鋼結構焊接變形控制技術

李根 張旭旭 王龍

摘要：現代建筑鋼結構復雜，焊接工藝繁瑣，焊接過程中會有許多焊縫交錯。鋼結構焊接接頭是經常發生緊急集中的地方，會伴隨殘余拉應力。這是疲勞裂紋的開始，它將在殘余應力下進一步擴展。建筑鋼結構在焊接后將部分受力疊加到焊接殘余應力上。在殘余應力和腐蝕介質的作用下，建筑鋼結構的使用壽命進一步縮短，出現腐蝕疲勞現象。基于此，本文主要對鋼結構焊接變形控制技術進行了簡要的分析。

關鍵詞：鋼結構;焊接變形;控制技術

引言

鋼結構焊接作為工業生產體系的重要組成部分，受制于傳統焊接方法以及技術方案，現階段工作人員在開展焊接作業的過程之中，極易發生各類病害，導致工業鋼結構的穩定性與安全性受到極大的削弱。為了有效應對這一情況，提升工業鋼結構焊接效能，實現鋼結構焊接病害的科學控制，強化工業生產能力，進一步促進工業生產體系升級。

1鋼結構焊接變形原因分析

使得鋼材在高溫條件下會發生體積膨脹，導致鋼材焊接的接口處極易發生變形，從實際情況來看，工業鋼結構焊接變形可以劃分為橫向收縮變形、縱向收縮變形、角變形、撓曲變形等類型。工業鋼結構在焊接過程之中，產生的高溫使得焊接鋼材的焊接部分與未焊接部分在溫度上產生一定的差異，進而在鋼材內部產生焊接應力，這種應力如果超過合理的范圍，將會導致鋼結構發生變形[1]。由于應力方向的不同，產生了縱向收縮變形與橫向收縮變形兩種，具體來看縱向收縮變形發生在工業鋼結構焊接處的縱向位置，在縱向位置上發生收縮變形;橫向收縮變形則發生在工業鋼結構焊接處的橫向位置，在橫向位置上發生所收縮變形。工業鋼結構角變形的發生是由于鋼結構在焊接過程之中由于工作人員不合規的操作導致焊接位置發生結構移動。撓曲變形通常情況下，表現為鋼結構焊接處發生拱狀彎曲，并且變形程度存在一定的差異，從實際情況來看，鋼材質量的好壞是影響撓曲變形的重要因素。工業鋼結構焊接過程中時常會咬邊病害，所謂的咬邊是指焊接邊緣出現凹陷，目前形成工業鋼結構焊縫咬邊的原因是多方面的，具體來看，焊接過程中，電流過大、運條運行速度過快以及電弧過長等因素，使得焊件被熔化之后形成一定的深度，而這一深度并沒有被填充金屬及時填充完全，導致結構凹陷。咬邊病害導致鋼結構接頭的工作截面大大降低，使得工業鋼結構咬邊外部應力逐步集中，工作截面所受荷載增加，破壞了鋼結構的穩定性，對鋼結構焊接質量帶來消極影響。

2鋼結構焊接變形控制技術

2.1焊接過程控制

2.1.1焊接電流及電弧電壓控制

在鋼結構關鍵節點的焊接工作中，要有焊接工藝的標準和要求進行焊接工作，下面是熱輸入公式的計算方式：熱輸入=0.06×電弧電壓×焊接電流÷焊接速度。另外，如果電弧電壓，焊接電流超過一定的數據，熱輸入就會隨之變大，就會造成焊接的收縮量加劇。下圖是某項目部分關鍵節點焊接使用的電弧電壓和焊接電流范圍表。為此，從上面的環節工藝得出，進行焊接的過程中，電弧電壓和焊接電流要保持在一定的范圍內，如果高就會出現焊接變形，若過低焊絲和母材無法得到融合，為此，進行焊接的過程中，需要焊接和QC人員首先要按照焊接的工藝嚴格進行焊接流程。

2.1.2焊接順序控制

在鋼結構重要節點上，焊接都是必須要使用正確的焊接流程進行焊接的，不僅要確保焊接的質量，同時還要避免焊接出現變形。針對單面坡口的焊接工作，要使用分段焊接的形式，降低焊接變形的幾率;針對雙面坡口焊接，要使用焊接此類節點，進行完正面焊接后對后面進行焊接，確保兩面都均勻焊接。

2.2焊后調直控制措施

2.2.1機械調直

機械調直主要是利用機械矯正設備進行操作，在進行預制過程中運用到矯正組合梁上。一些局部機械調直是要利用液壓千斤頂。進行液壓千斤頂調直的過程中，不要采取在焊道外直接加壓或者在機械調直過程中加熱。針對板對接焊進行焊接變形要使用液壓機來實際操作，如果要用液壓機進行調直，不要再焊道處直接加壓或者機器調直，同時不要進行加熱。在進行機械矯正最大的變形坡度為2或是比例為1：24。若變形超過這個范圍，就需要加熱調直工藝。

2.2.2熱調直

因為構件在焊接中會出現變形就要采取熱調直。針對手工熱調直，就需要在加熱前，在加熱的區域用筆進行標識做上記號，不要再焊道外采取加熱的處理。另外，焊趾到火焰頂端的位置mm是不能進行加熱。在熱調直的過程中，不能進行水或者水霧采取冷卻的處理。在熱調直的方法上，有面加熱，點加熱和線加熱，三種形式可以針對不同形式的變形來采取調直。熱調直的溫度一般比較嚴格，針對調質鋼不允許超過600℃（1100℉），針對TMCP鋼不得超過580℃（1076℉），其他種類的鋼種不得超過650℃（1200℉）。鋼材的溫度在315℃以上，此時不能進行冷卻處理。一般情況下測量的溫度要保持在鋼材距離火焰位置75mm。

2.3殘余應力調控工藝

殘余應力是引起鋼結構焊接變形的因素之一。減小殘余應力可以有效地減小鋼結構的焊接變形。由于鋼結構溫度場集中在焊縫內，冷卻后的殘余應力集中在焊縫內。初始焊接溫度、焊縫與焊縫之間的距離、最高溫度、有效加熱半徑和試件厚度是影響鋼結構焊接的所有條件。為了探討殘余應力在建筑鋼結構中的控制作用。1）對焊鋼結構焊縫附近的殘余應力較大，而其他區域的殘余應力隨著與焊縫距離的增大而減小。對接焊縫區為殘余應力集中區，應力形式為焊縫兩側的壓應力，作用范圍較小;中部為拉應力，作用面積較大，但數值較小。在計算機模擬過程中，發現通過改變試驗點和試件尺寸，殘余應力發生變化，這表明在實際焊接過程中，應將焊件尺寸作為描述殘余應力的參考因素，通過選擇合適的焊接工藝參數，可以減小殘余應力的影響。在控制變形的過程中對焊接件尺寸進行限制。3）對焊鋼結構在初始加熱階段會出現殘余應力。目前下降的趨勢是先快后緩，焊趾處于橫向殘余應力的峰值，這是變形的來源，也是控制變形的關鍵。4）平行熱處理縱向殘余應力的降低程度大于橫向殘余應力。該方法適用于縱向殘余應力較大的焊接方式。鋼板對接變形的主要原因是縱向殘余應力。平行加熱可以減小縱向殘余應力的影響，不同焊接方法對應的方法可以減小殘余應力的影響。

結束語

綜上所述，為了確保工業鋼結構焊接施工活動的有序開展，減少病害危害性，保證整個焊接質量，促進工業產業生產體系升級。文章以鋼結構焊接作為切入點，在分析焊接病害的基礎上，分析病害成因，在此基礎上，采取科學高效的控制手段，有效應對工業鋼結構病害，延長工業鋼結構使用壽命，提升鋼結構焊接效能，為后續工業加工活動的進行創造了便利條件。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）