海洋鋼結構關鍵節點的焊接變形控制研究

韓彥慶，王文治，謝 鵬，陳祥華

我國海洋工程建設水平日益提高，通過海洋工程可以更好地保護、利用、恢復與開發海洋資源、在開展海洋工程建設工作時，需要建設高強度、高質量的鋼結構，以此使其在海洋環境中仍舊能夠保持穩定性。現針對海洋工程中鋼結構的建設內容，分析如何對其關鍵節點實施焊接變形控制。

1 海洋鋼結構焊接變形的主要影響因素

1.1 鋼結構剛度因素

剛度是大型鋼結構在一定的彎曲條件下表現的抵抗能力，會受到截面尺寸與截面面積的影響，因此在焊接時，需要重視剛度這一技術參數，從而實現對焊接變形的控制。在鋼結構體系中縱向桁架出現變形的可能性較大，其同樣是受到截面面積與截面尺寸的影響，工字鋼受截面形狀的影響，也很容易出現變形問題。

1.2 材料因素

鋼材料本身的熱力學性能與物理屬性會對最終的焊接效果產生影響，焊接時，熱傳導系數隨之降低，溫度梯度因此而增加。熱力學指標中膨脹系數對于鋼結構變形存在一定的影響，鋼結構的變形量與膨脹系數數值之間具有正比的關系，當膨脹系數增高后，鋼結構變形量也會隨之增加。若鋼結構處于溫度較高的焊接環境中，材料的彈性模量和屈服極限會給變形量帶來影響。升高焊接作業環境的溫度后，彈性模量增大，短時間內焊接變形得到控制，而屈服極限增加到相應的程度后，焊接殘余應力大幅增長，材料因承受過大應力，最終出現焊接變形的情況。

1.3 焊縫因素

焊縫的數量與位置對于焊接質量與變形問題存在影響。若鋼結構本身的剛度不高，對焊縫數量與位置進行設置時，應當采用對稱的設計方式，并選擇合適的焊接順序，構件也只能出現線性變形；若焊縫以不對稱的方式排布，產生彎曲變形的可能性比較大。

1.4 焊接工藝因素

若焊接電流相對比較大，焊條也偏粗，焊接速度會因此而變慢，焊接變形的情況也更加嚴重。焊接厚鋼板時，相比選擇自動焊接技術，手工焊接導致的變形量更小。進行多層焊接處理時，首層上焊縫收縮變形幅度是最大的，而第三層和第二層的變形量僅達到第一層的5%到10%以及20%。多層焊接層數增加之后，焊接變形也更為突出；連續式焊縫與斷續式焊縫的變形量更小；采用對接型焊縫時，縱向收縮變形量比橫向收縮變形量更小，且二者相差得比較多。如果焊接順序不正確，或者部分構件沒有焊接妥當就直接開展組裝焊接，就會引發焊接變形的情況。

2 海洋鋼結構存在的主要變形問題

海洋環境相對特殊，海水含鹽量比較高，對于結構存在一定的腐蝕性，波浪、臺風以及洋流會給結構帶去沖擊。因此海洋工程對于結構往往有比較高的要求，鋼材的剛度與強度都很大，防腐容易實現，可連接性極佳，相比其他材料性價比也更高，因此海洋工程大多選擇使用鋼結構，以此保障結構具有可靠的性能。焊接海洋鋼結構期間，施焊電弧過高會引發變形問題，另外完成焊接處理后，鋼構件也有可能產生殘余變形問題。殘余變形會給鋼結構的焊接質量帶來影響，這種變形問題具有極強的破壞力。焊接殘余變形對于鋼結構會產生層次不同的影響，從而引發局部變形或者整體變形，按照變形情況具有的具體特點，可將其劃分成錯邊變形、波浪變形、扭曲變形、收縮變形、彎曲變形以及角變形等。其中波浪變形與角變形屬于局部變形，其他均為整體變形。

3 海洋鋼結構關鍵節點的焊接變形控制措施

3.1 焊前實施控制

在海洋工程中，對鋼結構進行預制時，需要先完成組裝鋼材的任務。精準確定鋼構件的材質、尺寸以及桿件位置，同時還要控制與調節組對間隙與坡口角度，針對結構體系中的各處關鍵位置實施必要的加固與支撐，從而實現對變形問題的預防，更好地為焊接做好準備。

首先應當考慮到組對間隙與坡口角度給焊接變形帶去的影響。海洋鋼結構上的關鍵節點所選用的組對坡口形式包括雙面單邊V形，單面單邊V形、雙面V形以及單面V形等幾種形式，見圖1。

圖1 海洋鋼結構關鍵節點的組對坡口形式

海洋鋼結構中的大部分關鍵節點采取全熔透式焊接形式，具體選擇坡口形式時可依照組對形式與材料的壁厚。實施焊接時，在電弧熱作用下，電弧周邊金屬材料的溫度有所提升，與電弧之間的距離越長，金屬材料的溫度也就越低，受到這種現象的影響，焊接隨之發生不均勻化的熱膨脹。加熱金屬材料后，由于受熱程度不一，所以會出現伸長的情況，而沒有實施加熱的金屬繼續保持原本的長度，且長度基本固定，不會出現變化，加熱區域的伸長活動會被冷金屬阻礙，加熱區域金屬的自由伸長動作受到限制，如果加熱區域形成的應力高于金屬的屈服強度，就會催生塑性變形的問題。當溫度升高后，普通金屬的屈服強度會隨之降低，若溫度達到600℃，鋼材屈服強度接近零。所以可以認為焊接量增大后，鋼材生成的變形量也更加明顯。對鋼材組對的根部間隙與坡口角度均有明確要求，如果實際數值低于要求數值，可能導致無法滿足全熔透焊接的基本要求，強度也不能達到預設標準。當組對間隙與坡口角度偏大時，后續加工鋼結構時的焊接量將隨之增加，變形問題出現的可能性更大。焊接鋼結構之前，必須要精準測量組對間隙與坡口角度，并按照要求加以控制，以此來避免結構在后續焊接中出現嚴重變形的情況。

在焊接前期開展控制時，還應關注支撐形式造成的影響。支撐系統對于焊接變形問題能夠發揮抑制作用，焊接實施期間，結構件因沒有受到拘束而出現自由變形的問題。鋼結構的關鍵節點所用的焊鉗支撐形式有很多種，一些情況相對特殊的節點使用支撐形式后反而會出現問題。

如果板材的母材尺寸偏小，厚度偏大且強度比較高，焊接量相對偏大，尤其是板材尺寸不大，很難依靠熱調直的技術在后續環節中實現調直處理目標。所以應當通過支撐來預防焊接變形。對主立柱與上下兩圈環板結構開展焊接處理時，其中板材寬度在250mm左右，上下環板厚度約為32mm；板材強度與整體尺寸的共同影響下，局部上的支撐系統可避免整體板材產生變形的情況，完成上下環板的焊接處理后，并未出現變形，支撐系統發揮了重要的防變形作用。如果板材所用母材的焊接量過大、尺寸小、強度低以及自身厚度較小，受到屈服強度的影響，變形發生概率也就更高。局部上設置的支撐系統只能夠保障局部區域不發生變形的問題，剩余其他位置的變形難以避免，在此加設支撐結構，結束焊接之后，板材將變為波浪形，后續很難進行調整。如果不增加其他的支撐結構，熱輸入現象給板材造成影響，將出現同尺寸與同方向的整體變形，后續進行熱調直處理即可解決變形問題，經過調整后，板材更具有美觀性。

3.2 焊中實施控制

組裝海洋鋼結構構件之后，關鍵節點處大多需要開展焊接工作，且工作量相對比較大，同時，熱輸入量也很大，焊接出現的變形與收縮情況隨之發展得更為嚴重。必須在焊接工藝應用過程中，針對焊接順序、電弧電壓以及焊接電流進行專門的控制。

海洋鋼結構系統的關鍵節點焊接中的熱輸入與焊接速度、焊接電流以及電弧電壓存在關系，當電弧電壓與焊接電流超過要求的范圍，熱輸入值將因此而增加，致使焊接收縮量加劇。焊接關鍵節點時，電弧電壓和焊接電流都有相對應的范圍，如果數值過低，焊絲難以完全融合，與母材的熔合效果也比較差，如果數值過高，又會引發焊接變形的問題。檢驗人員與焊接工人需按照焊接技術要求，對焊接節點的電弧電壓以及焊接電流進行精準控制。

選擇合適的焊接結構，也有利于控制焊接變形的問題，同時還有助于提升焊接質量水平。進行單面坡口焊接處理時，通過分段焊接的方法來避免熱輸入量全都集中到一處，縮減變形量；進行雙面坡口結構焊接時，考慮到氣刨清根的需求，因此需要在完成一部分正面焊接工作時，先開展背面清根，而后再完成背面的焊接工作，使兩側得到均勻焊接，預防板材一側彎曲變形的問題。

3.3 焊后實施控制

結束對鋼結構焊接后，關鍵節點上的變形情況相對比較固定，焊后調直可改變與控制變形情況。當前使用的主要調直方式有熱調直與機械調直。

機械調直主要通過機械化矯正設備來實現，在預制組合梁的環節中，可矯正焊接導致的變形問題。還可借助液壓千斤頂進行局部區域的機械調直處理，使用液壓千斤頂時，不應在焊道外部實施加壓操作，調直過程中也不能進行加熱操作。板對接焊引發的焊接變形可依靠液壓機完成機械調直，注意變形在2°或者1：24的坡度時可采取機械調直，如果變形量超過這一范圍，應當選取熱調直技術。

構件在焊接時出現的變形問題需要運用熱調直技術進行解決。進行手工熱調直時，進行加熱處理之前，需借助粉筆在加熱路徑或者加熱區域中進行標記。在焊道區域嚴禁直接加熱的行為，從焊趾至火焰尖端約50mm范圍之內也不能進行加熱。熱調直進行期間，不允許通過水或者水霧加快冷卻速度。如果構件材質為調質鋼，熱調直溫度應在600℃之下；如果材質為TMCP鋼，熱調直溫度需低于580℃；其余鋼種的熱調直溫度不可高于650。鋼材溫度一旦超過315℃，不可加速冷卻。測量溫度時，應在鋼材與火焰距離為75mm左右的位置進行測量。

面加熱、線加熱與點加熱方法是當前主要使用的熱調直方法，可結合變形的具體形式加以選擇。如果變形出現在局部，且形狀是小型波浪形彎曲，應當選擇點加熱的方式，板厚與加熱點之間的關系為表1。

表1 點加熱直徑與板厚關系對照表

線加熱可調直同尺寸、同方向的整體變形，線加熱寬度范圍是20mm～30mm。面加熱調直主要可以解決板材在橫向剖面上出現的變形問題，另外還可在應對一些復雜的變形情況時發揮作用；借助三角形加熱區來實施調直時，加熱板厚如果低于10mm，底邊寬度需在80mm以上，板厚在10mm～15mm之間時，底邊寬度需大于等于100，板厚在15mm到20mm，底板寬度最小為150mm，如果板厚在20mm以下，底邊寬度最小值為200mm。

4 海洋鋼結構焊接變形控制的注意事項

4.1 針對設計階段實施控制

設計焊縫時，應當盡可能地避開應力較高的區域，焊縫處應力值越高，鋼結構節點處也就越有可能產生焊縫裂紋與變形問題。在構件截面上的中心軸上設置焊縫，或者在接近中心軸的部位，以此來控制柱與梁等構件存在撓曲變形問題。避免設置過多尺寸過大的裂縫，當焊縫尺寸大、數量多時，焊接熱源給結構帶去的熱輸入也就更大，焊接變形問題也就更為嚴重。對于關鍵節點，可采取小剛性的節點設計形式，盡量不設計三向、雙向與集中的焊縫，以此來預防焊縫的集中部位或者交叉部位產生過高的應力與熱量，以此實現對焊接變形的控制。設計時還應考慮到焊接操作方面的問題，不宜在結構的仰焊處施焊，若必須把焊縫設置到仰焊位置上，則需要對焊機人員提出要求，確保其具有全位置焊接的技能。

4.2 針對設備與焊接人員實施控制

為了保障海洋鋼結構焊接工作的專業性，在正式對結構進行焊接之前，應當先對無損檢測者與焊接人員的工作能力與工作資格進行評定，確定其資格證書的有效性，確認資格證書上呈現出的操作范圍與實際鋼結構工作要求是否相互符合。為焊接人員提供技術培訓也是極為重要的工作，以此為關鍵節點等難度較高的焊接工作做好全面的準備。施工前期，應當有專門的人員檢查與鑒定結構節點焊接中需要使用的設備，主要查看焊機型號，分析是否和焊接技術要求相符，焊機設備的電壓與電流是否穩定，調整焊機電流的操作是否能夠安全實現，焊機設備所用的監測儀表是否能夠正常運行。在檢查無損檢測設備時，同樣要確定設備的運轉情況。

4.3 針對焊接技術實施控制

如果結構構件具有對稱的形式，可采用對稱焊接技術。如果焊縫相對集中且數量比較多，可借助跳焊技術來實現對受熱的分散，避免結構節點產生集中受熱的問題。若焊縫的長度超過1m，選擇分段退焊技術。確定焊接順序時，往往先對膨脹較大的焊縫進行焊接，而后再焊接膨脹較小的焊縫，先完成短焊縫的焊接，再進行長焊縫的焊接，從而給焊縫預留充足的橫向收縮空間。考慮到受力大的焊縫對伸縮空間的需求也很大，因此先對受力大的焊縫進行焊接。通過反變形法預留與節點變形方向相反的預變形，也有利于控制變形。焊接前期，可設置預熱環節，對焊件的局部或者整體進行加熱，加熱溫度在100℃～300℃之間，在一定時間內保持這一溫度，從而使焊縫溫度保持均勻變化。

控制焊接變形問題時，還可運用高溫回火的方式，加熱節點構件，加熱溫度范圍為600℃～650℃之間，保持加熱溫度經過預設時間后，以較為緩慢的速度進行冷卻。面對小型焊接構件時，直接對整個構件采取高溫回火的處理方式，加熱溫度基本接近鋼材料的熱塑溫度，鋼材出現的變形幅度比較小，焊接變形得到有效控制。海洋鋼結構中經常需要運用大型構件，這種構件的整體高溫回火難以實現，因此運用局部高溫回火的處理方式，只對焊接應力過大或者焊縫周邊部位進行處理即可。

4.4 加強焊接檢驗力度

考慮到海洋環境對于鋼結構的影響，應做好焊接檢驗方面的工作，及時發現焊接變形等缺陷，并進行必要的預防。焊接工人在領取焊條之后需要將其保存到保溫筒中，使用時間應控制到4h之內，剩余焊條在退回后，需單獨保存，使用保溫筒時注意連接電源，將加熱溫度控制到75℃以上，焊接工人不可私自將焊條從烘箱中取出。焊接工作開展之前，需要配備風鏟、鋼絲刷以及錘子等工具，焊接前對電源線以及焊接環境進行檢查，確保焊接環境不會給焊接工作帶去負面影響。開展打底焊時，焊接工人要避免因反面氣刨而出現失誤操作。完成焊接之后需對結構的關鍵節點進行外觀檢查，將焊接部位的焊渣清除后，還要經過建設方與第三方的檢查。焊接完成后約48h即可開展無損檢測，部分焊件需要在焊接之后繼續進行熱處理，結束熱處理之后再進行無損探傷，重點檢測對接焊縫，Y、T、K型管關鍵節點部位的焊縫以及填角焊縫。具體可以選擇的檢測方法有磁粉檢測、超聲波檢測以及射線檢測等。

5 結論

海洋鋼結構的焊接質量會受到材料、焊接順序與焊接工藝等因素的影響，面對關鍵節點存在的焊接變形缺陷，需要分別從焊接開始前，焊接過程中以及完成焊接后等多個環節加以控制。焊接人員需在明確焊接要求的前提下，正確運用焊接技術，做好焊接工作中的自檢，最大程度地實現對變形問題的控制，在焊接實踐活動中不斷積累經驗，在多種施工狀態下，都能夠有效消除變形問題。