作者丨蔺韬
单位丨
很多时候，因为运输长度受限、节点构造要求以及吊装等需求，有许多钢构件和节点需要在现场进行焊接。同时，吊装耳板和引弧落弧板时常需要在现场进行切割。这些措施都会对钢材产生一定的影响。那么，究竟会对钢材产生哪些影响呢？又该如何减少这些影响呢？以及受到影响后有哪些矫正措施呢？这些都是本文着重讨论的问题。
现场焊接、火焰切割对钢材进行焊接会造成以下三种后果：
（1）焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。
（2）焊弧的高温使临近焊缝的钢材发生组织变化。
（3）局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力。
焊缝金属的碳含量比钢材低，但其氮、氧、氢含量较高（氮、氧的危害详见 1.1）。焊缝金属冷却速度快，所以含氧量较高，气泡和杂质也较多。如果延长冷却过程，就能降低氧的含量。另外，采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊，能使熔化金属与空气更好地隔离，从而可以不同程度地降低氮、氧含量。
1.过热区；2.正火区；3.部分重结晶区
图1.1焊接热影响区
焊缝金属的氢含量较高。当冷却速度较快时，氢会使焊缝内部出现微观裂纹（如图 1.2 所示）。所以，受潮的焊条需要进行烘干处理。对于重要的结构，还需要使用低氢型焊条 E4315、E4316 以及 E5015、E5016，以避免出现裂纹。而预热可以使冷却过程得以延长，从而有效减少氧和氢的含量，改善焊接性能。《钢结构焊接技术规范》规定，对于厚度大于 40mm 的 Q235 钢，在焊接时需要预热；对于厚度大于 20mm 的 Q345 钢，在焊接时也需要预热，并且对最低预热温度有相应规定。
图 1.2 焊接裂纹
焊弧的热量致使主体金属有一小部分发生了熔化。邻近熔化区且受到高温影响的那部分被称作热影响区，就如同图 1.1 所展示的那样。过热区的温度达到了 1100℃以上，其晶粒较为粗大，强度和硬度有所提高，而塑性和韧性却降低了，有时还会出现韧性很低的针状组织。正火区是温度处于 900 到 1000℃的区域，在这一区域钢材材料的性能，力学性能良好，强度、塑性以及韧性都比较高。部分重结晶区的温度处于 700 至 900℃。在这一区域内，晶粒的粗细并不均匀。所以，该区域的力学性能不是很好。采用电弧焊时，热影响区的宽度不是很大，总共也就几个毫米。通常在手工焊时约为 6 毫米，而在自动焊时只有 2.5 至 3 毫米。
该区属于焊接连接的薄弱部位。若输入热量不大且冷却速度很快，就有可能出现淬硬现象，进而导致裂纹。淬火会使钢材强度提高，但同时会使塑性和韧性降低，这就是所谓的淬硬现象。钢材的淬硬性取决于其碳当量 CEV。通常情况下，钢材的强度等级越高，碳当量就越高；碳当量越高，焊接就越困难（如表 1.1 所示）。当碳当量达到 0.38%以上，特别是超过 0.45%的时候，就一定要依据《钢结构焊接规范》来对焊件实施预热。依据焊接规范的要求进行施焊的结构，在热影响区出现开裂的情况并不是很多。
表1.1 钢结构工程焊接难度等级
钢材焊接时，构件截面的温度梯度很大。同时存在局部性的塑性压缩。冷却后，焊缝及其近旁的母材残余拉应力很高，经常能达到材料的屈服点，并且还伴随着一些残余变形。在整个截面上，拉应力和压应力这两部分残余应力是自相平衡的。构件内力重分布会产生影响，残余应力的存在对受拉构件承载力影响极小，不过会对构件的刚度产生影响，从而影响构件的稳定承载力。所以当焊接残余变形超过《钢结构工程施工质量验收标准》的规定（如图 1.3 所示）时，就必须进行矫正，避免影响构件的稳定承载力，甚至使结构的二阶效应增大。
图 1.3 焊接热变形引起的构件弯曲
减少焊接残余应力和焊接残余变形的措施，一方面要有合理的设计焊缝；另一方面，还应采取一定的工艺措施。
采用合适的施焊顺序。比如，在钢板对接时运用分段退焊的方式，对于厚焊缝则采用分层焊的方法，同时进行钢板分块拼接等操作。
施焊前给构件一个与焊接变形方向相反的预变形。这样在焊接后，这个预变形能与焊接变形相互抵消。通过这种方式，就可以达到减小焊接残余变形的目的。
对于小尺寸焊件，施焊前要进行预热。施焊后则需要进行回火。同时，还可以采用机械方法，或者利用氧乙炔进行局部加热反弯钢材材料的性能，以此来消除焊接变形。
钢板常通过氧气将其切割成所需的宽度。火焰切割所产生的高温，如同焊缝一样，会引发残余应力和变形。在此就不再详细说明了。
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