钢结构工程焊接技术重点、难点及控制措施

孙大伟，王纪宾，陈海涛

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

在钢结构工程的焊接施工中难免会出现焊接应力和焊接变形的情况，这对于焊接接头的强度以及焊接结构尺寸的精度都会产生一定的影响，严重的话会导致构件报废。此外，钢结构在日后使用中的承载力也与焊接应力与焊接变形有着很大的关联。因此相关施工人员要切实把握好焊接技术，加强对焊接重难点的技术控制，采取有效措施提高钢结构的质量。

1 焊接变形与应力的控制

1.1 焊接变形的控制措施

（1）焊缝的截面面积应当尽可能减少，根据连接需要来决定施焊量，焊缝的强度也要依据有效的焊脚尺寸来确定，多出的、凸出很多的焊缝金属并不能使焊缝强度得以提升，反而会使应力集中系数不断加大，使坡口的整体性能得以减弱。可以通过U型刨边将对接焊缝、后半形成U型坡口，使焊缝的金属含量得到进一步降低。

（2）在最大限度上减少焊缝的数量，尽可能采用多层多焊道的方式对焊缝进行处理，尤其要对焊板的焊接加以重视[1]。

（3）尽量使焊缝保持对称，靠近中和轴的位置进行布置施焊，通过这样的方式减少钢板的变形。

（4）平衡处理中和轴的外围焊缝：根据两个收缩力互相平衡的原则对焊缝进行对称施焊，为了有效地对焊接变形进行控制，可以在焊接的设计与具体实施环节中做好焊缝的平衡处理。

（5）对焊板进行逆向回焊。当焊接程序由左至右进行时，那么每一焊应当从右到左进行施焊，这便是分段侧焊法。在对焊板进行施焊的过程中会使内侧的焊缝板产生热量，在热量的作用下会使焊缝板出现膨胀的现象，因此会使两块焊板在一定的时间内会分开向外；然而在热量由内向外扩散的过程中，焊缝板出现的膨胀就会使焊板不断向内合拢。

（6）运用反变形力的方法进行焊接。在进行焊接之前，通过偏置焊件的方法可以对收缩力加以有效利用，比如在焊接开始之前可以装偏部分焊件组合，使焊件组合的预偏量能够将收缩后的半间恰如其分地回到设定的位置上[2]。在焊接前，预拱或者弯曲所要焊接的部件，便是运用反变形力的方法对收缩力进行抵消的简单实例。

（7）运用反向力对收缩力进行平衡，反向力可包括：①由夹具等形成的约束力；②源于其他的收缩力；③构件重力拱度向下所形成的反力；④由构件装配而成的组合件所产生的约束力。

常用的一种平衡收缩力的方法是通过背靠背的方式把两个等同的焊接件紧夹于一处，之后再对组合件进行焊接，组合件冷却之后再松开夹具。在使用这种方法的时候可以与预弯法加以结合，也就是在夹紧焊接件之前，将契块打入到构件中恰当的位置。

对于零部件以及小型组合件的变形量来说，使用最多的控制方法便是把部件用卡具和夹具在适当的位置上进行固定，直至焊接完所有的部件为止。根据上文所述，焊件的内应力在夹具约束力的作用下会不断增加，一直增加到焊缝金属的屈服点。就低碳钢板焊缝而言，每平方毫米的屈服点可达311N。在施焊的过程中，一般会认为从夹具上取下焊好的部件会在内应力的作用下产生明显的变形，然而事实上这类状况是不会发生的，因为相较于无约束力焊接变形，内应力所产生的应变是非常微小的。原因在于当屈服点小于或者等于内应力的时候，会发生极小的变形从而将应力释放出来[3]。

（8）恰当地安排焊接顺序。恰当的焊接顺序通常可以有效地平衡收缩力。即有意地对不同部位的结构来安排焊接，从而使已焊的收缩力可以与某一处的收缩力进行相互抵消。

（9）除去焊接过程中以及焊接结束后所产生的收缩力。除去收缩力通常可以采取锤击法的方式来实现，然而该方式的运用还具有一定的争议。锤击法是将外力施加在焊缝上，这是一种通过机械的方式来进行加工的方法，这种方法可以将焊缝变得长而薄，并且能够有效除去剩余的应力。

在应用锤击法消除收缩力的过程中要遵循一定的原则，锤击法对温度有着一定的要求，并且要保证锤击的力道和频率，将其控制在合理的范围内。此外，不得锤击焊道的根部与表面，也不可锤击同等的材质，施工人员需要严格地进行会状锤击。

1.2 控制焊接残余应力的技术措施

①对焊缝进行有效处理，将其尺寸减小；②将拘束焊缝的力度降低；③对焊接顺序进行合理化安排；④弱化焊件的刚性能力，创造条件使其能够自由收缩。

1.3 防治焊接裂纹的技术措施

（1）焊接材料的选择应当科学合理，并且对焊缝中存在的化学物质进行有效把控，减少材料中容易产生偏析的元素含量，比如硫、磷等，从而避免出现热裂纹。

（2）对焊接的工艺参数加以有效控制，确保焊道截面的深度与宽度比值可以满足焊接工艺需求，从而使热量输入能在允许的范围之内[4]。

（3）做好焊接前的预热工作以及焊接后的缓冷处理，通过这样的方式使焊接接头得到改进，控制，从而对HAZ的整体性能以及焊缝进行改善，避免产生冷裂纹。

2 减少焊接应力集中的控制措施

（1）在进行焊接设计的时候应当完整、匀顺而连续；尽量使焊缝不出现交叉密集的情况。焊缝间的距离不得小于100mm。

（2）不论中心线是否对称，对于不等厚板的对称焊接头都应当把厚板削成坡度形状，再将其对齐[5]。

（3）应当在工作最为有效之处布置焊缝，从而达到焊接量最少，效果最佳的目的。

（4）应当在方便焊接、便于检查的地方布置焊缝位置。

（5）将和缓的过渡设置于焊缝连接板的根部。

（6）切去筋端部的锐角，对板的端部做包角处理。

（7）尽量靠近中心轴将焊缝进行对称布置。

（8）焊缝尽量不要在应力集中的地方进行布置，特别是要对处在动载结构处的焊缝加以注意。

3 焊接安装工艺

（1）在全部将吊装、校正以及栓焊混合节点的高强螺栓拧成节间之后再进行焊接，使钢结构的框架更加稳固。

（2）在对钢结构进行焊接的过程中要根据其自身的框架特征，选择基准节间或基准柱来焊接柱和主梁间的焊缝，由中间向外围进行施焊，以免一直向同一个方向收缩变形。

（3）当结束拼接节柱中的柱梁接点时，按照从上往下的顺序对接头进行焊接，确保框架的稳固性。

（4）混合接点要按照先栓后焊的顺序进行，以免孔间在收缩力的作用下产生移位。

（5）对称于柱梁接点两边的梁需要与柱同时进行焊接，使焊接的拘束度得以降低，以免在焊接的过程中出现裂纹，保证柱脚的稳定性。

（6）在焊接柱、柱节点的时候要按照由下往上的顺序进行。在重力以及横向收缩力的作用下会使焊缝出现沉降，可能会在一定程度上累积标高误差，在结束节柱的安装与焊接工序之后，应根据实际情况，对柱长进行调整，确保节柱的安装精确度。

4 预防钢结构变形的措施

（1）对称孔径或者零件要保持同一的尺寸，为加工提供便利，同时在拼装的过程中还可以进行互换。

（2）焊缝的布置应恰当合理，不同的焊缝间要保持一定的距离，不可过近。若零件与材料尺寸相等时，焊缝的拼接应当尽可能减少甚至不做；在轴线两侧或者构件重心的对称位置来布置焊缝，减少焊接变形的发生以及集中过多的焊接应力。

（3）在连接构件与零件的过程中要避免相接不等厚度和截面，通过缓坡的方法对厚度以及截面的形状加以改变，避免焊接应力过大，出现变形[6]。

（4）杆件端头边缘与节点之间的距离要在20mm以上，以此确保焊接的质量。

（5）①普通的钢结构适宜应用交流焊机。②焊接要求比较高的钢结构适于应用直流焊机。③对于柱梁较长的对角或者角焊缝适宜采用埋弧焊自动焊。

5 结语

总而言之，钢结构凭借其自身特有的优势，在建筑行业的应用日渐广泛，迎来了全新的发展时代。焊接技术使保证钢结构质量的重要前提和基础，因此相关施工人员应当明确焊接技术的重点和难点，并且对焊接变形和焊接应力的控制措施加以有效把握，运用合理的技术措施来进行焊接施工，确保钢结构的质量。