中国建筑第八工程局有限公司钢结构工程公司 上海市 200122
摘要：焊接变形与焊接参数、焊接方法、焊接顺序以及材料本身的物理性能有关，在诸多工艺因素中，其中焊接线能量是最主要的。一般情况下，焊接变形与焊接线能量成正比。焊接变形产生的原因是被焊杆件受焊接热输入影响，焊缝熔池结晶或者局部母材热胀冷缩引起的母材内部应力分布不均。因此，控制焊接变形的目的就是控制焊缝及其周围内部应力的分布。大型钢箱梁制作过程中的常见焊接变形，按照其最终呈现形式可分为四类：焊缝收缩变形、角变形、扭曲变形及波浪变形。
关键词：大型钢箱梁；构件；焊接变形；控制措施
1焊缝收缩变形产生原因及控制措施
大型钢箱梁基本为全焊结构，板厚又较薄，焊接工程中极易产生焊接变形，为此，探讨了焊缝收缩变形、角变形、扭曲变形、波浪变形产生原因及控制措施，以提高大型钢箱梁制造质量。
1.1收缩变形产生原因
焊缝收缩变形主要是由于焊缝在焊接过程中，熔池从液态凝固结晶成为固态时产生收缩导致的，包括焊缝纵向收缩和焊缝横向收缩。收缩变形在钢板荒料对接或者零件接长过程中表现最为明显。焊接工作量越大、焊缝冷却速度越快，收缩变形量也就越大。厚板对接时的收缩量比薄板大，而同一条焊缝中横向收缩量比纵向收缩量大。由于焊接时热胀冷缩是必然的，故焊接时产生变形是必然的，因此在大型钢箱梁制造过程中只能采取相关措施控制减少焊接变形，但不能完全消除焊接变形。
1.2收缩变形控制措施
收缩变形可以通过增加收缩余量或刚性工装约束固定的方法进行控制。采用刚性工装约束固定的方式焊接时，会产生较大焊接应力。大型钢箱梁主要零部件，如顶底板、腹板等，在接料接长过程中宜采用设置焊缝增加收缩余量的方式进行，使焊缝处于自由无拘束状态，最大限度减少焊接残余应力。一般视钢板厚度不同，焊缝横向收缩余量可设置2~5mm，纵向收缩余量按焊缝全长的3‰进行设置。焊接完成后，通过二次切边修整切割以保证零部件的几何尺寸。
2角变形产生原因及控制措施
2.1角变形产生原因
在零件接长对接或板单元单侧施焊纵向加劲肋时，焊接的一面温度高，另一面温度低，温度高的一面受热膨胀较大，另一面膨胀小甚至不膨胀。由于焊接面膨胀受阻，出现了较大的横向压缩性变形。在冷却时就产生了钢板厚度方向上收缩不均匀现象，焊接的一面收缩大，另一面收缩小。在焊接后由于焊缝的横向收缩使得两连接件相对角度发生了变化，就形成了角变形。
2.2角变形控制措施
2.2.1翻身法
钢板或者零件接料接长对接时，可采用双面坡口、多层多道、多次翻身的方法施焊。焊接时开设双侧X形坡口，一般大坡口侧开设深度约为板厚的2/3，坡口角度为40~50°，背面小坡口侧开设深度约为板厚的1/3，坡口角度为60~70°，并预留2mm左右钝边，以便组装和定位。焊接时，先施焊大坡口一侧至坡口深度约1/3位置处，将焊件翻身在小坡口侧利用碳弧气刨进行清根，然后焊满小坡口侧后再翻身焊接剩余大坡口侧焊缝。整个施焊过程中，应密切关注角变形大小，当角变形达到5°左右时应停止此侧施焊，翻身后施焊背面侧，故当焊件板厚度比较大时，可视变形程度进行多次翻身焊接作业。
2.2.2焊后矫正法
顶底板或腹板焊接单侧加劲肋或者U形肋时，一般采用焊后矫正法。先焊接完成后，从反面采用火焰矫正方法进行焊接角变形矫正。
2.2.3反变形法
反变形法是生产过程中最常用的控制焊接变形的方法，就是事先通过试验测试结构变形的尺寸和方向，然后在装配焊接时给予等量、反向的预变形后进行焊接，使焊后的结构件外形尺寸满足要求。
3扭曲变形产生原因及控制措施
3.1扭曲变形产生原因
在大型钢箱梁焊接过程中，由于箱梁4条主棱角焊缝收缩差异，导致大型钢箱梁顶底面以及两腹板侧面收缩不一致，造成整体焊缝在纵向和横向的应力与变形上的不对称变形，从而形成扭曲变形。
3.2扭曲变形控制措施
3.2.1采用合理的焊接顺序
控制大型钢箱梁扭曲变形的关键在于尽量保证大型钢箱梁4条主棱角焊缝对称收缩。在焊接过程中，应同向施焊4条主棱角焊缝。并且施焊时，应尽可能采用多层多道、对称施焊。先施焊的焊缝与后施焊的焊缝时间间隔不能太长，否则后施焊的焊接变形收缩量难以抵消先施焊的焊缝焊接时产生的收缩变形。施焊过程中要合理安排焊接时间。
3.2.2采用刚性胎架
通过专用刚性胎架，保证箱体形状尺寸，焊接完成后形成稳定的结构后拆除固定件，可以减小扭曲变形。
3.2.3采用火焰矫正箱体扭曲变形
确认箱体扭曲变形方向后，在变形方向的反方向腹板面进行直线状矫正，矫正角度与箱体长度方向呈45°夹角，自上而下进行火焰矫正，根据扭曲程度可以增加火焰矫正道数，同时要注意矫正的加热温度，低碳钢及低合金钢材加热温度宜控制在600~800℃。
4波浪变形产生原因及控制措施
4.1波浪变形产生原因
波浪变形也称为失稳变形。在焊接内应力的压应力作用下，薄板可能失稳，产生波浪变形。压应力越大，薄板的宽度与厚度比越大，就越容易产生波浪变形。由于大型钢箱梁顶板板厚较薄，一般在10~16mm范围内，在焊接时由于顶底板上纵向加劲肋限制的同时需要与隔板焊接连接，隔板与顶底板连接焊缝的横向收缩与纵向收缩对薄板的作用力超过其弹性变形极限时，在边缘就会出现波浪式变形。
4.2波浪变形控制措施
（1）刚性固定法。针对顶底板等薄板焊接，采用夹具或工装固定住焊接板边，强制固定，从而达到避免波浪变形目的。待焊缝缓冷至室温24h之后，再撤除刚性固定工装。对于约束度较大的焊缝，为减小其焊接残余应力，可适度采用超声波锤击等方式。超声锤击前，清除焊趾熔渣、焊接飞溅的杂物，将锤击范围内的焊瘤、飞溅及不顺直的焊缝打磨干净平顺。
（2）制定合理的焊接顺序。遵循“先长后短，先主后次”的原则，即先施焊长焊缝，再焊接短焊缝，先焊接主焊缝，再焊接次焊缝。
（3）焊接过程中作用于焊接区域的热量是引起焊接变形的直接原因。做好焊前、焊时、焊后的热输入控制，有利于减小焊接变形。进行焊前预热作业，尤其当环境温度低于5℃或环境湿度大于80%时，必须严格按照要求对焊接区域进行预热，在降低焊接裂纹敏感性的同时也能均衡热影响区与焊缝区的冷却速度，平衡焊接应力、减小焊接变形。焊接过程中，严格按照指定的焊接工艺参数执行，控制焊接线能量，采用多层多道施焊，并控制焊道焊层间温度，避免大线能量输入造成过大的焊后变形。针对有特殊要求的中厚板焊接过程，焊后可采用石棉垫等保温材料覆盖焊缝及热影响区，进行保温缓冷处理，使焊接应力缓慢释放，减小焊接变形以及焊接残余应力。
5结论
本文分析了大型钢箱梁制造过程中的常见焊接变形的种类及焊接变形的控制措施，通过工程实践得出板单元制造过程中可以预留焊接收缩余量，采用反变形胎架进行固定，焊后采用火焰矫正，最后进行切边可有效提高制造精度。在板厚较厚的钢板对接过程中，采用多次翻身法焊接，多层多道焊接控制线能量输入，可减少焊接角变形。焊接顺序对焊接变形控制有重要影响，焊接时应遵循先主后次，先内后外，对称焊缝保证对称、同向，削弱焊接应力集中，保证焊接的连续性和减小变形。通过制定合理的焊接工艺，能有效减小焊接变形，如设置反变形量、预留焊缝收缩余量、采用刚性固定胎架等。通过火焰加热矫正法，可使材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消焊接后在该部位的伸长变形，达到矫正变形的目的。
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