鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力控制分析

韋海湖

（廣西水工機(jī)械有限公司，廣西 柳州 545100）

近年來，制造業(yè)的鋼材料焊接裝置逐漸向著大型化、集成化的方向發(fā)展，這在一定程度上也帶動了超高、超寬甚至是重型化鋼結(jié)構(gòu)焊接框架的完善，同時，對于實際的施工質(zhì)量也提出相對更高的多類型要求。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)主要是依據(jù)鋼材料的實際情況以及形變程度，來制定相對應(yīng)的焊接流程，這種模式雖然可以完成預(yù)期的焊接目標(biāo)，但是對于焊接產(chǎn)品的質(zhì)量以及使用壽命則不能保證[1]。在實際應(yīng)用時還有可能造成極大的安全隱患。不僅如此，對于鋼材料結(jié)構(gòu)的焊接而言，綜合質(zhì)量在安裝的過程中也是十分重要的，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)由于其單一的模式，使得最終焊接完成的鋼材料內(nèi)部粒子發(fā)生極大地變化，進(jìn)而影響最終的焊接效果，并且很容易發(fā)生外在形變[2]。因此，在這樣的發(fā)展背景之下，需要設(shè)計更加科學(xué)的控制方法，進(jìn)一步增強(qiáng)焊接的質(zhì)量，并且靈活應(yīng)變在焊接過程中發(fā)生的形變以及應(yīng)力誤差等現(xiàn)象。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形是在制造的過程中發(fā)生的，存在一定的突發(fā)性，并且焊件的形狀以及尺寸也會對控制程度產(chǎn)生一定的影響。科學(xué)的控制方法可以將焊接應(yīng)力分化為瞬態(tài)熱應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，并依據(jù)其實際的特性實現(xiàn)控制，以此來進(jìn)一步推動我國焊接技術(shù)水平的提高[3]。因此，對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力控制分析。進(jìn)一步優(yōu)化相對應(yīng)的焊接控制方法，從根源上提升鋼產(chǎn)品的質(zhì)量、剛度以及強(qiáng)度，在保證產(chǎn)品穩(wěn)定的同時，增強(qiáng)其可使用性。

1 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力控制方法設(shè)計

1.1 確定焊縫的變形收縮控制比例

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)變形和焊接應(yīng)力的控制方法設(shè)計前，需要先對相對應(yīng)的焊縫的金屬收縮比例進(jìn)行確定。在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過程，實際上是一種從高溫至冷卻的一個過程，當(dāng)鋼材料發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象時，原本的體積發(fā)生收縮，不僅如此，伴隨著熔煉溫度的不斷攀升，所屬的構(gòu)件也會隨之產(chǎn)生相對應(yīng)的變形和應(yīng)力改變。可以先通過控制溫度來控制變形和應(yīng)力。首先，計算焊接范圍之內(nèi)的合理控制溫度，如下公式1所示。

公式1中：R表示合理控制溫度，y表示形變最大程度，?表示允許出現(xiàn)的溫度差值。通過以上計算，最終可以得出實際的焊接合理控制溫度[4]。在這個溫度范圍之內(nèi)，進(jìn)行調(diào)節(jié)。在鋼結(jié)構(gòu)收縮到一定程度的時候，會產(chǎn)生焊縫，焊縫的出現(xiàn)也會對鋼材料產(chǎn)生壓應(yīng)力，并且鋼結(jié)構(gòu)的周圍也會隨之出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力相互對立的，壓應(yīng)力高，拉應(yīng)力低，表示鋼結(jié)構(gòu)的形變超出實際的可控范圍，很容易造成結(jié)構(gòu)的斷裂。反之，壓應(yīng)力低，拉應(yīng)力高，表示鋼結(jié)構(gòu)的形變在實際的可控范圍之內(nèi)，進(jìn)一步保證了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行最佳收縮比例的計算，如下公式2所示。

公式2中：G表示最佳收縮比例，S表示極限的焊接范圍，R表示合理控制溫度，a表示應(yīng)力變化點。通過以上計算，最終可以得出實際的最佳收縮比例。此為焊縫的最佳收縮比例，將其設(shè)定為基礎(chǔ)的控制程序。

1.2 對稱施焊法降低焊接殘余應(yīng)力

在完成焊縫的金屬收縮比例的確定之后，接下來，需要利用對稱施焊法降低相對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力，以增強(qiáng)相關(guān)的控制力度。首先，根據(jù)整體的構(gòu)件以及設(shè)備情況對焊接進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置[5]。可以先確定焊接的具體位置、應(yīng)力的作用方向以及實際的焊接人數(shù)，以此來達(dá)到控制變形量最小的目標(biāo)。焊接殘余應(yīng)力是一種反作用力，通常會對鋼結(jié)構(gòu)的塑性造成極大的影響，具體如下表1所示。

表1 焊接殘余應(yīng)力的類型以及影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，可以了解到焊接殘余應(yīng)力對于控制的影響。接下來，依據(jù)以上信息，進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力實際差值的計算，如下公式3所示。

公式3中：U表示焊接殘余應(yīng)力實際差值，ω表示制約系數(shù)，D表示均衡函數(shù)，通過以上計算，最終可以得出實際的焊接殘余應(yīng)力實際差值，利用對稱施焊法可以獲取到實測的極限應(yīng)力值，在這個范圍之內(nèi)減掉焊接殘余應(yīng)力實際差值，就是鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)建時所應(yīng)該具備的應(yīng)力控制程度。另外，排除掉焊接殘余應(yīng)力還有利于通過施焊法控制鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的形變，有利于提升結(jié)構(gòu)的硬度和剛度。

1.3 焊后緩冷矯正加強(qiáng)焊接變形和焊接應(yīng)力的控制

在利用對稱施焊法降低焊接殘余應(yīng)力之后，此時的鋼結(jié)構(gòu)處于相對較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并且可使用性較高，控制能力也較為穩(wěn)定[6]。在此基礎(chǔ)上，利用焊后緩冷以及矯正進(jìn)一步加強(qiáng)相當(dāng)對應(yīng)的控制力度。以下為實際的操作步驟，如下圖1所示。

圖1 焊后緩冷以及矯正步驟圖

根據(jù)圖1中的處理步驟，可以了解到，通常鋼結(jié)構(gòu)在預(yù)熱之后都需要進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，這主要是為了方便后續(xù)步驟對其形變進(jìn)行控制，當(dāng)完成相關(guān)的控制以及塑形操作之后，進(jìn)行緩冷。緩冷可以很大程度地減少焊縫與周圍區(qū)域的溫度差，使整個鋼結(jié)構(gòu)散熱較為均勻，這樣不僅可以保證結(jié)構(gòu)的硬度以及剛度，同時還能夠提升冷卻速度，避免焊接應(yīng)力變化與焊接變形的情況。另外，緩冷還需要在特定的室溫之下，需要注意的是，不允許將其暴露在室外進(jìn)行緩冷，這主要是因為室外的不穩(wěn)定因素很容易造成鋼結(jié)構(gòu)破碎，甚至是斷裂。在完成緩冷操作之后，繼續(xù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的矯正。一般情況下，矯正主要分為機(jī)械矯正和火焰矯正。機(jī)械校正主要適用于鋼結(jié)構(gòu)未完全塑形的構(gòu)件，構(gòu)件中的粒子沒有完全凝固，可以利用機(jī)械進(jìn)行矯正，此種方法的控制程度較高，但是存在一定的不穩(wěn)定性。火焰矯正是利用高溫加熱已經(jīng)成形的構(gòu)件，使其內(nèi)部的粒子發(fā)生軟化，處于流動狀態(tài)，方便更改形狀。此種方式的控制程度雖然低于前者，但是穩(wěn)定性更高，構(gòu)件的成形幾率也可以保證。至此，便通過焊后緩冷矯正進(jìn)一步完成了焊接變形和焊接應(yīng)力的控制。

2 控制方法測試

2.1 測試準(zhǔn)備

本次對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力的控制方法進(jìn)行測試。首先，進(jìn)行測試環(huán)境的創(chuàng)建，利用預(yù)熱法進(jìn)行組織環(huán)境控制。首先，需要對測試的焊接溫差進(jìn)行確定，最好保持在220℃～350℃之間。明確相對應(yīng)的焊接順序，并在預(yù)留的焊接交叉區(qū)域添加三角處置口。計算測試的極限應(yīng)力實施范圍，如下公式4所示。

公式4中：P表示極限應(yīng)力范圍值，f表示實際的預(yù)熱溫度，t表示應(yīng)力最小限制值。通過以上計算，最終可以得出實際的極限應(yīng)力范圍值，此時需在這個應(yīng)力范圍之內(nèi)進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上，計算相對應(yīng)的殘存應(yīng)力，如下公式5所示。

公式5中：H表示殘存應(yīng)力，β表示極限余熱比例，δ表示允許出現(xiàn)的誤差值。通過計算，得出具體的殘存應(yīng)力，將其添加在控制結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)之中。測試共分為兩組，一組為傳統(tǒng)的溫度控制法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)溫度測試組；另一種為本文所設(shè)計的方法，將其設(shè)置為新型對稱控制分析測試組。兩組方法同時進(jìn)行測試，核查測試的設(shè)備是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并確保不存在影響最終測試結(jié)果的外部因素，開始測試。

2.2 測試過程以及結(jié)果

完成以上測試準(zhǔn)備之后，進(jìn)行測試，具體的測試過程如下圖2所示。

圖2 焊接變形以及焊接應(yīng)力控制過程圖

根據(jù)圖2中的測試控制過程，最終可以得出兩組測試結(jié)果，對其進(jìn)行對比分析，如下表2所示。

表2 焊接測試結(jié)果對比表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)信息，最終可以得出以下結(jié)論：在相同的測試環(huán)境下，對比于傳統(tǒng)的溫度控制法，新型對稱控制分析測試組所得出的可控程度相對較高，表明其對于鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形以及焊接應(yīng)力的控制效果更佳，同時可控程度的提升也是鋼結(jié)構(gòu)焊接穩(wěn)定性增強(qiáng)的一種體現(xiàn)，在焊接過程中，更加有利于形成強(qiáng)度、剛度較高的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，具有一定的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

綜上所述，便是對鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力控制分析的討論。面對高速發(fā)展制造業(yè)，新的鋼結(jié)構(gòu)控制模式可以更加高效地完成鋼產(chǎn)品的制造，同時在原有的基礎(chǔ)上增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的強(qiáng)度和剛度，并且大幅度地提升其穩(wěn)定性和安全性，延長產(chǎn)品的使用壽命，也就減少了裂縫的缺陷，逐步推動我國制造行業(yè)向著精細(xì)化的方向發(fā)展。