鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)及控制措施

孫大偉，王紀(jì)賓，陳海濤

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接施工中難免會出現(xiàn)焊接應(yīng)力和焊接變形的情況，這對于焊接接頭的強(qiáng)度以及焊接結(jié)構(gòu)尺寸的精度都會產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致構(gòu)件報廢。此外，鋼結(jié)構(gòu)在日后使用中的承載力也與焊接應(yīng)力與焊接變形有著很大的關(guān)聯(lián)。因此相關(guān)施工人員要切實(shí)把握好焊接技術(shù)，加強(qiáng)對焊接重難點(diǎn)的技術(shù)控制，采取有效措施提高鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 焊接變形與應(yīng)力的控制

1.1 焊接變形的控制措施

（1）焊縫的截面面積應(yīng)當(dāng)盡可能減少，根據(jù)連接需要來決定施焊量，焊縫的強(qiáng)度也要依據(jù)有效的焊腳尺寸來確定，多出的、凸出很多的焊縫金屬并不能使焊縫強(qiáng)度得以提升，反而會使應(yīng)力集中系數(shù)不斷加大，使坡口的整體性能得以減弱?？梢酝ㄟ^U型刨邊將對接焊縫、后半形成U型坡口，使焊縫的金屬含量得到進(jìn)一步降低。

（2）在最大限度上減少焊縫的數(shù)量，盡可能采用多層多焊道的方式對焊縫進(jìn)行處理，尤其要對焊板的焊接加以重視[1]。

（3）盡量使焊縫保持對稱，靠近中和軸的位置進(jìn)行布置施焊，通過這樣的方式減少鋼板的變形。

（4）平衡處理中和軸的外圍焊縫：根據(jù)兩個收縮力互相平衡的原則對焊縫進(jìn)行對稱施焊，為了有效地對焊接變形進(jìn)行控制，可以在焊接的設(shè)計與具體實(shí)施環(huán)節(jié)中做好焊縫的平衡處理。

（5）對焊板進(jìn)行逆向回焊。當(dāng)焊接程序由左至右進(jìn)行時，那么每一焊應(yīng)當(dāng)從右到左進(jìn)行施焊，這便是分段側(cè)焊法。在對焊板進(jìn)行施焊的過程中會使內(nèi)側(cè)的焊縫板產(chǎn)生熱量，在熱量的作用下會使焊縫板出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，因此會使兩塊焊板在一定的時間內(nèi)會分開向外；然而在熱量由內(nèi)向外擴(kuò)散的過程中，焊縫板出現(xiàn)的膨脹就會使焊板不斷向內(nèi)合攏。

（6）運(yùn)用反變形力的方法進(jìn)行焊接。在進(jìn)行焊接之前，通過偏置焊件的方法可以對收縮力加以有效利用，比如在焊接開始之前可以裝偏部分焊件組合，使焊件組合的預(yù)偏量能夠?qū)⑹湛s后的半間恰如其分地回到設(shè)定的位置上[2]。在焊接前，預(yù)拱或者彎曲所要焊接的部件，便是運(yùn)用反變形力的方法對收縮力進(jìn)行抵消的簡單實(shí)例。

（7）運(yùn)用反向力對收縮力進(jìn)行平衡，反向力可包括：①由夾具等形成的約束力；②源于其他的收縮力；③構(gòu)件重力拱度向下所形成的反力；④由構(gòu)件裝配而成的組合件所產(chǎn)生的約束力。

常用的一種平衡收縮力的方法是通過背靠背的方式把兩個等同的焊接件緊夾于一處，之后再對組合件進(jìn)行焊接，組合件冷卻之后再松開夾具。在使用這種方法的時候可以與預(yù)彎法加以結(jié)合，也就是在夾緊焊接件之前，將契塊打入到構(gòu)件中恰當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

對于零部件以及小型組合件的變形量來說，使用最多的控制方法便是把部件用卡具和夾具在適當(dāng)?shù)奈恢蒙线M(jìn)行固定，直至焊接完所有的部件為止。根據(jù)上文所述，焊件的內(nèi)應(yīng)力在夾具約束力的作用下會不斷增加，一直增加到焊縫金屬的屈服點(diǎn)。就低碳鋼板焊縫而言，每平方毫米的屈服點(diǎn)可達(dá)311N。在施焊的過程中，一般會認(rèn)為從夾具上取下焊好的部件會在內(nèi)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生明顯的變形，然而事實(shí)上這類狀況是不會發(fā)生的，因?yàn)橄噍^于無約束力焊接變形，內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變是非常微小的。原因在于當(dāng)屈服點(diǎn)小于或者等于內(nèi)應(yīng)力的時候，會發(fā)生極小的變形從而將應(yīng)力釋放出來[3]。

（8）恰當(dāng)?shù)匕才藕附禹樞颉Ｇ‘?dāng)?shù)暮附禹樞蛲ǔ？梢杂行У仄胶馐湛s力。即有意地對不同部位的結(jié)構(gòu)來安排焊接，從而使已焊的收縮力可以與某一處的收縮力進(jìn)行相互抵消。

（9）除去焊接過程中以及焊接結(jié)束后所產(chǎn)生的收縮力。除去收縮力通?？梢圆扇″N擊法的方式來實(shí)現(xiàn)，然而該方式的運(yùn)用還具有一定的爭議。錘擊法是將外力施加在焊縫上，這是一種通過機(jī)械的方式來進(jìn)行加工的方法，這種方法可以將焊縫變得長而薄，并且能夠有效除去剩余的應(yīng)力。

在應(yīng)用錘擊法消除收縮力的過程中要遵循一定的原則，錘擊法對溫度有著一定的要求，并且要保證錘擊的力道和頻率，將其控制在合理的范圍內(nèi)。此外，不得錘擊焊道的根部與表面，也不可錘擊同等的材質(zhì)，施工人員需要嚴(yán)格地進(jìn)行會狀錘擊。

1.2 控制焊接殘余應(yīng)力的技術(shù)措施

①對焊縫進(jìn)行有效處理，將其尺寸減??；②將拘束焊縫的力度降低；③對焊接順序進(jìn)行合理化安排；④弱化焊件的剛性能力，創(chuàng)造條件使其能夠自由收縮。

1.3 防治焊接裂紋的技術(shù)措施

（1）焊接材料的選擇應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，并且對焊縫中存在的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行有效把控，減少材料中容易產(chǎn)生偏析的元素含量，比如硫、磷等，從而避免出現(xiàn)熱裂紋。

（2）對焊接的工藝參數(shù)加以有效控制，確保焊道截面的深度與寬度比值可以滿足焊接工藝需求，從而使熱量輸入能在允許的范圍之內(nèi)[4]。

（3）做好焊接前的預(yù)熱工作以及焊接后的緩冷處理，通過這樣的方式使焊接接頭得到改進(jìn)，控制，從而對HAZ的整體性能以及焊縫進(jìn)行改善，避免產(chǎn)生冷裂紋。

2 減少焊接應(yīng)力集中的控制措施

（1）在進(jìn)行焊接設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)完整、勻順而連續(xù)；盡量使焊縫不出現(xiàn)交叉密集的情況。焊縫間的距離不得小于100mm。

（2）不論中心線是否對稱，對于不等厚板的對稱焊接頭都應(yīng)當(dāng)把厚板削成坡度形狀，再將其對齊[5]。

（3）應(yīng)當(dāng)在工作最為有效之處布置焊縫，從而達(dá)到焊接量最少，效果最佳的目的。

（4）應(yīng)當(dāng)在方便焊接、便于檢查的地方布置焊縫位置。

（5）將和緩的過渡設(shè)置于焊縫連接板的根部。

（6）切去筋端部的銳角，對板的端部做包角處理。

（7）盡量靠近中心軸將焊縫進(jìn)行對稱布置。

（8）焊縫盡量不要在應(yīng)力集中的地方進(jìn)行布置，特別是要對處在動載結(jié)構(gòu)處的焊縫加以注意。

3 焊接安裝工藝

（1）在全部將吊裝、校正以及栓焊混合節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)螺栓擰成節(jié)間之后再進(jìn)行焊接，使鋼結(jié)構(gòu)的框架更加穩(wěn)固。

（2）在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過程中要根據(jù)其自身的框架特征，選擇基準(zhǔn)節(jié)間或基準(zhǔn)柱來焊接柱和主梁間的焊縫，由中間向外圍進(jìn)行施焊，以免一直向同一個方向收縮變形。

（3）當(dāng)結(jié)束拼接節(jié)柱中的柱梁接點(diǎn)時，按照從上往下的順序?qū)宇^進(jìn)行焊接，確?？蚣艿姆€(wěn)固性。

（4）混合接點(diǎn)要按照先栓后焊的順序進(jìn)行，以免孔間在收縮力的作用下產(chǎn)生移位。

（5）對稱于柱梁接點(diǎn)兩邊的梁需要與柱同時進(jìn)行焊接，使焊接的拘束度得以降低，以免在焊接的過程中出現(xiàn)裂紋，保證柱腳的穩(wěn)定性。

（6）在焊接柱、柱節(jié)點(diǎn)的時候要按照由下往上的順序進(jìn)行。在重力以及橫向收縮力的作用下會使焊縫出現(xiàn)沉降，可能會在一定程度上累積標(biāo)高誤差，在結(jié)束節(jié)柱的安裝與焊接工序之后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對柱長進(jìn)行調(diào)整，確保節(jié)柱的安裝精確度。

4 預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)變形的措施

（1）對稱孔徑或者零件要保持同一的尺寸，為加工提供便利，同時在拼裝的過程中還可以進(jìn)行互換。

（2）焊縫的布置應(yīng)恰當(dāng)合理，不同的焊縫間要保持一定的距離，不可過近。若零件與材料尺寸相等時，焊縫的拼接應(yīng)當(dāng)盡可能減少甚至不做；在軸線兩側(cè)或者構(gòu)件重心的對稱位置來布置焊縫，減少焊接變形的發(fā)生以及集中過多的焊接應(yīng)力。

（3）在連接構(gòu)件與零件的過程中要避免相接不等厚度和截面，通過緩坡的方法對厚度以及截面的形狀加以改變，避免焊接應(yīng)力過大，出現(xiàn)變形[6]。

（4）桿件端頭邊緣與節(jié)點(diǎn)之間的距離要在20mm以上，以此確保焊接的質(zhì)量。

（5）①普通的鋼結(jié)構(gòu)適宜應(yīng)用交流焊機(jī)。②焊接要求比較高的鋼結(jié)構(gòu)適于應(yīng)用直流焊機(jī)。③對于柱梁較長的對角或者角焊縫適宜采用埋弧焊自動焊。

5 結(jié)語

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)憑借其自身特有的優(yōu)勢，在建筑行業(yè)的應(yīng)用日漸廣泛，迎來了全新的發(fā)展時代。焊接技術(shù)使保證鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要前提和基礎(chǔ)，因此相關(guān)施工人員應(yīng)當(dāng)明確焊接技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并且對焊接變形和焊接應(yīng)力的控制措施加以有效把握，運(yùn)用合理的技術(shù)措施來進(jìn)行焊接施工，確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。