冷卻過程中發(fā)生相變可得到不同的組織，這些組織的比體積不一樣，由此造成焊接應(yīng)力與變形。4 焊件的剛性和拘束：焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大。(1) 不受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形：冷卻后不會有任何殘余應(yīng)力與變形。(2) 受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形：a 當(dāng)加熱溫度T<Ts時

32、，冷卻后即不存在殘余變形也不存在殘余應(yīng)力。b 當(dāng)加熱溫度T>Ts時，可能出現(xiàn)以下三種情況： 如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形面無殘余應(yīng)力； 如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力； 如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。(3) 長板條中心加熱引起的應(yīng)力與變形，如圖4-5。(4) 長板條一側(cè)加熱引起的應(yīng)力與變形，如圖4-6。圖4-5 鋼板條中心加熱和冷卻的應(yīng)力與變形a)原始狀態(tài) b)、c)加熱過程 d)、e)冷卻過程圖4-6 鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻的應(yīng)力與變形a)原始狀態(tài) b)假設(shè)各板條的伸長 c)加熱后的變形d)假設(shè)各板條的收縮

33、e)冷卻后的變形由上述討論可知：a 對構(gòu)件進行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構(gòu)件就會產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形 。b 通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。c 焊接加熱時，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區(qū)要收縮。d 焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布是不均勻的。焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。 第五章 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與應(yīng)力的分析及防治方法作為鋼結(jié)構(gòu)制作和連接的主要技術(shù)，焊接已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝工藝之中。然而，焊接中產(chǎn)生的變形問題不僅影響了鋼結(jié)構(gòu)的外觀和使用性能

34、，如果嚴重的話甚至?xí)?dǎo)致焊件報廢，給企業(yè)造成直接經(jīng)濟損失。特別是在大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)中，這一問題表現(xiàn)得尤其突出。有鑒于此，必須對焊接變形不同類型和原因進行全面分析，并采取有力措施控制焊接變形量，以確保不斷提高生產(chǎn)效率和鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。5.1焊接變形的基本類型分析和原因分析 焊接節(jié)點構(gòu)造設(shè)計1 控制焊縫的數(shù)量和大小。鋼結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)量多、尺寸大，焊接時的熱輸入量也越多，造成的焊接變形也更大。因此，在鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點構(gòu)造設(shè)計時，應(yīng)設(shè)法控制焊縫的數(shù)量和大小，盡可能減少焊接變形。2 根據(jù)焊接工藝選擇適合的焊縫坡口的形狀和尺寸。對焊縫坡口形成與大小合理的選擇應(yīng)能夠確保鋼結(jié)構(gòu)整體的承載能力

35、充分。適當(dāng)?shù)钠驴谛螤詈痛笮?，可以通過減少截面積，進一步減少結(jié)構(gòu)的焊接變形量。3 焊接節(jié)點的位置應(yīng)處于構(gòu)件截面的對稱處。結(jié)構(gòu)中性軸焊接節(jié)點的位置應(yīng)盡可能在構(gòu)件截面的中性軸對稱位置，或盡量接近中性軸，同時應(yīng)避免在高應(yīng)力區(qū)。4 對于節(jié)點形式的選擇，應(yīng)選用的剛性小的節(jié)點形式。節(jié)點應(yīng)避免在雙向、三向交叉處，這樣避免由于焊縫集中而導(dǎo)致的高溫和焊縫應(yīng)力集中，從而減少焊接變形。 工藝措施 1 組裝和焊接順序。鋼結(jié)構(gòu)的制作、組裝應(yīng)該在一個標準的水平面上進行。該平臺應(yīng)確保所受的自重壓力的程度足夠大，不會出現(xiàn)鋼構(gòu)件失穩(wěn)和下沉的現(xiàn)象，以滿足構(gòu)件組裝的基本要求。在焊接小型構(gòu)件時可一次完成，即在焊接固定好位置后，用合適的

36、焊接順序組裝完畢。而大型鋼結(jié)構(gòu)組裝與焊接需要先將小件組焊接完畢，然后再進行最后的組裝和焊接。在進行部件組裝時，為了防止組裝過程中產(chǎn)生過度的應(yīng)力和變形，應(yīng)該使不同型號的零配件符合構(gòu)件規(guī)定的規(guī)格、形狀大小和樣板的要求，并且組裝時不能有較大外力強制拼裝，以防止零部件過度焊接應(yīng)力和較大約束力帶來的變形。此外，組裝與焊接過程中應(yīng)使焊接接頭熱量均勻，消除應(yīng)力并減少變形;焊縫應(yīng)做到對接間隙、坡口角度、搭接長度和T形貼角的尺寸無誤，且形式、大小應(yīng)與構(gòu)件的設(shè)計和焊接規(guī)范一致。2 反變形。由于在冷卻過程焊縫會產(chǎn)生收縮反應(yīng)，結(jié)果使得減少了工件焊接后的尺寸。針對這個問題，為了彌補熱脹冷縮帶來的變形，在大型構(gòu)件焊接時常

37、用反變形的方法。反變形方法是在進行焊接前使構(gòu)件預(yù)先發(fā)生變形，使變形方向和焊接變形方向相反、變形量大小基本相等。例如，為了防止工字鋼梁上下蓋板的焊接角變形，可以在焊前用油壓機或折邊機在相反方向預(yù)先壓彎蓋板。3 焊件夾具。大型結(jié)構(gòu)件在焊接接頭時各個工件和零件在自重和焊接應(yīng)力的作用下，要想使其位置固定是比較困難的。所以，每件焊接工件和零件除了要用焊接平臺固定位置外，還需要用到焊件夾具有效地夾緊，以便防止工件發(fā)生變形。在大多數(shù)的情況下，通過采取適當(dāng)?shù)暮附庸?jié)點構(gòu)造設(shè)計措施和技術(shù)措施，可以有效地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，以達到確保工程質(zhì)量的目的。但由于材料、結(jié)構(gòu)以及焊接施工現(xiàn)場環(huán)境等因素的復(fù)雜多變,還應(yīng)該在實

38、踐中不斷總結(jié)和積累焊接經(jīng)驗,提高控制焊接應(yīng)力和焊接變形技術(shù)水平。 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的火焰矯正施工方法 在生產(chǎn)過程中普遍應(yīng)用的矯正方法，主要有機械矯正、火焰矯正和綜合矯正。但火焰矯正是一門較難操作的工作，方法掌握、溫度控制不當(dāng)還會造成構(gòu)件新的更大變形。因此，火焰矯正要有豐富的實踐經(jīng)驗。本文對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的種類、矯正方法作了一個粗略的分析。 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的種類與火焰矯正鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件是焊接H型鋼柱、梁、撐。焊接變形經(jīng)常采用以下三種火焰矯正方法：（1）線狀加熱法；(2)點狀加熱法；（3）三角形加熱法。下面介紹解決不同部位的施工方法。以下為火焰矯正時的加熱溫度（材質(zhì)為低碳鋼）低溫矯正 500度60

39、0度 冷卻方式：水中溫矯正 600度700度 冷卻方式：空氣和水高溫矯正 700度800度 冷卻方式：空氣 矯正H型鋼柱、梁、撐角變形。在翼緣板上面（對準焊縫外）縱向線狀加熱（加熱溫度控制在650度以下），注意加熱范圍不超過兩焊腳所控制的范圍，所以不用水冷卻。線狀加熱時要注意：（1）不應(yīng)在同一位置反復(fù)加熱；（2）加熱過程中不要進行澆水。這兩點是火焰矯正一般原則。5.2 柱、梁、撐的上拱與下?lián)霞皬澢?1、在翼緣板上，對著縱長焊縫，由中間向兩端作線狀加熱，即可矯正彎曲變形。為避免產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，兩條加熱帶要同步進行?？刹扇〉蜏爻C正或中溫矯正法。這種方法有利于減少焊接內(nèi)應(yīng)力，但這種方法在縱向收縮

40、的同時有較大的橫向收縮，較難掌握。2、翼緣板上作線狀加熱，在腹板上作三角形加熱。用這種方法矯正柱、梁、撐的彎曲變形，效果顯著，橫向線狀加熱寬度一般取2090mm，板厚小時，加熱寬度要窄一些，加熱過程應(yīng)由寬度中間向兩邊擴展。線狀加熱最好由兩人同時操作進行，再分別加熱三角形三角形的寬度不應(yīng)超過板厚的2倍，三角形的底與對應(yīng)的翼板上線狀加熱寬度相等。加熱三角形從頂部開始，然后從中心向兩側(cè)擴展，一層層加熱直到三角形的底為止。加熱腹板時溫度不能太高，否則造成凹陷變形，很難修復(fù)。注：以上三角形加熱方法同樣適用于構(gòu)件的旁彎矯正。加熱時應(yīng)采用中溫矯正，澆水要少。結(jié) 論鑒于鋼結(jié)構(gòu)由于具有強度高、結(jié)構(gòu)自重輕、構(gòu)件截

41、面小、抗震性好、平面布置靈活、有效節(jié)約空間、質(zhì)量可靠、施工速度快、現(xiàn)場用工省，建設(shè)周期短等一些優(yōu)點，其在建筑行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。但由于在焊接過程中易產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形，然而由于焊接應(yīng)力和焊接變形的存在存首先在加工過程中大量增加了加工制造物力和人力，同時使整個構(gòu)件喪失穩(wěn)定性，使建筑框架系統(tǒng)承載能力下降，從而使建筑安全使用性大為降低。故在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中應(yīng)制定合理有效控制焊接應(yīng)力和焊接變形措施，把焊接應(yīng)力和焊接變形程度降到最低，同時針對仍有超標部分的變形應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和變形量采用有效矯正方法進行矯正，以此保證整個建筑工程使用安全性。根據(jù)以上研究可得以下結(jié)論：1 焊接H型鋼需制定合理的焊接方案：

42、焊接方法、材料選擇、焊接順序，主要滿足焊透及焊后的變形控制 2 焊接殘余應(yīng)力是產(chǎn)生各種變形的根源，可通過預(yù)變形、對稱變形、反變形、剛性固定、火焰矯正等工藝措施來降低其影響。3 箱形柱常見的焊接變形有：（1）縱向收縮變形；（2）橫向收縮變形；（3）角變形；（4）彎曲變形；（5）扭曲變形；（6）波浪變形。認真分析其焊接變形原因和規(guī)律，采取相應(yīng)控制措施。4 嚴格控制焊接組裝程序，選擇合理的焊接順序和焊接工藝參數(shù)，是保證焊接質(zhì)量，減小焊接應(yīng)力和焊接殘余變形的關(guān)鍵性因素。5 選擇正確的預(yù)變形的方法，一定要根據(jù)箱形柱結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，并分析其變形特征在生產(chǎn)中通過采取焊前預(yù)防措施，可以明顯減小加工件的變形量，基本上消除變形，提高了工件合格率以及生產(chǎn)效率。謝 辭 本論文的完成，得益于洛陽理工學(xué)院焊接技術(shù)及自動化老師傳授的知識，使本人有了完成論文所要求的知識積累，更得益于導(dǎo)師安老師從選題的確定、論文資料的收集、論文框架的確定、開題報告準備及論文初稿與定稿中對字句的斟酌傾注的大量心血，在此對導(dǎo)師安老師表