鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形控制分析

陳岳

中核檢修三門分公司 浙江臺(tái)州 317109

在鋼結(jié)構(gòu)加工中，焊接作為應(yīng)用比較普遍的操作技術(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)加工中應(yīng)用焊接技術(shù)，能夠加快操作速度，使鋼結(jié)構(gòu)加工更加便捷，節(jié)約大量的鋼材。當(dāng)下的焊接技術(shù)，已經(jīng)過(guò)了層層優(yōu)化，較之傳統(tǒng)工藝，大大節(jié)省了人力物力，避免過(guò)多損耗，所制造的設(shè)備也符合核電生產(chǎn)的技術(shù)要求。但焊接的過(guò)程，其間極大概率會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，影響設(shè)備成品的功能，甚至造成一定的安全隱患。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，焊接制造工藝的殘余應(yīng)力，其誘因多是由于焊接設(shè)備受熱和冷卻條件不均勻，導(dǎo)致整體出現(xiàn)熱脹冷縮，產(chǎn)生形態(tài)變化，與預(yù)期安裝參數(shù)不符，而安裝不牢靠便會(huì)讓核電設(shè)備運(yùn)行帶有風(fēng)險(xiǎn)。所以在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，必須嚴(yán)格控制殘余應(yīng)力，制定完善的解決策略[1]。

1 什么是鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力

1.1 具體定義

在焊接鋼結(jié)構(gòu)焊件時(shí)，其中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以及加工應(yīng)力完全超過(guò)屈服極限，將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊件在冷卻之后內(nèi)部存在剩余能量，這種能量就叫做焊接殘余應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)，如果沒(méi)有注意控制施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度，溫差過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生局部形變以及比容不同組織，這屬于重大的建造事故。更嚴(yán)重的后果，在后期可能會(huì)導(dǎo)致焊接部位開裂與應(yīng)力腐蝕等等一系列問(wèn)題，核電設(shè)備的工作受到干擾，不僅危害了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的生命安全，更是核電企業(yè)無(wú)法保障健康發(fā)展。為了保證鋼結(jié)構(gòu)焊接的可靠性，在測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力時(shí)，可以采用中子衍射、X射線衍射、小孔法、輪廓法、盲孔法等多種方法，進(jìn)而了解鋼結(jié)構(gòu)焊接連接的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，制定合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮附佑?jì)劃，盡量避免焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生[2]。

1.2 產(chǎn)生的原因

隨著我國(guó)化工業(yè)的大力發(fā)展，各個(gè)工廠大量興起，但本行業(yè)始終缺乏專業(yè)操作工藝的指導(dǎo)，焊接質(zhì)量良莠不齊，這就導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于缺少科學(xué)的焊接手法，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)受熱不均勻的現(xiàn)象，其內(nèi)部極易在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)縱向或者橫向殘余應(yīng)力。除此之外，還有個(gè)別管理人員缺乏專業(yè)的技術(shù)素養(yǎng)，對(duì)整個(gè)作業(yè)環(huán)境和工藝考慮不周，也導(dǎo)致了嚴(yán)重后果，以下幾點(diǎn)需得焊接項(xiàng)目人員吸取教訓(xùn)，嚴(yán)加施工。

鋼結(jié)構(gòu)材料性能以及力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)。這是由于項(xiàng)目人員的專業(yè)還是不達(dá)標(biāo)，在焊接材料的選擇環(huán)節(jié)就出現(xiàn)了偏差。這一步驟務(wù)必明確一點(diǎn)，不同的金屬材料鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度感應(yīng)的耐受程度不同，相同的溫度無(wú)法讓所有鋼材焊接成預(yù)期的結(jié)構(gòu)；而且實(shí)際操作中，焊接位置的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及焊接的角度等工藝都會(huì)最終焊接成果產(chǎn)生較大影響，如若操作不當(dāng)，便會(huì)產(chǎn)生一定的殘余焊接應(yīng)力。

實(shí)施雙面焊接固定，此方法不同于傳統(tǒng)的焊接手法，能極大地提高鋼結(jié)構(gòu)的焊接效率，并且優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)，但其建造參數(shù)需要嚴(yán)加審核確保萬(wàn)無(wú)一失；半自動(dòng)焊接，此方法同樣可以提高焊接的效率，但更加容易出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊接不完整的現(xiàn)象，還不便于調(diào)整施工位置，此方法一般根據(jù)實(shí)地考察之后按需選擇；氣體保護(hù)的焊接方式，此工藝對(duì)焊接水平要求很寬松，焊接步驟精簡(jiǎn)并且能做到鋼結(jié)構(gòu)焊接完整，美中不足的是需采取坡口焊接或其他變形控制措施才能防止焊接制造中的變形。具體的焊接工藝，是根據(jù)建造現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)選擇的，不合時(shí)宜的焊接方式，會(huì)無(wú)法讓鋼結(jié)構(gòu)發(fā)揮出固定耐用的功能，設(shè)施作業(yè)會(huì)有一定的安全隱患，所以領(lǐng)導(dǎo)者和施工人員要慎重做出決策。

理解了焊接的流程，具體的操作手法更是決定著核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接制造工藝的整體質(zhì)量，還要控制焊接工藝的應(yīng)用過(guò)程，避免重大的質(zhì)量問(wèn)題。焊接生產(chǎn)過(guò)程的具體要求如下：控制偏差和規(guī)范以外的誤差，鐵路結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中各尺寸的規(guī)劃，厚度變化必須滿足鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的要求，也滿足核電作業(yè)要求的施工標(biāo)準(zhǔn)，合理控制焊縫生產(chǎn)的溫度和熱輸入值。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力以及變形控制的措施

核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接制造工藝中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備承重程度過(guò)大、受熱面積不均勻甚至焊接供熱異常等現(xiàn)象，這些都會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的鑄造，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使其達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生變形，產(chǎn)生扭曲，不能安全地進(jìn)行建筑材料和重物的定點(diǎn)運(yùn)輸工作，此時(shí)就要制訂具體的安全操作措施。

2.1 控制材料用量

核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，每次投放鋼材的量要進(jìn)行合理控制，能更好地避免因下料過(guò)多或不足而引起的鋼結(jié)構(gòu)焊接制造中的變形。以標(biāo)準(zhǔn)范圍的用量來(lái)進(jìn)行焊接工作，可以確保建筑工藝能發(fā)揮最大的效果，鋼結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)固不變形，可以讓設(shè)備運(yùn)行得更加平穩(wěn)流暢。

2.2 注意控制焊接參數(shù)

核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接制造中各項(xiàng)輸入值都有明確的值，不可超出給定的范圍，此舉有利于實(shí)現(xiàn)變形控制，避免鋼結(jié)構(gòu)焊接制造時(shí)因過(guò)熱或力度不足而導(dǎo)致焊接作業(yè)不完整。這其中最需要控制的一項(xiàng)參數(shù)便是熱量輸入的多少，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致鋼材熔化，溫度不足則鋼材無(wú)法通過(guò)焊接變成我們想要的結(jié)構(gòu)，所以我們要適當(dāng)?shù)乜刂茻崃康妮斎?，一方面確保熔透的效率，另一方面排除焊縫中的缺陷，保障焊接參數(shù)準(zhǔn)確后，才能限制鋼結(jié)構(gòu)焊接制造的工藝環(huán)節(jié)，以免出現(xiàn)焊接變形或制造缺陷。

2.3 理清焊接工序

核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接制造工藝需要井井有條地開展，混亂的焊接順序會(huì)讓工期延長(zhǎng)，還會(huì)影響焊接的質(zhì)量產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這一步驟要注意的是裝配焊接的過(guò)程中，切不可在建筑材料裝配時(shí)作業(yè)，這樣由于機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致焊接不到位。核電設(shè)備在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)中的焊接工作開始前，要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刂贫ㄒ幌盗械暮附臃桨负蛻?yīng)急備案措施，將焊接的順序理清。具體操作時(shí)應(yīng)該從其底座開始，將每一個(gè)設(shè)備接口焊接牢固，保證核電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)焊接制造工藝的有序進(jìn)行[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

核電設(shè)備在建造時(shí)原材料的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)合格與否決定著項(xiàng)目整體的工作進(jìn)展，這其中鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝就起到?jīng)Q定性的作用。為了有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力與變形問(wèn)題，所以焊接工藝要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)劃，必須要選擇科學(xué)合理的焊接工藝，采取優(yōu)化的設(shè)計(jì)和控制，使其符合鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)及施工要求，讓國(guó)家的核電化工行業(yè)的發(fā)展得以順風(fēng)順?biāo)?/p>