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钢结构的焊接变形与应力分析
钢结构的焊接变形与应力分析
摘要
近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载、要求施工速度快、节能环保、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件，因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。
本课题主要对H型钢焊接变形与应力进行研究，主要内容包括H型钢结构概述、H型钢结构焊接工艺、H型钢结构焊接应力与变形分析、典型H型钢结构焊接生产工艺等，本文通过研究分析H钢结构焊接应力与变形的类型及原因，以指导钢结构的生产及应用。
关键词：
钢结构，焊接变形，应力，强度
STEELSTRUCTUREWELDINGDEFORMATION
ANDSTRESSANALYSI
ABSTRACT
Inrecentyears,alongwithChina'sindustrialdevelopment,steelstructureengineeringbecauseofitsstructureperformanceisgood,structuralorganizationuniformity,highstrength,highmodulusofelasticity,plasticityandtoughness,suitableforbearimpactandtheseismicload,constructionspeedandfacilitatethemechanizationofmanufacturingandhigherdegreeindustrializationsuperiorconditions,somanysteelstructureengineeringinarchitecturehasbeenwidelyused.But,can'tdeny,steelstructurestillexistdefectsandhiddentrouble.Steelstructureweldingprocessistheweldingdeformationandtheweldingstresswaitforblemish.Steelstructureweldingprocessisactuallyinweldingafterheatingandcoolinglocalarea,butduetothesolidificationprocessofnon-uniformtemperaturefield,causingweldingunevenexpansionandcontraction,therebyinternallygeneratedweldingweldingstressandcausetheweldingdeformation.Thispapermainlyanalyzesthesteelstructuretypesandreasonsoftheweldingdeformationandstresselimination.
KEYWORDS:
steelstructure，Theweldingdeformation，Stress，Strength
目 录
钢结构的焊接变形与应力分析I
摘要I
前 言1
第一章钢结构的组成及发展3
1.1钢结构主要组成部分3
1.2钢结构的发展前景3
1.2.1H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展3
1.2.2钢结构住宅前景广阔4
第2章H型钢概述6
2.1H型钢优点、适用范围6
2.1.1H型钢使用中有以下显著优点：
6
2.1.2H型钢适应范围6
2.2H型钢结构对连接的要求6
第3章H型钢焊接工艺及变形8
3.1H型钢焊接工艺设计8
3.1.1H型钢结构特点8
3.1.2H型钢的制作要点：
8
3.1.3焊接过程中的难点：
9
3.1.4产生变形原因9
3.2焊接工艺分析9
3.2.1熔透焊（Ⅰ级）的难点：
9
3.2.2焊接工艺方案10
3.2.3焊接工艺方法10
3.2.4焊接变形控制与矫正11
3.2.5采取的预防方法和产生的效果11
第4章H型钢的应力与变形分析13
4.2H型钢焊接应力与变形14
4.2.1纵向残余应力14
4.2.2横向残余应力15
4.2.3厚度方向的残余应力16
4.2.4焊接应力与变形产生的原因16
5.1焊接变形的基本类型分析和原因分析3
5.1.2工艺措施4
5.2柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲5
结论6
谢辞7
参考文献8
前 言
钢结构的发展有悠久的历史。
钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。
钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。
我国是最早用铁制造承重结构的国家，远在秦始皇时代（公元前246-219年），就已经用铁做简单的承重结构，而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。
公元3-6世纪，聪明勤劳的我国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名的四川泸定大渡河铁索桥，云南的元江桥和贵州的盘江桥等都是我国早期铁体承重结构的例子。
在世界上钢结构的发展也很迅速，1960日本积水（SEKISUIHOUSE）公司推出A型钢结构住宅。
1961建成北京工人体育馆。
中国现代悬索结构的开始。
1962日本大和公司推出A型钢结构住宅。
1965日本松下住宅推出R2N型钢结构住宅。
1970当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成，高410米1973当时最高的芝加哥西尔斯大厦SearsTower完工，110层，高442米。
1974中国颁布TJ17-44（半概率，半经验的设计法）。
钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，得到了迅速发展和普遍应用。
而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，但随之带来的焊接变形与应力问题也日益突出。
金属构件焊接时，焊缝区域局部受热膨胀，而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高，因而对受热区域母材的膨胀起约束作用，因而焊接区受压，而母材受拉；随着电弧前移，已完成焊接的热影响冷却收缩，而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用，因而焊缝区域受拉，而其周围的母材金属受压。
在焊接应力作用下，如果焊件的拘束度较小，则焊件会产生相应的变形，如缩短、弯曲、翘曲等；如果焊件的拘束度很大，此时焊件不能自由变形，但在应力作用下会产生局部的应变，同时产生较大的残余应力。
焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1800℃，局部高温使材料产生不均匀的膨胀。
处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变，在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。
另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。
产生相变应力。
除上述两种原因外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力，上述因素就是焊接残余应力的形成过程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程。
但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。
本课题主要从H型钢结构的焊接变形与应力对钢结构的影响来分析。
第一章钢结构的组成及发展
1.1钢结构主要组成部分
钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。
钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。
钢结构为确保达到保温效果，在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。
迈特建筑轻钢结构住宅一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外，在墙外侧再贴一层保温材料，有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维，减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维，减少户墙之间的热传递。
1.2钢结构的发展前景
近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快（构件为预制，与土建基础部分可同时施工）、外形色彩美观、时尚、环保（拆除时较混凝土结构易处理）得到较快发展。
这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢。
作为钢结构主体材料的结构设计，H型钢已被业内专家认为是今后的发展趋势。
据统计2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。
1.2.1H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展
钢结构建筑形式的多元化、多样化，促进了钢结构形式多种多样。
有普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土结合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨（型钢）混凝土结构等等。
如：
轻钢结构，目前在国际上，特别是在我国，是被重点推荐的一种结构形式。
它具有重量轻、经济性好等特点，目前在各种屋盖结构及单层房屋中得到广泛应用。
在中、小跨度的屋盖中，轻型钢及轻型钢管拱型结构（平面曲线材架）也是较多采用的形式之一。
网壳结构在大跨度空间结构的建造中越来越多，网壳结构在地震作用下的动力性能与设计也得到了普遍关注。
网壳结构形式较多，有空间网格结构、单桩层面网壳结构、单层球面网壳结构、索承网壳结构等。
钢管结构因其形式多样，结构灵活多变，可与其他钢结构相互关连，更是城镇建设中大型建筑常见的结构形式。
目前一些造型优美的体育场馆如“鸟巢”、机场候机楼和会展中心应用钢结构等都采用了这些形式。
不过，螺旋焊管在高层大厦、重工业厂房等重钢结构中新的应用，都使热轧H型钢在钢结构领域应用受到限制。
1.2.2钢结构住宅前景广阔
轻钢结构住宅也是近10年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑投资的50%以上。
这些结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。
轻钢住宅的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的一个重要方向，目前已经有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。
钢结构住宅通用体系用于民用住宅，具有独特的优势，与其它住宅通用体系相比，其主要特点是：
1自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。
2布置灵活，开间大，房型丰富，约可提高建筑面积3%～5%。
具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于满足现代人的居住需要，适应现代住宅的市场需求。
3可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。
4施工周期大大缩短。
据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色建筑体系。
钢结构住宅因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的住宅结构产生较大冲击。
但由于受到相关领域如墙体材料、消防验收的制约，特别是在工业化、城市化快递进程中，人们环保意识淡薄，劳动力成本低等因素，导致住宅钢结构在我国短时间内难以形成规模。
一旦住宅钢结构技术上取得突破性进展，逐步取代传统建筑形态进入住宅建设市场，钢结构行业将引来爆发性的增长。
第2章H型钢概述
2.1H型钢优点、适用范围
2.1.1H型钢使用中有以下显著优点：
2.1.2H型钢适应范围
钢船舶机械钢结构对连接的要求
基本构件通过连接制成整体结构。
例如：
屋架。
在H型钢结构中，连接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题：
1连接设计与结构内力分析时的假定相一致；
2连接设计应选择最不利的荷载工况；
2传力直接、明确，避免应力集中；
4节点的变形协调；
5避免偏心的影响；
6连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力；
7利用厚钢板时，应避免层间撕裂；
8连接的构造简单，便于施工。
第3章H型钢焊接工艺及变形
成品（轧制）H型钢规格有限，大部分的H型钢均需拼装焊接制造，为了保证焊接质量，需制定相关工艺措施。
3.1H型钢焊接工艺设计
3.1.1H型钢结构特点
近年来，轻钢结构建筑在国内因施工进度快（构件为预制，与土建基础部分可同时施工）、外形色彩美观、时尚、环保（拆除时较混凝土结构易处理）等得到较快发展。
这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢制作而成。
焊接H型钢是由3块一定规格尺寸的钢板组焊而成，如图3-1。
两块翼板和腹板通过两个T型接头结合成整体。
这种结构形式虽然简单，但对外观要求较高。
因此，对焊接变形的控制、校正尤其重要。
图3-1焊接H型钢
3.1.2H型钢的制作要点：
1要求全焊透（熔透焊），无损检测应达到GB11345之Ⅰ级标准。
2钢梁连接板处的焊缝也是同样的要求。
3翼缘板与腹板焊接后的角变形Δ≤3mm（国家标准Δ≤3mm）。
3.1.3焊接过程中的难点：
1对于H型钢的熔透焊（钢板厚度δ=25mm）的焊接量非常大。
2在焊接中，容易出现以下几种较难处理的变形（非对称）：
翼缘板与腹板焊接变形，见图3-2；连接板与H型钢焊接变形，见图3-3。
图3-2翼缘板与腹板焊接变形图3-3连接板与H型钢焊接变形
3.1.4产生变形原因
产生变形的原因是焊接应力。
金属焊接是局部加热、熔化的过程。
焊缝加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高状态，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用，焊接区因此受压应力，而母材受拉应力。
随着电弧的前移，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而周围的母材起约束其收缩作用。
在这种作用下产生的是焊接应力，金属冷却后还存在焊接残余应力。
残余应力（横向、纵向及母材厚度方向）根据应力大小及构件的结构形式、约束程度的不同，产生的变形方向也不相同，因而产生变形结果也不相同。
3.2焊接工艺分析
3.2.1熔透焊（Ⅰ级）的难点：
1焊缝集中，钢板较厚（δ=25mm）。
2位置狭小，不便操作。
3构件长，重量大，摆放、翻身较困难。
3.2.2焊接工艺方案
根据上述情况，工艺的制定主要是满足焊透及焊后的变形控制。
由于板厚按常规焊接，这样的规格大多数采用K型坡口形式。
这种坡口形式焊接的优点是：
焊缝对称，焊接填充量少，焊后的变形及整体侧弯较小。
但由于操作位置小，清根很难，内部质量很难保证。
根据这样的情况，技术人员制定了单面40°～45°的坡口，留钝边。
采用CO2气体保护焊填充、背面清根的工艺。
3.2.3焊接工艺方法
在操作过程中为防止变形（T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差），各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。
由于焊缝交叉处40～50mm范围内无法清根（碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理），因此在零件下料时4个角50mm范围内短2mm组对时此处预留出2～3mm组对间隙，选用CO2气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力强可保证焊透；由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。
为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。
所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。
焊接位置尽可能焊平角缝，少焊立缝。
为加快施工进度，背面清根选择在构件侧立时，即一侧焊接另一侧清根同时进行。
依据情况具体确定参数见表3-1。
表3-1CO2气体保护焊参数表
项目
焊丝直径（mm）
焊接电流（A）
电弧电压（V）
CO2气体保护焊
Ф1.2
180～200
25～35
3.2.4焊接变形控制与矫正
前面从理论上表明焊接应力是产生焊接变形的原因，是焊接过程中不可避免的问题。
消除焊接应力对于这种钢结构件从经济的角度是不可取的，解决的办法通常有三种：
一是预变形，对于结构简单、零部件组合较单一的构件易采用；二是使之对称变形，H型钢焊接通常产生的角变形（对称），用H型钢矫直机可解决；三是变形后的矫正。
对于前面提到的两种变形（见图3-2、图3-3）是处理较困难的变形。
这些变形产生的原因，对于图3-2的变形来说与焊接顺序及两侧焊接线能量不均有关。
这种变形一般采用火焰加热方法矫正，对于个别变形量较大还需配千斤顶支撑。
表3-2埋弧焊H型钢焊接参数表
板厚（mm）
焊丝牌号
及规格
焊剂牌号
焊接电流（A）
电弧电压（V）
焊速（m/min）
25
H08MnA，Ф5mm
焊剂431
730～750
36～38
18
3.2.5采取的预防方法和产生的效果
1用两面同时打底焊接，自动焊使用相同的焊接工艺参数。
若使用手工焊可采用对称的焊接顺序，以及翼缘板固定在钢平台上施焊等。
2组对时采用预变形的方法来控制，见图3-4（数字经实践验证效果理想，埋弧焊H型钢焊接参数见表3-2）。
对于图3-3的变形，产生的原因是腹板与连接板要求焊透，焊接时热量过大而产生的，这种变形产生后矫正较为困难。
矫正的方法是采用火焰加热（加热区域见图3-5涂黑处）。
加热的温度应在正火温度以内600～800。
C，钢板的外观呈暗红色。
这种方法实际是将上、下翼缘板“烤短”（即使钢板经加热冷却后收缩），因此，根据实际情况在下料预留焊接收缩余量时考虑进去收缩余量值一般根据经验留取，也可以利用经验公式计算。
这种“烤短”方法虽然可行，但对操作工人的技术、经验要求较高，况且非常费时、费气（氧、乙炔）。
如何控制这种变形，所采取的方法是在保证焊透的前提下，尽可能减小坡口角度。
使用CO2气体保护焊，挑选技术较好的焊工施焊，减少返修（清根）等来控制，此方法钢结构制作过程中取得较好的效果。
图3-4预变形法控制变形图3-5矫正变形加热区域
第4章H型钢的应力与变形分析
焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。
4.1H型钢焊接变形种类及影响因素
由于H型钢点固时的刚性较低又采用了大线能量焊接，H型钢的焊接变形是严重的，而GB50205295《钢结构工程施工及验收规范》中对H型钢的几何尺寸要求十分严格，因此，严格控制焊接变形对于H型钢的焊接非常重要。
H型钢的焊接变形主要是角变形、弯曲变形、扭曲变形等，如图4-1所示。
1角变形
角变形的产生是由于焊接时温度在翼板厚度方向分布不均引起的。
控制方法主要是采用刚性固定措施，但在埋弧自动焊中不适合采用，因此，H型钢的角变形一般是通过焊后的机械矫正来消除的。
2弯曲变形
图4-1焊接变形形式
弯曲变形是由于焊接时温度在腹板上分布不均引起腹板的纵向收缩产生的。
其控制方法是采取控制焊接顺序和焊接线能量等措施。
如采用对称焊接，并保证各条焊缝线能量的一致。
3扭曲变形
扭曲变形是由于工件装配质量不好及焊接顺序和焊接方向不当引起的，其控制方法是采取刚性固定并严格控制焊接顺序和焊接方向。
4.2H型钢焊接应力与变形
金属焊接时在局部加热、熔化过程中，焊缝区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高，因而对焊缝区的膨胀起约束作用。
焊缝区产生塑性压缩变形，冷却后经过塑性压缩的焊缝区由于金属体积变小而产生了拉应力，而在该拉应力的作用下使相邻焊缝两侧的母材金属产生了压应力，这两种力就是我们常说的焊接应力。
按焊缝残余应力的分布方向我们可以把它分成三种：
沿焊缝长度分布的纵向残余应力σx，横向分布的应力σy，厚度方向分布的σz。
4.2.1纵向残余应力
该应力是由于焊缝的纵向收缩引起的，在焊缝区产生的是拉应力，母材区产生的为压应力，该数值的大小取决于钢材的塑性，钢号越高其数值越大。
另外在焊缝的引弧区和收弧区段数值较小，中间区段数值较大，其分布情况见图4-2。
图4-2纵向残余应力σx分布示意图
由图4-2可以看出，纵向残余应力在焊缝两端由小到大变化，是过渡区，中间部分数值较为稳定。
在该应力的作用下H型钢会产生纵向收缩变形，计算公式如下:
（4-1）
式中的A为焊缝截面积（mm2）；A为杆件截面积（mm2）；L为杆件长度（mm）；L为纵向收缩量（mm）；K1为焊接方法、材料热膨胀系数和多层焊层数有关的系数，对于不同焊接方法，系数K1的数值不同，当用CO2焊时，K1=0.043；当用埋弧焊时，K1=0.071～0.076；当用手工电弧焊时，K1=0.048～0.057。
对焊接H型钢来讲，由于四道主焊缝均偏离中性轴，因此任何一道焊缝的收缩都会产生挠度，由纵向收缩引起的挠度值f（cm）的计算公式如下：
（4-2）
式中的e为焊缝到构件中性轴的距离（cm）；L为杆件长度（cm）；Aw为焊缝截面积（cm2）；I为杆件截面惯性矩（cm4）；Kf为系数（数值同K1）。
4.2.2横向残余应力
在焊接过程中由于焊缝沿长度方向各部分的横向收缩，随着焊接熔化过程前移不能同时发生。
先焊的焊缝冷却后，焊缝形成约束而产生了横向应力，冷却后
形成的稳定数值即为横向残余应力。
其数值的大小按板宽方向来讲焊缝区最大，随着偏离焊缝横向距离的逐渐加大而降低，横向残余应力σy的分布情况见图3-3。
图4-3横向残余应力σy分布示意图
在横向应力的作用下会产生横向收缩变形，计算公式如下：
（式4-3）
式中的ΔB为对接接头横向收缩量（mm）；Aw为焊缝横截面积（mm2）；b为根部间隙（mm）；σ为板厚（mm）。
横向残余应力σy除了会产生横向收缩变形外，还由于其在焊缝横向和纵向数值分布的不均匀会产生焊后H型钢扭曲现象，因此应合理控制焊接工艺，采用钢性装卡，减少扭曲变形。
4.2.3厚度方向的残余应力
在焊缝厚度方向产生的残余应力为σz。
σz是由焊缝在Z向塑性变形积累产生，其分布情况见图3-4。
图4-4σz在厚度上的分布
残余应力σz对H型钢最明显的影响是产生焊接角变形，降低其使用强度，因此必须加以控制。
其角变形计算公式如下：
（式4-4）
式中的Δθ为角变形量（rad）；B为翼缘宽（mm）；δ为翼缘厚（mm）；hf为焊角尺寸（mm）。
4.2.4焊接应力与变形产生的原因
1焊件的不均匀受热
2焊缝金属的收缩
3金属组织的变化：
钢在加热与冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此造成焊接应力与变形。
4焊件的刚性和拘束：
焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大。
（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：
冷却后不会有任何残余应力与变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：
a当加热温度Tb当加热温度T>Ts时，可能出现以下三种情况：
如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力；
如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；
如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。
（3）长板条中
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