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[摘 要]为有效控制钢结构焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形，就焊接变形的主要影响因素进行分析，并简要论述了最新的变形预测方法，提出相应的矫正措施。采用火焰矫正法对大型钢构件进行矫正，在材质为低碳钢情况下控制高、中、低温矫正的温度和介质。对不同变形的部位使用相应的施工方法。
[关键词]焊接变形；变形控制；预测；矫正技术
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0306-01
钢结构是现代桥梁、建筑施工的重要组成部分。而钢结构的形成，离不开焊接。由于在施工过程中，焊接产生的焊接残余应力和残余变形，严重形响着钢结构的质量、安装进度和结构承载能力，进而影响施工质量。因而必须对产生焊接变形的原因进行分析预测，并有针对性地加以控制，对不可避免产生的变形，要给予必要的矫正，以期符合施工技术质量要求。
1 影响焊接变形因素
钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：纵向应力；横向应力；厚度方向应力。常见的焊接变形有：纵向收缩变形；横向收缩变形；角变形；弯曲变形；扭曲变形；波浪变形。根据实践经验，产生焊接应力和变形的主要因素有以下几种。（1）焊缝截面积的影响。焊接面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。（2）焊接热输入的影响。一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区域增大。（3）焊接方法的影响。多种焊接方法的热输入差别比较大，如在钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。（4）接头形式的影响。在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。
（5）焊接层数的影响。①横向收缩。在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。②纵向收缩。多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成单层焊的热输入小得多，加热范围窄。冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时要小很多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。
2 焊接变形预测技术
焊接变形预测对焊接结构的生产和使用具有重要意义，然而进行准确的焊接变形预测较为困难。导致焊接变形预测不准确的主要因素有：焊接变形机理的复杂性；一些重要的物理数据在材料处于高温时难于测定；热力分析过程中的误差积累。（1）热弹塑性有限单元法。理论上讲，热弹塑性有限元法是预测焊接变形的最重要和最一般的方法，它可以同时考虑许多重要的影响因素。使用这种方法可以进行较为复杂计算，模拟焊接时结构的整体力学行为。焊接变形的热弹塑性有限元模拟可以综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性，考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响，研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。（2）固有应变法。对于大型复杂焊接结构，完全的热弹塑性模拟难于分析这种非线性问题，而且也需要消耗大量的计算时间。为了确保焊接结构的完整性，有必要建立焊接变形模拟的合理的计算方法，而不跟踪整个焊接过程的热弹塑性热力学行为，因此引入了固有应变的概念。固有应变是热应变、塑性应变与相变应变三者之和。因热循环以后的热应变为零，所以固有应变也就是塑性应变与相变应变残余量之和。通常，固有应变可以当作焊接残余应力源和焊接变形源，分布于焊缝及其热影响区附近。若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间。在实际焊接结构的变形预测中，使用固有应变模型很容易由线弹性有限元分析求得焊接残余应力和焊接变形的分布。固有应变法可分为三维实体单元的固有应变法和板壳单元的固有应变法。其中，板壳单元固有应变计算的结果更为精确，而且网格划分简单，因此对于厚度不是很大的焊接结构，采用板壳单元固有应变法计算焊接变形具有很大的优越性。（3）基于人工神经网络的焊接变形分析。实际焊接过程中，影响焊接结构变形的因素是非常复杂的，呈现明显的非线性特性。人工神经网络具有自组织、自学习、自适应及非线性特性，适合非线性系统建模及性能预报。采用人工神经网络模型可以快速地预测焊接过程中产生的变形量，是研究焊接结构变形的一种有效途径。
3 焊接变形的矫正
由于钢结构基本都是以焊接钢柱、梁、支撑为主的大型构件，用机械矫正法一般难以达到预期效果。下面，主要探讨另一个对大型钢构件矫正的有效办法为火焰矫正法。
3.1 加热温度（材质为低碳钢）
1）低温矫正的加热温度为500～600℃，冷却方式：水。2）中温矫正的加热温度为600～700℃，冷却方式，空气和水。3）高温矫正的加热温度为700～800℃，冷却方式：空气。
3.2 不同变形部位的施工方法
（1）翼緣板的角变形。矫正刚柱、梁、撑角度变形。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℃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。线状加热时要遵循两点原则：①不应在同一位置反复加热；②加热过程中不要进行浇水。（2）柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲。1）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。一般采取低温矫正或中温矫正法。2）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20～90 mm，板厚小，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。3）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。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。加快冷却速度。这种矫正方法属于点状加热法，加热点的分布可是梅花形或链式密点形。要掌握好加热温度不要超过750℃。（3）应注意的要点。火焰矫正虽能有效矫正焊接变形，但火焰矫正引起的应力与焊接内应力一样都是内应力。矫正过程产生的内应力与焊接内应力和员载应加选加，会使柱、梁、撑的纵应力超过允许应力，从而导致承载安全系数的降低。因此，在实施火焰矫正时，要特别注意以下几点：1）烤火位置不得在主梁最大应力截面附近。2）矫正处烤火面积在一个截面上不得过大，要多选几个截面点。3）宜用点状加热方式，以改善加热区的应力状态。4）加热温度最好不超过700℃。
参考文献
[1] 陈志华.钢结构原理[M].武汉：华中科技大出版社，2007.
[2] 戴为志，刘景凤.建筑钢结构焊接技术[M].北京：化学工业出版社，2008.
[关键词]焊接变形；变形控制；预测；矫正技术
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0306-01
钢结构是现代桥梁、建筑施工的重要组成部分。而钢结构的形成，离不开焊接。由于在施工过程中，焊接产生的焊接残余应力和残余变形，严重形响着钢结构的质量、安装进度和结构承载能力，进而影响施工质量。因而必须对产生焊接变形的原因进行分析预测，并有针对性地加以控制，对不可避免产生的变形，要给予必要的矫正，以期符合施工技术质量要求。
1 影响焊接变形因素
钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：纵向应力；横向应力；厚度方向应力。常见的焊接变形有：纵向收缩变形；横向收缩变形；角变形；弯曲变形；扭曲变形；波浪变形。根据实践经验，产生焊接应力和变形的主要因素有以下几种。（1）焊缝截面积的影响。焊接面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。（2）焊接热输入的影响。一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区域增大。（3）焊接方法的影响。多种焊接方法的热输入差别比较大，如在钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。（4）接头形式的影响。在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。
（5）焊接层数的影响。①横向收缩。在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。②纵向收缩。多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成单层焊的热输入小得多，加热范围窄。冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时要小很多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。
2 焊接变形预测技术
焊接变形预测对焊接结构的生产和使用具有重要意义，然而进行准确的焊接变形预测较为困难。导致焊接变形预测不准确的主要因素有：焊接变形机理的复杂性；一些重要的物理数据在材料处于高温时难于测定；热力分析过程中的误差积累。（1）热弹塑性有限单元法。理论上讲，热弹塑性有限元法是预测焊接变形的最重要和最一般的方法，它可以同时考虑许多重要的影响因素。使用这种方法可以进行较为复杂计算，模拟焊接时结构的整体力学行为。焊接变形的热弹塑性有限元模拟可以综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性，考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响，研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。（2）固有应变法。对于大型复杂焊接结构，完全的热弹塑性模拟难于分析这种非线性问题，而且也需要消耗大量的计算时间。为了确保焊接结构的完整性，有必要建立焊接变形模拟的合理的计算方法，而不跟踪整个焊接过程的热弹塑性热力学行为，因此引入了固有应变的概念。固有应变是热应变、塑性应变与相变应变三者之和。因热循环以后的热应变为零，所以固有应变也就是塑性应变与相变应变残余量之和。通常，固有应变可以当作焊接残余应力源和焊接变形源，分布于焊缝及其热影响区附近。若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间。在实际焊接结构的变形预测中，使用固有应变模型很容易由线弹性有限元分析求得焊接残余应力和焊接变形的分布。固有应变法可分为三维实体单元的固有应变法和板壳单元的固有应变法。其中，板壳单元固有应变计算的结果更为精确，而且网格划分简单，因此对于厚度不是很大的焊接结构，采用板壳单元固有应变法计算焊接变形具有很大的优越性。（3）基于人工神经网络的焊接变形分析。实际焊接过程中，影响焊接结构变形的因素是非常复杂的，呈现明显的非线性特性。人工神经网络具有自组织、自学习、自适应及非线性特性，适合非线性系统建模及性能预报。采用人工神经网络模型可以快速地预测焊接过程中产生的变形量，是研究焊接结构变形的一种有效途径。
3 焊接变形的矫正
由于钢结构基本都是以焊接钢柱、梁、支撑为主的大型构件，用机械矫正法一般难以达到预期效果。下面，主要探讨另一个对大型钢构件矫正的有效办法为火焰矫正法。
3.1 加热温度（材质为低碳钢）
1）低温矫正的加热温度为500～600℃，冷却方式：水。2）中温矫正的加热温度为600～700℃，冷却方式，空气和水。3）高温矫正的加热温度为700～800℃，冷却方式：空气。
3.2 不同变形部位的施工方法
（1）翼緣板的角变形。矫正刚柱、梁、撑角度变形。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℃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。线状加热时要遵循两点原则：①不应在同一位置反复加热；②加热过程中不要进行浇水。（2）柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲。1）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。一般采取低温矫正或中温矫正法。2）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20～90 mm，板厚小，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。3）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。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。加快冷却速度。这种矫正方法属于点状加热法，加热点的分布可是梅花形或链式密点形。要掌握好加热温度不要超过750℃。（3）应注意的要点。火焰矫正虽能有效矫正焊接变形，但火焰矫正引起的应力与焊接内应力一样都是内应力。矫正过程产生的内应力与焊接内应力和员载应加选加，会使柱、梁、撑的纵应力超过允许应力，从而导致承载安全系数的降低。因此，在实施火焰矫正时，要特别注意以下几点：1）烤火位置不得在主梁最大应力截面附近。2）矫正处烤火面积在一个截面上不得过大，要多选几个截面点。3）宜用点状加热方式，以改善加热区的应力状态。4）加热温度最好不超过700℃。
参考文献
[1] 陈志华.钢结构原理[M].武汉：华中科技大出版社，2007.
[2] 戴为志，刘景凤.建筑钢结构焊接技术[M].北京：化学工业出版社，2008.