H型钢焊接变形的控制与矫正
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摘要：H型钢承载能力大，截面稳定性好适合大型建筑，如厂房、高层建筑、桥梁等。但是焊后变形矫正关系到整体的结构质量，是钢结构制作过程中的一个重要环节，通过分析H型钢的常见焊接变形及其原因，提出了行之有效的预防和控制方法。
关键词：H型钢；焊接；变形；矫正；加热方式
钢结构以其造价低、跨度大、施工周期短、外观新颖别致、总体质量轻、抗震性能好、实用性强等优点得到广泛应。H型钢是一种新型经济建筑用钢，由于其截面形状经济合理，力学性能好，常用于要求承载能力大，截面稳定性好的大型建筑，如厂房、高层建筑、桥梁等。
H型钢的制作，普遍采用焊接，且对于一些重要焊缝一般都采用全熔透焊接，金属焊接时在局部加热，融化过程中，加热区的金属与周边的母材温度相差很大，产生焊接过程中的瞬时应力。冷却到原始温度后，整个接头区焊缝及近缝区的拉应力区与母材在压应力区数值达到平衡，这就产生了结构本身的焊接残余应力。此时，在焊接应力的作用下焊接结构发生多种形式的变形。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。焊接钢结构产生的变形超过技术设计允许变形范围，就应设法进行矫正，使其达到符合产品质量的要求。
一、钢结构焊接变形的形式与原因
钢结构焊接后发生的变形大致可分为两种情况：即整体结构的变形和结构局部的变形。整体结构的变形包括结构的纵向和横向缩短和弯曲。局部变形表现为凸弯、波浪形、角变形多种。
H型钢焊接变形基本形式有以下几种：板材坡口对焊后产生的长度缩短（纵向收缩）和宽度变窄（横向收缩）的变形；板材坡口对接焊接后产生的角变形；焊接构件的角变形沿构件纵轴方向数值不同及构件翼缘与腹板的纵向收缩不一致形成的扭曲变形；由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中和轴不对称引起构件的整体弯曲，此种变形为弯曲变形。
這些变形都是基本的变形形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的发展，转化和综合。
二、防止和减少结构变形的措施：
减小焊缝截面积：在得到完好，无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度和间隙）。
对屈服强度345Mpa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热层间温度，优先采用热能输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。
（一）厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。
双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。
（1）T型接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。
采用焊前反变形方法控制焊后的角变形，此法是生产中最常见的一种方法，预先把焊件做出基本抵消（补偿）焊后弯曲的反变形，来达到防止焊后变形的目的。
刚性固定法：又称为强制法。在实际制作中，对于刚性大的构件焊后变形一般较少。对刚性小的构件可在焊前加强构件刚性，焊后变形也相应减小。在采用这种方法时，必须等焊接冷却后再把夹具和支撑卸去。几种常见的方法有夹具法，支撑法，胎具法，临时固定法，定位焊接法。
（2）采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形。
设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸；合理布置焊缝，除了要避免韩峰密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴对称。
正确选择焊接顺序。在钢结构中同时存在对焊缝和角焊缝时，原则上先焊对焊缝，反焊角焊缝。对十字型焊缝和T型焊缝。更应采取正确的顺序，避免焊接应力集中，保证接头焊接质量。采取对称于整个钢结构的中和轴的焊接和采取从中间向两端焊接，对于减少变形十分有利。对钢结构中强度要求高的重要部位焊接，应尽量使接头能自由收缩，不受约束。
三、焊接变形的焊后矫正方法：
为了达到设计规范的要求，发生了焊接变形的焊接结构件必须矫正。从另外一个角度来解释，这种矫正实质上都是设法造成新的变形来补偿或抵销已发生的变形。在施工生产中，最常用的焊后残余变形的矫正方法可以分为施力矫正和加热矫正以及两种方法的结合应用。
（一）施力矫正法：
施力矫正一般用千斤顶，螺旋加力器，辊压矫正机或在大型压力机上完成。
（二）加热矫正法（火焰矫正法）：
火焰矫正法是利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后缩短来消除变形。此方法操作简单，机动灵活，适用面广。火焰矫正法的加热方法可分为点状加热、线状加热、三角形加热。火焰矫正能消除很多施力矫正无法解决的变形，掌握火焰局部加热引起的变形的规律是做好矫正的关键，决定火焰矫正效果主要是加热的位置和加热的温度。低碳钢和普通合金的焊接结构通常采用650～800度的加热温度，一般不宜超过900度。由于需要再次加热，对合金钢等慎用。
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。
四、翼缘板的角变形
矫正H型钢角变形。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。
H型钢的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，两条加热带要同比进行。可采取低温矫正或中文矫正法。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H型钢的弯曲变形，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。三角形的加热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，然后从中心向两边扩展，一层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时的温度不能太高，否则造成凹陷变形，很难修复。
注：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。
五、H型钢腹板的波浪变形
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=4&+10）mm（d为加热点直径，&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。
结束语
火焰矫正一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H型钢的纵应力超过允许应力，从而导致承载安全系数的降低。因此在钢结构制作中一定要慎重，尽量采用合理的工艺措施减少变形，矫正时尽量可能机械矫正。
总之，焊接变形在一定程度上可以减少，不可避免的焊接变形采用合理的矫正办法进行矫正，这样才能使其达到符合产品质量的要求。
参考文献
[1]陈绍蕃、顾强编，《钢结构》中国建筑工业出版社2003；
[2]中华人民共和国国家标准，钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社，2003；
[3]王俊波. 钢结构施工管理要点及全过程质量控制分析；
（作者单位：武汉铁路桥梁高级技工学校）
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