孙永碧& 闫云清& 张 新（黑龙江 牡丹江 157000）
摘& 要：焊接是钢结构的主要连接技术，本文对高强钢焊接技术、低温焊接技术、钢结构焊接变形的原因及防治进行了综合分析。
关键词：焊接技术；焊接变形；分析
&&&&&&& 前言
&&&&&&& 作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废，给企业造成直接经济损失。因此必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量，降低企业生产成本。
&&&&&&& 1 高强钢焊接技术
&&&&&&& 焊材选配原则。强匹配，强节点弱杆件，焊接材料熔敷金属的强度、塑性、冲击韧性高于母材标准规定的最低值。焊接接头（焊缝及热影响区）各项性能全面要求达到母材标准规定的最低值。兼顾焊缝塑性，厚板焊接时按厚度效应后的强度选配焊材，节点拘束度大时可在1/4板厚以下配用低强焊材。满足冲击韧性要求，必须重点选择焊材的韧性，使焊缝及热影响区韧性达到钢材的标准要求。高强钢焊接性评价方法，碳当量计算评定法；热影响区最高硬度试验评定法；插销试验临界断裂应力评定法。最低预热温度确定方法有裂纹试验控制，根据斜Y坡口试样抗裂试验确定最低预热温度。硬度控制，根据一定碳当量的钢材，其不同板厚T形接头角焊缝热影响区硬度达到350HV对应的冷却速度（540℃时），查表确定焊接线能量。根据裂纹敏感指数、板厚范围、拘束度等级、熔敷金属扩散氢含量确定最低预热温。根据接头热输入、冷却时间和钢材的特定曲线图确定最低预热温度。焊接质量控制，控制热输入与冷却速度；控制焊接电流、电压、焊接速度以及熔敷金属800～500℃区间的冷却时间；控制焊缝中碳/硫/磷/氮/氢/氧的质量百分比，选用优质碱性低氢焊材，采用良好的操作手法充分保护熔池金属（短弧、限制摆动、倾角稳定）。应力与变形控制，选用高能量密度、低热输入的焊接方法，如气体保护焊；用小线能量，多层多道焊接；减小焊接坡口的角度和间隙，减少熔敷金属填充量；采用对称坡口，对称、轮流施焊；长焊缝应分段退焊或多人同时施焊；用跳焊法避免变形和应力集中。总之，对于高强钢的焊接，应根据钢材本身的强化机理和供货状态，综合考虑其性能要求，合理选择焊接材料和试验方法对其焊接性能做出评价，制定合理的焊接工艺，以指导实际焊接生产。对该钢种的焊接应主要考虑采取措施以降低其冷裂倾向。在焊接时应严格控制层间温度和焊接线能量，防止接头出现弱化现象。
&&&&&&& 2 低温焊接技术
&&&&&&& 焊材的选择，在低温环境中，应尽量选择低氢或超低氢焊材，对焊材严格执行烘焙和保温措施。焊前防护，在焊接作业区域搭防护棚，使焊接区域形成相对封闭的空间，减少热量的损失，若无条件搭设防护棚，应该采取其他有效措施对焊接区域进行防护；气体保护焊时，焊接气瓶也应采取相应措施进行保温。焊接质量控制，预热与层间温度，低温环境下的预热温度应稍高于常温下的焊接预热温度，加热区域为构件焊接区各方向大于或等于二倍钢板厚度且不小于100mm范围内的母材，焊接层间温度不低于预热温度或标准（JGJ81-2002）规定的最低温度20℃（两者取高值）。加大定位焊时的热输入，适当加大定位焊的热输入，增大焊缝截面和长度，并采用与正式焊接相同的预热条件，不在坡口以外的母材上打弧，熄弧时弧坑一定要填满，可以有效减少由于定位焊接引起的收缩裂纹。采用合理的焊接方法，尽量使用窄摆幅，多层多道焊，严格控制层间温度。
焊接后热及保温，焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理，利于扩散氢气的逸出，防止因冷速过快而引起的冷裂纹，同时适当的后热温度还可以适当降低预热温度。总之，钢结构低温焊接施工前，一定要根据实际情况做好焊接工艺评定试验。必要时还要针对具体钢种进行低温焊接性试验，制作出适合的焊接工艺指导书以指导实际焊接。另外，在低温环境下，对焊工操作的不良影响也应给予足够重视，一般环境温度不宜低于-15℃。
&&&&&&& 3 钢结构焊接变形的原因
&&&&&&& 钢结构刚度，刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力，钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。焊接连接缝位置和数量，当钢结构刚度不足时，在设计焊接连接缝位置和数量时，应在结构体对称安排，且焊接顺序是合理的，构件只能产生线性变形；当焊缝为不对称的安排，产生的多为弯曲变形。焊接工艺，焊接电流偏大、焊条直径较粗，使得焊接速度缓慢，可能导致焊接变形大；厚钢板焊接时，手工焊接方法比自动焊接方法引起的变形量较小；采用多层焊接工艺时，首层的焊缝收缩变形最大，第二和第三层焊接变形量分别是首层的20％和5％~10％。也就是说，多层焊接的层数越多，焊接变形越明显；断续式焊缝与连续焊缝相比收缩变形量小；对接式焊缝的横向收缩变形量比纵向收缩变形量大2至4倍；焊接顺序不当或在没有焊接妥当分部构件时就进行整体组装焊接，很容易产生焊接变形。因此，为了防治焊接变形，在焊接施工过程中必须制订合理的工艺措施。
&&&&&&& 4 钢结构焊接变形防治
&&&&&&& 4.1 焊接节点构造设计
&&&&&&& 控制焊缝的数量和大小。钢结构焊缝数量多、尺寸大，焊接时的热输入量也越多，造成的焊接变形也更大。因此，在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊缝的数量和大小，尽可能减少焊接变形。根据焊接工艺选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸。对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分。适当的坡口形状和大小，可以通过减少截面积，进一步减少结构的焊接变形量。焊接节点的位置应处于构件截面的对称处。结构中性轴焊接节点的位置应尽可能在构件截面的中性轴对称位置，或尽量接近中性轴，同时应避免在高应力区。对于节点形式的选择，应选用的刚性小的节点形式。节点应避免在双向、三向交叉处，这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形。
&&&&&&& 4.2 工艺措施
&&&&&&& 组装和焊接顺序，钢结构的制作、组装应该在一个标准的水平面上进行。该平台应确保所受的自重压力的程度足够大，不会出现钢构件失稳和下沉的现象，以满足构件组装的基本要求。在焊接小型构件时可一次完成，即在焊接固定好位置后，用合适的焊接顺序组装完毕。而大型钢结构组装与焊接需要先将小件组焊接完毕，然后再进行最后的组装和焊接。在进行部件组装时，为了防止组装过程中产生过度的应力和变形，应该使不同型号的零配件符合构件规定的规格、形状大小和样板的要求，并且组装时不能有较大外力强制拼装，以防止零部件过度焊接应力和较大约束力带来的变形。此外，组装与焊接过程中应使焊接接头热量均匀，消除应力并减少变形；焊缝应做到对接间隙、坡口角度、搭接长度和T形贴角的尺寸无误，且形式、大小应与构件的设计和焊接规范一致。
&&&&&&& 结束语
&&&&&&& 在钢结构焊接施工过程中，应根据所焊材料的特点，选择适当的焊接技术。在大多数的情况下，通过采取适当的焊接节点构造设计措施和技术措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，以达到确保工程质量的目的。但由于材料、结构以及焊接施工现场环境等因素的复杂多变，还应该在实践中不断总结和积累焊接经验，提高控制焊接应力和焊接变形技术水平，以确保焊接质量。
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　　在项目上钢结构的焊接中经常性的会出现一些缺陷，这些缺陷的存在对我们的工程质量造成不可忽视的后果，并且频繁性的对缺陷的修补和返工使工程工期拖延、对工程人材机造成巨大的浪费，因此对工程的过程中控制显得极为重要，下面结合工程实际介绍一下钢结构焊接中常见缺陷以及产生原因和控制方法，让我们在实际工程中对这些常见缺陷加深了解，进而达到指导控制减少缺陷出现的目的。
　　钢焊缝常见缺陷包括：外观缺陷、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未融合。
　　 外观缺陷　　　　　　　　　&
　　外观缺陷是指不借助仪器，用肉眼可以发现的工件表面缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等，有时还有表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透也位于焊缝表面。
　　 咬边&
　　产生的主要原因是电弧热量太高，即电流太大，运条速度太小。焊条与工件间角度不正确，摆动不合理，电弧过长，焊接次序不合理等也会造成咬边。直流焊时电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因。某些焊接位置（立、横、仰）会加剧咬边。咬边减小了母材的有效截面积，降低结构的承载能力，同时还会造成应力集中，发展为裂纹源。
　　防止咬边的措施：选用合理规范，采用正确的运条方式都有利于消除咬边。在角焊中，用交流焊代替直流焊也能有效防止咬边。
　　 焊瘤　　　
　　焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出，冷却后形成未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。
　　防止焊瘤的产生的措施：使焊缝处于平焊位置，正确选用规范，选用无偏芯焊条，合理操作。
　　凹坑指焊缝表面或背面局部的低于母材的部分。
　　防止凹坑产生的措施：施焊时尽量选用平焊位置，选用合适的焊接规范，收弧时让焊条在熔池内短时间停留或环形摆动，填满弧坑。
　　未焊满&
　　未焊满是指焊缝表面上连续的或断续的沟槽。防止未焊满的措施：加大焊接电流，加焊盖面焊缝。
　　烧穿是指焊接过程中，焊深超过工件厚度，熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔性缺陷。
　　防止烧穿的措施：选用较小电流和合适的焊接速度，减小装配间隙，在焊缝背面加设垫板，使用脉冲焊，能有效地防止烧穿。
　　气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残留于焊缝之中所形成空穴，其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生成的。
　　危害：气孔减少了焊缝的有效面积，使焊缝疏松，从而降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄露。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。
　　防止气孔的措施：1.清除焊丝、工作破口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。2.采用碱性焊条、焊剂，并彻底烘干。3.采用直流反接并用短弧施焊。4.焊前预热，减缓冷却速度。5.用偏强的规范施焊。
　　夹渣是指焊后熔渣残存在焊缝中的现象。产生原因：1.破口尺寸不合理。2.破口有污物。3.多层焊时，层间清渣不彻底。4.焊接线能量小。5.焊缝散热太快，液态金属凝固过快。6.焊条药皮、焊剂化学成分不合理，熔点过高，冶金反应不完全，脱渣性不好。7.钨极性气体保护焊时，电源极性不当，电流密度大，钨极熔化脱落于熔池中。8.手工焊时，焊条摆动不正确，不利于熔渣上浮。可根据以上原因分别采取对应措施以防止夹渣的产生。
　　夹渣的危害：点状夹渣的危害与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生尖端还会发展为裂纹源，危害较大。
　　金属原子的结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。以下介绍一下根据发生条件和时机，可分为：热裂纹；冷裂纹；再热裂纹；层状撕裂。
　　热裂纹：一般是焊接完毕后即出现，又称结晶裂纹。
　　冷裂纹：一般是在焊后一段时间（几小时，几天甚至更长）才出现，故又称延迟裂纹。
　　再热裂纹：接头冷却后再加热至550~6500C时产生的裂纹。
　　层状撕裂：在具有丁字接头或角接头的厚大构件中，沿钢板的轧制方向分层出现的阶梯状裂纹。
　　裂纹的危害：裂纹是焊接缺陷中危害最大的一种。裂纹是一种面积型缺陷，它的出现将显著减少承载面积，更严重的是裂纹端部形成尖锐缺口，应力高度集中，很容易扩展导致破坏。
　　防止热裂纹的措施：1.降低钢材和焊材的含碳量，减少硫、磷等有害元素的含量。2.加入一定的合金元素，减少柱状晶和偏析。如加入钼、钒、钛、铌等细化晶粒。3.采用熔深较浅的焊缝，改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不存在于焊缝中。4.合理选用焊接规范，并采用预热和后热，减少冷却速度。5.采用合理的装配次序，减少焊接应力。
　　防止再热裂纹的措施：1.注意冶金元素的强化作用及其对在热裂纹的影响。2.合理预热或采用后热，控制冷却速度。3.降低残余应力避免应力集中。4.回火处理时尽量避开再热裂纹的敏感温度区，或缩短在此温度区内的停留时间。
　　防止冷裂纹的措施：1.采用低氢型碱性焊条，严格烘干，在100~1500℃下保存，随取随用。2.提高预热温度，采用后热措施，并保证层间温度不低于预热温度，选择合理的焊接规范，避免焊缝中出现淬硬组织。3.选用合理的焊接顺序，减少焊接变形和焊接应力。4.焊后及时进行消氢热处理。
　　未焊透&
　　未焊透指母材金属未熔化，焊缝金属没有进入接头根部的现象。
　　防止未焊透的措施：使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。另外，焊角焊缝时，用交流代替直流以防止磁偏吹，合理设计破口并加强清理，用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。
　　未熔合&
　　未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。
　　防止未熔合的措施：采用较大的焊接电流，正确地进行施焊操作，注意破口部位的清洁。
　　钢结构焊接中的缺陷与焊接破口的开取与焊条的选用有密切关系。焊件破口的开取依据《GB/T985.1-2008》，在此就不详细介绍了。下面简单介绍一下焊条按药皮熔化后所形成熔渣的酸碱性不同可分为：碱性焊条（熔渣碱度&1.5）和酸性焊条（熔渣碱度&1.5）两大类。
　　酸性焊条&
　　氧化性较强，施焊时药皮中合金元素烧损较大，焊缝金属的氧氮含量较高，故焊缝金属的力学性能（特别是冲击韧性）较低；酸性渣难于脱硫脱磷，因而焊条的抗裂行较差；酸性渣较黏，在冷却过程中渣的黏度增加缓慢，称为“长渣”。但是焊条的工艺性能良好，成形美观，特别是对锈、油、水分等的敏感度不大，抗气孔能力强。酸性焊条广泛地应用于一般结构的焊接。
　　& 碱性焊条
　　有足够的脱氧能力，碱性渣流动性好。在冷却过程中渣的黏度增加很快，称为“短渣”。碱性焊条的最大特点是焊缝金属中含氢量低，所以也叫“低氢焊条”。碱性焊条的药皮中的某些成分能有效地脱硫脱磷，故其抗裂性能良好，焊缝金属的力学性能，特别是冲击韧性较高。碱性焊条的缺点就是对锈、油、水分较敏感，容易在焊缝中产生气孔缺陷；电弧稳定性差，一般只用于直流电源施焊，但药皮中加入稳弧组成物时可用于交流；在破口中施焊时，脱渣性不好；发尘量较大，焊接中需要加强通风。
编辑：吴涛&&
作者：集团工程管理部
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钢结构的焊接知识
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钢结构的焊接知识
钢结构焊接构件在施焊过程中，焊件局部区域加热熔化，随后又冷却凝固，由于这不均匀的温度场导致焊件不均匀膨胀和收缩，产生应力和变形，残存于焊件内部，即称为焊接残余应力和残余变形。
　　焊接残余应力和残余变形产生的原因有两方面：
　　Ⅰ)施焊时焊件上温度分布不均匀;
　　Ⅱ)施焊时有一部分区域产生了塑性变形。
　　焊接应力是一种没有荷载作用下的内应力(自内力)，在焊件内部自相平衡。焊接应力除上述介绍的纵向焊接残余应力(沿焊缝轴线方向)外，还有横向应力(垂直焊缝长度方向)和厚度方向。
　　焊接过程中构件会产生一些局部鼓起、弯曲、歪斜和扭曲等变形。焊接残余变形包括纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等。通常为其中某几种变形的组合。例如，开单面V型坡口的以对接焊缝连接的平板可能既发生两个方向的收缩变形，又同时发生角变形;收缩变形通常靠制造下料时预加收缩余量来解决;形状变形则靠合理设计、合理制造和焊接工艺来减小。
　　二、焊接残余应力和残余变形的影响
　　㈠、焊接残余应力对结构性能的影响
　　1、静力强度：由于残余应力是自平衡的自内力，有残余应力的构件的承载力与无残余应力的完全一样，所以焊接应力对在常温下承受静力荷载的承载力没有影响;
　　2、刚度：由于在残余拉应力区域提前进入塑性状态，继续增加的外力仅由剩余的弹性区承担，只增大变形，而应力保持不变，因此残余应力将使结构变形增加，刚度减小;
　　3、压杆的稳定承载力：残余应力将使杆件的抗弯刚度减小，从而降低其稳定承载力;
　　4、疲劳强度：由于焊缝中存在三向应力，阻碍了塑性变形，使钢材变脆，使裂纹易于发生和发展，因此焊接应力将使疲劳强度降低。
　　㈡、焊接残余变形的影响
　　焊接残余变形不仅影响结构的尺寸，使装配困难，而且使构件产生初偏心和初弯曲等初始缺陷，受荷载时将产生相应的附加内力，对结构的使用和受力不利。例如轴心压杆，因焊接发生了弯曲变形，变成了压弯构件，显然强度和稳定承载力都受影响。所以对残余变形要加以限制，超出规定限值必须加以矫正。
　　三、防止和减少焊接应力和变形的措施
　　焊接残余应力和变形，直接影响到焊接结构的制造和安装质量、受力性能、正常使用和安全可靠，设计和制造时应予以充分重视，并采取下列措施尽量减少其影响。
　　㈠、设计方面：为减少焊接应力和变形，要进行合理的焊缝设计，从构造上采取一些措施。
　　1、采用适宜的焊脚尺寸和焊缝长度，最好采用细长焊缝，不用粗短焊缝;
　　2、焊缝应尽可能对称布置，不宜过分集中，以减小焊接残余变形;
　　3、应尽量避免焊缝三向相交;(因为每个方向的焊缝都存在着沿焊缝轴线方向的焊接残余拉应力，在相交处形成三向同号拉应力场，使材料变脆。不可避免时，应使主要焊接连接通过，次要焊缝中断;梁的腹板、翼缘和加劲肋的相交处肋板应切角。)
　　4、避免仰焊和不方便位置的焊接。
　　㈡、制造和焊接工艺方面
　　1、采用合理的施工顺序;
　　2、反变形法;(在掌握焊接残余变形的规律后，施焊前给构件以一个和焊接变形相反的预变形，使构件在焊接后产生的焊接变形与之正好抵消。)
　　3、退火法;(对于小尺寸焊件，施焊后放入热源中，加热至600&C左右并保温一定时间，然后缓慢冷却，可消除应力;焊后退火处理是消除焊接残余应力最有效的方法。)
　　4、刚性固定法;(对焊件施加个足够大的外力，使其不能自由收缩而达到减少残余变形的目的，方法是用夹具固定或将焊件点焊在厚大的基座上。)
　　5、锤击法;(在焊缝冷却过程中，用头部带小圆弧的小锤轻击焊缝，使焊缝金属产生塑性变形，从而得到延伸，这样可减少焊缝中部的变形，降低焊接应力。为防止产生裂纹，敲击应在焊缝塑性较好的热状态时进行。)
　　6、预热法。(在焊接前，对焊件整体或局部加热到一定温度，减少焊缝处与整体的温度差，使它们尽可能均匀分布和自由收缩，从而减少焊接残余应力。)
　　四、矫正焊接残余变形的方法
　　1、机械矫正法;用机械方法对残余变形的焊件施加一个外力使其发生与残余变形方向相反的屈服变形，已达到矫正残余变形的目的，这种方法属于冷矫正。
2、火焰矫正(局部加热法);它是根据焊接残余变形产生的原理，利用局部加热后的收缩而引起的变形来矫正已产生的变形，这种方法属于热矫正。
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