目录引言 31 典型箱形梁结构形式 42 焊接变形 52.1 焊接变形的机理 52.2 焊接变形的影响因素 62.3 焊接变形的类型 82.4 控制焊接变形的措施 82.5 矫正焊接变形的方法 93 对典型箱形梁特厚板焊接变形的控制 113.1 焊接概况 113.2 焊接变形的控制措施 11结论 14参考文献 15摘要为了改善典型箱形梁特厚板的焊接变形，提高焊接质量和产品质量，通 过优化设计措施（预留接缝、改变施焊方法和合理设计坡口）和现场焊接措 施（采用 CO2 气体保护焊、合理安排焊接顺序等）对典型箱形梁在焊接过程 中产生的变形进行控制结果证明通过以上变形控制措施，在厚板箱形梁节 点焊接变形控制中收到了良好的效果关键词：焊接变形控制；箱形梁；特厚板AbstractTo improve the characteristics of typical box beam welding of thick plate deformation and improve the welding quality and product quality, by optimizing the design of measures (aside joints, changing methods and rational design of welding groove), and field welding measures (use of CO2 gas welding reasonable arrangements for welding sequence, etc.) on a typical box beam in the welding process to control the deformation.Results show that deformation of the above control measures, in the thick box beam welding distortion control node has received good results.Keywords:Welding distortion control; box beam; special plate.引言近年来,随着箱型结构在工程上的广泛应用,其变形的控制成为迫切需要 解决的问题之一。
箱形梁的截面形状和通常的箱子截面一样，所以叫箱形梁 一般由盖板、腹板、底板以及隔板组成其材料有钢材和预应力钢筋混凝土 两种，我们主要研究需要焊接加工的钢材制作的箱形梁箱形梁主要用于大 跨度的承重结构箱形截面具有良好的结构性能，因而在现代各种工程中得 到广泛应用 由于箱形梁结构的特点，节点焊接难度较大，如果设计不当或 者焊接过程中出现错误就会严重影响了焊接质量，本文主要针对箱形梁在焊 接加工时出现的变形和对这些变形通过优化设计措施和现场施焊防止、消除 的综述1典型箱形梁结构形式箱形梁指横截面形式为箱形的梁当桥梁跨度较大时，箱形梁是最好的 结构形式，它的闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于弯桥和采用悬臂施工的桥 梁犹为有利顶底板都具有大的面积，能有效地抵抗正负弯矩并满足配筋需 要，具有良好的动力特性和小的收缩变形值典型箱形梁材质为Q235B和 Q345C，厚度100mm，结构为85mx85m的方形结构，每层由1.6mx0.8m的 箱形梁组成的交叉结构周边悬挑梁长37.5m,两层结构周边钢梁之间通过方 刚管柱铰接连接结构平面图如图1所示图1结构平面图2 焊接变形2.1 焊接变形产生的机理焊接时的不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。
热输入是通 过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束和外拘束而影响热源周围 的金属运动，最终形成了焊接应力和变形材料因素主要包含有材料特性、 热物理常数及力学性能，因温度变化而异;在焊接温度场中，这些特性呈现出 决定热源周围金属运动的内拘束度制作因素和结构因素则更多地影响着热 源周围金属运动的外拘束度焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果通常，若仅就其 内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下焊接热输入引 起不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则 受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生 压缩塑性变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不 同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相 应的收缩拉应力与变形这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应，在构件中会形成自身相平 衡的内应力，通称为焊接应力焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料 回复到弹性状态；此时，若有金相组织转变，则伴随体积变化，出现相变应 力随焊接热过程而变化的内应力和构件变形，称谓焊接瞬态应力与变形。
而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，成为焊接残 余应力与焊接残余变形2.2 焊接变形的影响因素（1）焊缝及附近金属不均匀加热的范围和程度，也就是产生热变形的范 围程度焊缝尺寸，数量，位置，材料的热物理性能（导热系数以及膨胀系数） 和力学性能（弹性模量，屈服极限），焊接工艺方法（气体保护焊，电子束焊， 气焊，焊条，电弧焊，埋弧焊等），焊接规范参数（焊接电流，电弧电压，焊 接速度，焊前预热，焊后缓冷及焊后热处理），施焊方法（直通焊，分段跳焊 逆向分段跳焊，退焊等）2）焊件本身的刚度以及受到周界的拘束程度，也就是阻止焊缝及附近 金属加热所产生热变形的程度构件的尺寸，形状，胎夹具，焊缝布置，装配焊接顺序等焊接构件在拘束小的条件下，焊接应力大变形小，反之，焊接应力小变 形大总之，焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的结果焊接时的 局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定性因素，热输入是通过材料 因素，制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的 金属运动，最终形成了焊接应力和变形影响热源周围金属运动的内拘束度 主要取决于材料的热物理参数和力学性能，而外拘束度主要取决与制造因素 和结构因素。
2.2.1 影响焊接纵向变形的因素（1）材料的热物理性能的影响 热物理系数越大变形越大2）焊接工艺方法的影响 能量密度高的焊接方法变形小4)焊接层数的影响 层数越多变形越小5)施焊方法的影响 分段退焊V分段跳焊V直通焊的变形间断焊纵向收缩变形小于连续焊7)构件尺寸与形状的影响2.2.2 影响横向变形的因素1)焊接工艺方法的影响能量密度高的焊接方法变形小2)焊接道数的影响每道焊缝所产生的横向变形逐层递减3)坡口形式的影响坡口角度越大，间隙越大变形越大4)接头形式的影响对接接头的横向变形大7)焊接参数的影响线能量越大变形越大构件尺寸及形状的影响2.2.3 影响角变形的因素1) 接头形式的影响 对接接头的角变形大2)坡口形式的影响 坡口角度越大角变形越大，且同厚度的板X型坡口 VU型坡口 VV型坡口的角变形量3)焊接道数及层数的影响 道数越多、层数越多角变形越大4)焊接工艺方法的影响能量密度高的焊接方法变形小2.2.4 影响波浪变形的因素1) 板厚与宽度的比值 比值越小，越容易产生变形2) 临界应力 临界应力越小，越容易产生变形2.3 焊接变形的类型（1）纵向收缩变形 表现为焊后构件在焊缝长度方向上发生收缩，使长 度短。
2）横向收缩变形 表现为焊后构件在垂直焊缝长度方向上发生收缩3）挠曲变形 是指构件焊后发生挠曲挠曲可以由纵向收缩引起，也 可以横向收缩引起4）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移5）波浪变形 指构件的平面焊后呈现出高低不平的波浪形式，这是一 种在板焊接时易于发生的变形形式6）错边变形 指由焊接所导致的构件在长度方向或厚度方向上出现错 位7）螺旋形变形 又叫扭曲变形，表现为构件在焊后出现扭曲2.4 控制焊接变形的措施2.4.1 设计措施（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式，保证承载能力和焊缝质量（工艺） 的前提下，选择最小的焊缝尺寸1） 低合金钢对冷却速度敏感，焊缝尺寸稍大2） 丁字接头和十字接头，开坡口焊透3） 对接焊缝，选择焊缝金属量最少的坡口形式4） 薄板结构，采用接触点焊2）尽可能减少焊缝数量，尽可能选择型材或折弯，压形，减少联系焊 缝3） 合理安排焊缝位置，靠近中心轴对称2.4.2 工艺措施（1）反变形法 事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予 一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求2）刚性固定法 采用胎夹具或其他临时支撑等方法，增加结构在焊接 时的刚性，限制焊接变形，但刚性固定会产成较大的应力。
需要注意的是， 该方法对防止弯曲变形的效果不如反变形，对角变形和波浪变形的效果好3）合理的选择焊接方法和规范 焊接方法比较好的有真空电子束焊， 二氧化碳气体保护焊采用分层焊接的方法，并且焊后进行水冷，以用来降 低焊接热场4）选择合理的装配焊接顺序 把结构适当分成部件，分别装配焊接， 然后拼焊成整体使不对称焊缝和收缩量较大的焊缝比较自由地收缩，不影 响整体结构2.5 矫正焊接变形的方法（1） 机械矫正法 利用手工锤击或机械压力矫正焊接残余变形的方法 叫机械矫正法采用一定的措施使收缩的焊缝金属获得延展，就可以校正变 形并调节内应力的分布利用外力使构件与焊接变形方向相反的塑性变形， 是两者互相抵消，这就是减小和消除焊接应力与变形的基本思路之一2） 火焰矫正法 利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形， 使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的目的称火焰加热矫正法火 焰加热法采用一般的气焊焊炬，不需要专门设备，方法简单，比较机动，可 以在船舶等巨型结构上进行矫正，因此在生产上广为应用火焰矫正的效果 好坏关键在于正确的选择加热位置和加热范围3对典型箱形梁特厚板焊接变形的控制3.1焊接概况典型箱形梁截面如图2所示。
图2 典型箱形梁界面图 不同位置的坡口形式示意图如图3所示a）上下翼缘对接坡口图3不同位置的焊缝坡口形式示意图在典型箱形梁焊接连接节点内共有9条焊缝，焊接工程量大，焊接变形 难遇控制，出现变形后不易矫正，因此在该典型节点变形控制十分重要3.2焊接变形的控制措施该结构形式新颖独特，节电焊接难度较大通过该节点仔细研究分析后, 在保证焊接质量，提高焊接效率的前提下，主要从优化设计和现场焊接两方 面控制焊接变形3.2.1优化设计措施（1）分别在上、下翼缘板横接缝的位置由工厂预留500mm的接缝在现 场焊接（预留位置如图2与图3b所示），其目的是防止在现场焊接腹板及上、 下翼缘板接缝的过程中预留接缝位置受到焊接拉应力而出现撕裂现象，且预 留位置也可以充分地释放腹板及上下翼缘板接缝的内应力通过工地实践， 表明这段焊缝预留得十分必要，在工厂出厂的构件中，有个别接缝没有预留, 当现场腹板焊接完成后，现场观察到此处的焊缝有部分被撕裂的现象，从而 印证了设计上下翼缘接缝预留的正确性2） 在厚板CO2焊仰焊位置质量难以保证的情况下，将下翼缘板原仰焊 位置改为平焊，保证焊接质量，同时需要在钢梁上翼缘开洞作为焊工操作孔。
3） 在保证现场对接焊缝能全熔透的前提下，节点设计采用小角度坡口、 根部窄间隙的接头形式，减少了焊接热输入量，控制了焊接变形坡口角度 35°，根部间隙9mm3.2.2现场焊接措施（1）为了减小焊接热输入量，现场采用CO2气体保护焊，焊丝采用焊接 成形较好的药芯焊丝TWE-711，并制定严格的焊接工艺焊接时采用中速焊 接，焊接电流选用下限值，从而减小焊接变形严顿号接骑扌号播缝产£ \ 号按墟7 1! 3 i珀弓接魅 _5号接迪图4焊接顺序示意图（2）针对箱形梁板厚度大、焊缝多，钢梁截面大的特点，根据在对称焊的同时要先焊接收缩量大后焊接收缩量小的焊接原则，现场制定了合理的焊 接顺序，焊接顺序如图4所示，途中的数字编号为焊接顺序其中1-1', 3-3', 6-6'同时对称焊接，在该焊接顺序中，首先同时焊接箱形梁腹板接缝，其次是 下翼缘对接接缝和预留接缝，焊接完成之后，再焊接上翼缘盖板接缝，其目 的主要是为了增加钢梁下翼缘的刚度，防止在焊接钢梁上翼缘盖板的过程中 钢梁出现下挠变形3）在焊接过程中，最容易出现变形的位置是两侧腹板向内侧变形，且 变形量比较大腹板是整个钢梁接头的第一道焊缝，此时钢梁接头处在自由 状态，更易出现变形。
因此，对腹板焊接变形的控制是典型箱形梁变形控制 的关键所在在焊接腹板的过程中，有两名焊工在两侧同时进行焊接，将腹 板三等份，采用分段腿焊法焊接（图5），并且在箱形梁中间加刚性可调支撑,图5分段退焊方法示意图 图6刚性支撑分布示意图根据焊接变形规律，变形量最大的部分应该在腹板靠近钢梁上盖板的位置， 支撑的分部原则应该是钢梁的上部密，下部疏，具体分部如图6所示4）在焊接钢梁上盖板时，有一名焊工在上翼缘4号和5号接缝之间轮 换交替焊接，该焊接方法不但能很好地控制焊缝层间温度，还能有效地控制 钢梁盖板因一条焊缝焊接量过大而引起盖板另一侧出现上挠变形结论通过以上变形控制措施，在厚板箱形梁节点焊接变形控制中收到了良好 的效果多安排对称，交替轮换同时的焊接方法焊接是保证同类结构焊接质 量的重要措施，现场焊接工作进展顺利，箱形梁腹板变形控制在2mm之内， 完全满足施工要求参考文献[1] 田锡唐.焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1991.[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第3卷焊接结构[M].北京：机械 工业出版社， 2007.⑶宗培言.焊接结构制造技术与装备[M].北京：机械工业出版，2007.[4]方洪渊.焊接结构学[M].北京：机械工业出版社，2008.⑸ 王国凡.钢结构焊接制造[M].北京：化学工业出版社，2004.。