大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制

大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制

刘元宝

中铁铁工城市建设有限公司，甘肃 陇南 742200

摘要：在现代桥梁建设领域，大型钢箱梁因其优良的力学性能和经济效益而广泛应用。然而，在焊接过程中，由于高温热输入，钢材会产生不均匀的热膨胀和收缩，从而导致不可忽视的变形问题。此种变形不仅影响箱梁的几何尺寸和结构完整性，也可能引发后期的使用安全问题。因此，本研究聚焦于大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制，旨在深入探讨焊接变形的成因、影响因素及其控制技术。

关键词：钢箱梁；焊接变形；控制

引言

大型钢箱梁以其优越的承载能力和适应性，已成为现代桥梁设计中的重要组成部分。然而，在这一工程的施工过程中，焊接作为连接各个部分的关键技术，在焊接过程中产生的热输入会导致材料的热膨胀和收缩，进而引发变形。这一变形如果不加以控制，将严重影响结构的尺寸精度和整体稳定性。对此，工程界和学术界对焊接变形的控制技术展开了广泛的研究。尽管如此，针对大型钢箱梁这一特定类型的结构，其焊接变形的控制仍面临着诸多挑战。因此，开展针对性研究，将有助于提高施工质量和结构安全，推动工程技术发展。

1 焊接收缩变形的基本类型与特征

1.1 纵向收缩变形

纵向收缩变形是焊接过程中的一个关键现象，其特征体现在焊接件沿焊缝方向的长度变化上。此种变形的核心特性是在焊接过程中，由于高温影响，焊缝及其邻近区域的金属发生热膨胀，而在焊接过程结束并冷却到室温后，这些金属区域随之收缩。此收缩现象主要沿焊缝的纵向发生，因此被称为纵向收缩变形。首先，长度变化是纵向收缩变形最直接的表现。在焊接过程中，焊缝区域和毗邻金属由于受热而膨胀，随后在冷却时收缩，导致焊接件的整体长度减少。其次，由于焊接过程中热输入的不均匀分布，焊缝及其周围区域的膨胀和收缩也呈现不均匀性。此种不均匀性可以导致焊接件内部出现应力集中，影响其力学性能和稳定性。最后，纵向收缩变形程度受焊接热输入、焊接速度和焊材的性质等多种因素影响。高热输入通常会导致更大的纵向收缩，而快速焊接可能会减少收缩量。此外，不同材料的热膨胀系数不同，也会导致不同程度的纵向收缩。

1.2 横向收缩变形

横向收缩变形其特征体现在焊缝冷却后垂直于焊缝长度方向的尺寸变化上。与纵向收缩变形相比，横向收缩变形具有自身的独特性质和表现形式。首先，横向收缩变形的最显著特征是焊缝及其邻近区域在宽度上的变化。在焊接过程中，由于热输入，焊缝区域及其周边的金属发生热膨胀。当焊接完成后，这些区域在冷却过程中收缩，进而导致焊接件在垂直于焊缝方向的宽度上减小。其次，不同于焊缝沿长度方向的均匀分布，横向收缩通常在焊缝两侧表现出不同程度，尤其是在焊缝宽度较大或焊接热影响区（HAZ）广泛的情况下更为明显。此种不均匀收缩可能导致焊接构件的整体形状发生变化，比如产生弯曲或扭曲。

1.3 角度收缩变形

角度收缩变形是焊接中的一种特有现象，主要发生在焊缝两侧金属冷却收缩过程中，导致焊件产生角度变化。首先，角度收缩变形最直观的特征是焊接结构在完成焊接后出现的角度偏差。此种偏差通常发生在T形接头、角焊缝或其他非对称焊接结构中，其中焊缝的一侧金属量大于另一侧。在焊接过程中，由于热量的不均匀分布和冷却速度的差异，导致焊缝两侧的金属收缩不一致，进而引起结构在垂直于焊缝方向的角度变化。其次，与纵向或横向收缩变形相比，角度收缩的结果通常更难以预测和控制，因为其不仅受焊接过程中热输入的影响，还与焊接结构的几何形状、材料性质和焊接序列紧密相关。在复杂的焊接工程中，即使是细微变化也可能导致显著的角度收缩变形。

2 大型钢箱梁焊接收缩变形的控制策略

2.1 预控制技术

首先，技术人员应选择具有较低碳含量和良好焊接性能的低合金结构钢，如Q345，确保材料能够在焊接过程中展现出较好的热稳定性和较低的热应力发展。在预处理阶段，预热十分关键，其目的是减少焊接区域的温度梯度，降低快速冷却造成的热应力，从而减少收缩变形。对于厚度在20mm至50mm的钢板，预热温度应控制在100°C至150°C之间。接下来，在焊接顺序和路径规划方面，技术人员应采用分段对称焊接技术，即对称区域交替进行焊接，以平衡焊缝周围的热输入。在焊接长达数米的箱梁时，应从中心向两端进行，或者在不同的焊缝区域交替进行焊接。这一方法可以有效地减少由于热量集中造成的不均匀收缩和翘曲。此外，合理的焊接速度也极其关键，对于直径1mm的焊丝，推荐的焊接速度可能在20-30cm/min之间，具体数值需根据材料厚度和焊接方法进行调整。最后，技术人员应使用ANSYS或Simufact Welding等焊接仿真软件预测焊接过程中的热影响区和应力分布。其中，可以在软件中设定特定的焊接参数，如焊接电流400-500A，电压28-32V，然后模拟焊接过程中的热传播和应力集中区域。基于以上数据，可以进一步调整焊接参数，改变焊接路径或调整焊接顺序，以最大程度地减少焊接引起的变形。

2.2 焊接过程控制

首先，在焊接参数的优化上，关键在于精确控制焊接速度、电流、电压和焊接路径。针对特定厚度的钢材，技术人员应调整焊接电流在250至350安培之间，同时保持电压在24至28伏特，以实现高效而稳定的热输入。此外，根据焊接部位的不同，焊接速度可能需要在每分钟12至18厘米之间调整，以确保焊缝均匀加热且冷却速率适中。此外，焊接路径的选择对于减少变形同样至关重要。在焊接较长的直线缝时，技术人员应采用分段跳跃焊接法，即不连续地在不同段落进行焊接，以减少因热积聚导致的局部过热和不均匀收缩。对于T型或角焊缝等复杂焊接路径，则应采用多轴焊接机器人精确控制焊枪的运动，以实现精准和均匀焊接。在焊接过程中，技术人员需使用专门设计的焊接夹具来固定和支撑焊接部件，对于长度超过5米的钢箱梁，应使用能够适应其长度和形状的定制夹具，以稳固焊接部件，防止因热膨胀和收缩导致的变形。最后，技术人员应使用红外热像仪或类似设备实时监控焊接区域的温度分布。在焊接过程中，若焊缝区域的温度超过了预定的最高温度（比如600°C），则需立即采取冷却措施。相反，如果焊接区域的温度低于最低预设温度（如150°C），则可能需要暂停焊接并适当加热，以保持焊接区域温度均衡。

2.3 后处理技术

首先，热处理是后处理中的重要环节。技术人员应根据钢材的具体特性和焊接后的应力状况选择退火或正火等合适的热处理方法。其中，对于Q345钢等普通低合金结构钢，适宜正火温度范围可能在850°C至900°C之间，保温时间根据钢材厚度而变化，通常每25mm厚度约需1小时的保温时间。这样的热处理可以有效消除残余应力，并减少或校正由于热收缩引起的变形。对于机械矫正，技术人员应利用液压矫正机等专业校正设备，对焊接后的部件施加精确的力量，以达到所需的形状和尺寸精度。在实际操作中，对于厚度在20mm至50mm的钢板，施加的压力可能需要达到每平方厘米数十至数百牛顿，具体数值取决于材料的弹性模量和变形程度。通过控制施加力量的位置和大小，可以有效地对焊接后的部件进行物理矫正，以达到设计要求。此外，应力消除与再分布是后处理技术中不可忽视的一环。技术人员可以采用振动应力消除技术，通过对焊接结构施加一定频率和幅度的振动，来改变材料内部的应力状态，从而实现应力的重新分布。其中，对于大型钢箱梁，振动频率可能设置在20至60赫兹之间，振动时间则根据应力大小和分布而定，通常在数分钟至数十分钟。这一方法能够有效地减少因焊接造成的局部应力集中和整体变形。

3 结束语

综上所述，大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制是一个复杂而重要的研究领域，未来研究应该致力于解决更广泛的问题，并不断推动工程结构的质量和可持续性。

参考文献：

[1]白玲,史志强,史永吉,等.大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制[J].钢结构,2001,16(3):5.

[2]刘航兵,刘嘉欣,曹广飞,等.大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制研究[J].城市建筑空间,2022,29(S02):541-542.