投稿20140611箱形梁焊接变形控制和矫正

南    毅

摘 要：本文分析火焰矫正焊接变形的原理，具体结合到钢结构箱形梁的制作,阐述装配焊接的合理工艺、焊接变形的控制和矫正方法。

关键词 火焰矫正的原理  焊接变形的控制和矫正。

1.前言

箱形结构普遍应用于高层钢结构、桥梁、起重机钢结构中。目前箱形梁生产线已经推广使用,但是对于箱形尺寸过大、或者箱形梁本身需要起拱的复杂结构还是要采用人工组立制作的方法（使用胎架和工装夹具）。这样在装配焊接过程中都会产生焊接变形问题，而且难于使用机械矫正。

焊接箱形梁发生了超出技术要求所允许的变形应设法矫正。各种矫正变形的方法实质上都是设法采用新的变形去抵消已经发生的变形。当不具备机械矫正条件时，可以采用火焰矫正。本文针对箱形结构焊接变形的原理，矫正方法和焊接变形的控制作一个具体的分析。

   2.气体火焰矫正的原理

   当金属结构上部局部加热时,加热区的金属热膨胀受到周围冷金属的约束,不能自由变形,某些部位的被塑性压缩。冷却后,残留的局部收缩使结构获得了矫正所需要的变形。而且,金属具有热胀冷缩的特性,机械性能随温度而变化。温度在500℃以下，屈服极限基本无变化；温度高于600℃时屈服极限接近于零。温度在500℃～600℃之间时呈线性变化。应用这些原理和特点，利用加热和冷却的方法对钢材进行弯曲及矫正，下面具体分析热加工的原理。

2.1点状加热(缩短矫平)

对较薄钢板进行加热时,因板较薄,表面热量很快传递到内侧,高温贯通整个板的横剖面,冷却时,上下表面冷却相同,中和轴上下侧的冷却收缩力也相同,所以加热时上下表面膨胀部分留下来,从而造成整个板缩短,但并没有弯曲。如图2-1所示。

图2-1 点状加热收缩过程

缩短加工加热点位置相对固定。使板内外同被加热（通常也称为针灸法）。这种方法一般用于矫正薄板波浪变形。

2.2 线状加热(实现弯曲)

线状加热法又称热弯板法，在钢结构制造业被广泛采用。加热弯曲原理如图2-3所示，钢板被加热后，离加热点最近处的表面温度上升最快，膨胀也最快，周围所受的热影响较小，膨胀也很小，加热停止后，温度向周围扩散，被加热部分开始冷却，形状也渐次恢复，但因表面与空气接触，热散失快。因而使表面被加热部分还未恢复原状就已经固定下来。

图2-2线状加热冷却收缩过程

随着冷却过程的继续，在中和轴上侧的高温开始收缩，其收缩力使板向上弯曲，弯曲终止后钢板两端各缩短a/2，中间却凸起体积a，

这样总体积不变，重量也不变。对钢板用火焰沿直线方向移动同时为使加热线增宽也可以作横向摆动，形成长条形加热。

2.3加热温度和火焰的选择

火焰矫正所用的氧-乙炔混合比应为1：1.05～1:1.25之间的中性焰或者氧化焰,但要避免采用碳化焰,过量的乙炔分解为游离状态

的碳和氢,如果加热速度较慢,对被加热的金属有渗碳作用。

火焰矫正加热温度表3-1

  2.3.2中温矫正温度在600～700℃时屈服极限δS 更接近零值,火焰矫正的效果较低温矫正时要高一些。加热温度仍在相变温度以下，金属组织没有相变，因此金属的性能也变化不大 

中温矫正法在国内外应用比较普遍。

2.3.3高温矫正的温度范围内存在金属组织的相变,但由于Q235钢和Q345钢等钢材在空气中冷却后,仍然可得到退火组织,其机械性能变化也不大。但是如果加热温度过高，会引起奥氏体晶粒长大，冷却后得不到细化，则会增加金属的脆性，降低冲击韧性。

     特别要注意对Q345钢等低合金结构钢，加热至相变温度下不得使用水冷，否则将会产生低碳马氏体，影响冲击韧性。

2.4火焰矫正对钢梁承载力的影响

根据研究结果,焊接内应力和火工矫正引起的应力是一样的, 由于火焰加热的范围比较宽，温度场分布比焊接温度场平缓。因此通常火工矫正的应力比焊接应力小。火焰矫正的温度可在较大范围内变化。不恰当的火工矫正会产生较大的内应力，与焊接应力和负载应力迭加，可能会造成钢梁局部区域的总应力超过许用应力而降低承载安全系数。避免在钢梁受拉区进行火工矫正，尽量在受压区作加热矫正。因此，在钢结构制造中采用火焰矫正一定要持谨慎态度，只能作为矫正较小变形而采取的辅助措施。重点还是要采取正确的施焊次序和工艺措施。

3箱形梁焊接变形的控制方法

箱形梁焊接变形种类主要有（1）腹板波浪变形（2）钢梁纵向的旁弯或起拱（3）盖板伸出腹板部分的角变形。在实际制作中可以采用正确的施焊次序、利用外力对工件的影响减小焊接变形。

3.1装配焊接的次序

3.1.1.将上盖板放在平台上,拉线检查水平弯曲,如有弯曲要矫正,每块筋板位置两边用压板螺丝压紧在平台上。

3.1.2. 在上盖板上号出筋板和腹板的定位线,并按定位线组装筋板,要求与上盖板垂直。焊接上筋板与盖板的焊缝，焊接方向如图3-1。

                    图3-1 筋板与上下盖板的焊接方向

3.1.4.在上盖板上组装定位焊两腹板形成∏形梁,焊接∏形梁内壁焊缝。观察∏形梁的旁弯，注意腹板凹凸的方向。将∏形梁侧放使凸形腹板面朝上，首先焊接凸向腹板与内部筋板焊缝。焊完一面再翻180°，凹形腹板朝上，焊接另一面腹板与筋板的焊缝。

3.1.5将∏形梁倒置放在平台上,以两端弯板平面为基准找水平,检查腹板和盖板的偏斜。如有扭曲变形可用螺栓拉紧器使梁反扭转，然后定位组装下盖板。

3.1.6焊接盖板与腹板的纵向角焊缝,采用自动埋弧焊,将箱形梁斜放45°(船形位置焊),焊接次序为先焊下盖板与腹板的焊缝,后焊上盖板与腹板的焊缝。如果钢梁有水平弯曲，应先焊凸向腹板与盖板的焊缝，后焊凹向面腹板与盖板的焊缝。见图3-2。

图3-2箱形梁纵向角焊次序

焊接次序的制定是根据焊接变形的特点:先焊的先变形,并且约束后焊的焊接变形,因此我们利用这个特点对制作过程的变形采取恰当的施焊顺序加以控制变形。

3.2.应力状态对焊接变形的影响

焊接变形形成过程为焊接时金属热膨胀受阻而形成压应力，当压应力超过弹性范围时进入高温塑性状态。冷却时金属收缩产生变形，因此焊接变形与工件在施焊时的原始应力状态有关。举例来说，当两根箱形梁中间垫以垫块，两端用螺栓拉紧器对梁加压形成弯矩，如图

3-3所示，则梁上部产生弯曲拉应力，下部产生弯曲压应力。主梁在受拉区焊接，螺栓拉紧器的外力削弱了热膨胀的受阻程度，塑性区压缩变形减小，冷却后残余变形自然也小。相反，在受压区焊接，外力加强了金属热膨胀的受阻程度，焊接塑性变形加大，冷却后残余变形也大，即在热膨胀阶段，受拉区应力互相抵消一部分，减小了达到屈服极限的区域，焊接变形增大。

                    图3-3 应力状态对焊接变形的影响

 箱形梁在外力作用下焊接变形的规律是，在受拉区施焊焊接变形小，在受压区施焊焊接变形大。对外力约束状态的利用可以结合焊接次序实现焊接变形的综合控制。

4. 箱形梁火工矫正的操作方法

火焰矫正按加热部位的形状分为点状加热、带状加热和三角形加热等方式。

4.1点状加热

点状加热方式的特点以近似的圆形或者方形加热点达到矫正。

4.1.1矫正箱形梁拱度。在盖板上沿宽度隔一定距离（50～150）

加热直径为30～80的正方形的点列实现火焰矫正。先加热中间点再向两边加热各点，每点由中心开始，逐渐扩大成圆形或方形。这种矫正方式能改善内应力分布对钢梁承载力的影响较小，但效率较低。用于变形不大的矫正。

4.1.2矫正腹板波浪变形。修理波浪变形首先要找出凸起的波峰，

用圆点加热法配用手锤矫正，加热圆点的直径可取60-100mm（板厚较大者直径可取大值）。烤嘴从波峰为起点作螺旋形移动（图4-1）采用中温矫正。当温度达到600～700℃时,将手锤放在加热区边缘处,再用大锤锤击小锤,一方面使圆点加热区边缘被部分锤平,另一方面使加热区金属受挤压,冷却收缩后被拉平。矫完一个圆点后再加热第二个波峰点，方法同前。另外方法，对凸起的波峰用适当的工具或重物压平后再用火工加热，无需锤击，这样效果更好，矫正波峰后波谷凹陷情况会有所减小，如仍然存在明显的波谷，可将凹陷部分拉平，在凹陷区中部焊接吊马，用丝杠将凹陷的波谷拉起拉出，再配合火焰加热矫正的方法（图4-1）。

                          图4-1烤嘴移动轨迹

   4.2 纵向带状加热

   4.2.1矫正梁的弯曲变形。在梁的盖板上，对着纵向长焊缝，由中间向两端作带状加热（图4-2），即可矫正变形，为避免产生旁弯和扭曲变形，两条加热带要同步进行。可采取低温矫正和中温矫正的方法。

              图4-2 纵向带状加热矫正钢梁弯曲变形

这种矫正方法有利于减小焊接内应力，但这种方法在纵向收缩时同时有较大的横向收缩，如果掌握的不好，容易引起梁的扭曲变形。此外，弯曲变形矫正量也难于掌握。

 4.3横向带状加热和三角形加热

 在梁的上盖板或腹板上横向加热,同时在腹板和盖板用进行三角形加热(图4-3),用于矫正梁的拱翘或水平旁弯。这是目前采用得最多的一种矫正方法。这种方法效果特别显著。横向加热宽度通常取20～90mm，板厚小时加热带要窄一些。盖板或腹板的横向带状加热应由中间向两边扩展。最好由两人操作完成横向带状加热，再分别加热两面三面的三角形加热，三角形的高度不得超过梁高的一半，三角形的底与对应的带状加热宽度相等。加热三角形应由三角形的顶部开始，然后从中心向两边扩散，一层层加热直到三角的底边（盖板处）。

如加热区有凸起的波峰，应先从凸起处加热。烧嘴与平板之间角度为90°,采用中温矫正,若加热区已烤到要求的温度,仍然有凸起外,可配合平锤矫平。

                                 图4-3横向加热和三角形加热

结束语

通过本文对焊接变形原理论述及应力与变形之间关系的分析,我们可以认识到焊接变形问题的实质,并可以灵活地运用火焰矫正和综合矫正(约束与火工相结合)操作方法。在实际制造过程中我们还要注意以下几点：

1.为防止加热区的局部变形和金属的过多氧化，应避免在同一部位重复加热。

2.在制定火焰矫正方案时应尽量避免在钢梁最大应力截面附近。

3.应在加热区逐点加热扩大加热,避免以预热方式大面积往复缓慢加热,这样会使矫正效果低且产生局部变形。

4.加热不允许温度过高甚至烧化金属。氧-乙炔焰温度很高，如中性焰的焰心2-4mm处最高温度可达3050-3150℃，加热时应注意观察金属的颜色，当达到要求温度时立即将烤嘴抬高和移开。

                                                 宝胜建设有限公司  南毅