鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正分析

譚 彪

（克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莸谝唤ㄖ惭b工程有限責(zé)任公司 845350）

鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正分析

譚 彪

（克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莸谝唤ㄖ惭b工程有限責(zé)任公司 845350）

因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量、安全與成本優(yōu)勢(shì)，讓建筑企業(yè)開(kāi)始傾向于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用，并一度成為建筑行業(yè)炙手可熱的“大人物”。但是在鋼結(jié)構(gòu)的使用過(guò)程中，依舊無(wú)法避免出現(xiàn)問(wèn)題，主要表現(xiàn)在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工之中，焊接變形是不可避免的，如果不能夠有效的控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，就可能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。所以，本文在分析鋼結(jié)構(gòu)焊接變形種類(lèi)與原因的基礎(chǔ)上，探討其具體的控制與矯正方法，最后通過(guò)焊接應(yīng)力控制這一針對(duì)性措施，希望能夠最大限度控制好鋼結(jié)構(gòu)焊接變形。

鋼結(jié)構(gòu)；焊接；變形

在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，因?yàn)闅堄嘧冃螒?yīng)力的存在，就可能對(duì)之后的鋼結(jié)構(gòu)制作帶來(lái)影響，甚至還會(huì)威脅到鋼結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度以及其施工質(zhì)量，直接降低鋼結(jié)構(gòu)本身的承載能力。所以，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因以及其控制方法的研究，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制非常必要。而這也是廣大建筑業(yè)所有人員都應(yīng)該重視，并且能夠在實(shí)踐環(huán)節(jié)中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、汲取經(jīng)驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的種類(lèi)及產(chǎn)生原因

按照變形外觀的形式，鋼結(jié)構(gòu)焊接變形可以分為下述幾個(gè)方面的變形形式。這主要是因?yàn)椴煌墓に囀侄巍⒉煌暮附臃椒ㄒ约昂附硬课坏牟町惖纫蛩厮斐傻?。在這一些變形當(dāng)中，橫向、縱向、撓曲及角變形是最為常見(jiàn)的[1]。

（1）收縮變形。在焊接鋼結(jié)構(gòu)之后，如果在焊縫的軸向方向上出現(xiàn)了收縮變形，就稱(chēng)之為縱向變形。如果在焊縫的垂直方向上產(chǎn)生收縮變形，就稱(chēng)之為橫向變形。其橫縱向變形主要是因?yàn)楹缚p的熔點(diǎn)處因?yàn)闊崤蛎浀淖饔?，與周?chē)蜏氐慕饘佼a(chǎn)生了相互的沖擊。

（2）角變形。在構(gòu)件焊接之后，其平面圍繞焊縫出現(xiàn)了角位移。出現(xiàn)角變形是因?yàn)檠刂搴竦姆较虺霈F(xiàn)了不同的焊縫收縮變形量，進(jìn)而造成變形。

（3）螺旋形變形。指的是在結(jié)構(gòu)上，焊件出現(xiàn)了扭曲變形。這一變形的出現(xiàn)是因?yàn)檠刂L(zhǎng)度方向，焊縫變形分布不夠均勻以及工件出現(xiàn)了縱向錯(cuò)邊的問(wèn)題所導(dǎo)致的。

（4）撓曲變形。在進(jìn)行焊接之后，由于臨近的焊縫本身不同的收縮變形程度以及一邊出現(xiàn)了焊縫變形，但是另一邊沒(méi)有出現(xiàn)，這樣就會(huì)在外觀之上出現(xiàn)焊縫的撓曲現(xiàn)象。

（5）波浪變形。在焊接薄板鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)楹缚p本身存在內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致波浪形收縮變形的存在。

（6）錯(cuò)邊變形。在對(duì)兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，由于受熱不均勻，就會(huì)導(dǎo)致焊件在高度與長(zhǎng)度方向上出現(xiàn)相互的錯(cuò)位。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正方法

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正，主要是從結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)以及具體的施工操作兩個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程中

科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，才能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)變形發(fā)揮其控制作用。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮到焊接變形形式不同的主要因素以及其相應(yīng)的特點(diǎn)，這樣才能夠讓焊接形式更加的科學(xué)合理。

（1）盡可能減少焊縫的數(shù)量與尺寸，焊縫數(shù)量越多，尺寸越大，鋼結(jié)構(gòu)受到的熱量也會(huì)越大。這時(shí)，就會(huì)相應(yīng)地增加鋼結(jié)構(gòu)焊接變形程度。因此，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的時(shí)候，就應(yīng)該嚴(yán)格地控制焊縫的數(shù)量以及其尺寸[2]。

（2）對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)中，要考慮到焊縫位置的相互對(duì)稱(chēng)或者是相同構(gòu)件的截面中性軸應(yīng)該保持相互之間的靠近，這樣才能夠減少梁、柱等鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形。

（3）就鋼結(jié)構(gòu)而言，在選擇焊接方法時(shí)，要綜合焊縫坡口的形狀于尺寸等要素，需要在鋼結(jié)構(gòu)最大承載力得到滿足的前提下，做好鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的極限控制。

（4）在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到剛性節(jié)點(diǎn)形式的選擇，避免出現(xiàn)焊縫過(guò)于集中的問(wèn)題，另外，還需要注意雙向與三向相交的問(wèn)題，另外，要盡量控制焊縫的交叉或者是其集中區(qū)域熱量及應(yīng)力，這樣才能控制好鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形程度。

（5）鋼結(jié)構(gòu)所選擇的焊縫位置不得離應(yīng)力區(qū)域過(guò)近，否則出現(xiàn)的應(yīng)力越大，焊接變形的可能性就越高。

（6）為了方便正常的鋼結(jié)構(gòu)焊接施工要求，在施焊中最好能夠避免出現(xiàn)仰焊的問(wèn)題，這樣才能避免焊接操作質(zhì)量受到影響。如果無(wú)法避免這一道工序，就必須要求焊工能夠熟練掌握全方位的鋼結(jié)構(gòu)焊接技巧。

2.2 施工過(guò)程中

在焊接鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，按照焊縫形式的不同以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的不同，按照不同的焊接施工工藝，有效地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形[3]。

（1）對(duì)于對(duì)稱(chēng)焊縫來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在施工中選擇對(duì)稱(chēng)焊接法。一般來(lái)說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)本身剛度偏低，先焊接的焊縫很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形。所以，在布置焊縫時(shí)要均勻。如果鋼結(jié)構(gòu)的截面形狀足夠?qū)ΨQ(chēng)，最好能夠使用對(duì)稱(chēng)焊接法。

（2）對(duì)于不對(duì)稱(chēng)焊縫來(lái)說(shuō)，應(yīng)該選擇焊縫相對(duì)較少的一面進(jìn)行焊接，然后再焊接另外一面。

（3）在進(jìn)行焊接之后出現(xiàn)角變形，就可以利用焊接之前的反變形措施來(lái)控制角變形的出現(xiàn)。

（4）如果滿足設(shè)計(jì)要求，焊接中最好能夠選擇縱向與橫向的加強(qiáng)肋進(jìn)行操作，這就是所說(shuō)的間斷性焊接法。

（5）如果T形接頭板本身的厚度偏大，可以利用坡口角做好焊縫對(duì)接處理。

（6）預(yù)留構(gòu)件長(zhǎng)度，這樣也可以補(bǔ)償焊縫出現(xiàn)的縱向收縮，也可以補(bǔ)償其變形情況，例如，就H形縱向焊縫來(lái)說(shuō)，每1m可以保持0.5～0.7mm的預(yù)留位置。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力減少的具體分析

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，由于局部的收縮以及受到應(yīng)力的作用，就可能導(dǎo)致焊接區(qū)域出現(xiàn)局部的焊接變形問(wèn)題，焊接變形就可能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安裝要求、尺寸精度以及施工進(jìn)度帶來(lái)不同程度的影響。所以，控制好焊接應(yīng)力非常關(guān)鍵。

3.1 選擇焊縫尺寸

一般來(lái)說(shuō)，焊縫的應(yīng)力主要是因?yàn)楹附訁^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了熱脹冷縮的現(xiàn)象而形成的，焊接區(qū)域越小，其熱輸入越少，變形也就越小，如小角度坡口與厚板都盡量選擇雙面坡口[4]。

3.2 選擇適當(dāng)?shù)牟牧霞皡?shù)

在選擇焊接材料時(shí)，可以適當(dāng)?shù)亟档秃缚p當(dāng)中淬硬組織的形成，以及應(yīng)力過(guò)于的集中，這樣有利于焊縫金屬的韌性、塑性以及其抗裂性能的提升。一般來(lái)說(shuō)，所使用的金屬含碳量要比母材含碳量低，然后利用硅、錳含量的提升，確保材料能夠于母材強(qiáng)度相同。焊接參數(shù)之中的焊接線能量與焊接變形成正比，能量越大，其產(chǎn)生的塑性變形越大，應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的增加，進(jìn)而到處過(guò)大的變形。

3.3 選擇合理的焊接工藝

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)焊縫焊接過(guò)程中，如果條件允許，可以將原本的連續(xù)焊接改稱(chēng)為分段焊接，在分段焊接的時(shí)候，其接頭之處應(yīng)該注重對(duì)方接頭的交錯(cuò)覆蓋，避免接頭相互對(duì)齊。在進(jìn)行分段焊時(shí)，要格外留意焊接變形，如果溫度過(guò)高，應(yīng)該停下來(lái)進(jìn)行緩冷或者是翻轉(zhuǎn)材料，焊接另外一面；在多件焊接時(shí)，先選擇拘束度大的構(gòu)件，然后再焊接拘束度小的構(gòu)件；在三面焊接中，則要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整焊接方向，能夠從中間朝著兩側(cè)進(jìn)行焊接。

3.4 熱處理措施

如果能選擇得當(dāng)?shù)臒崽幚泶胧?，不僅可以將變形與應(yīng)力消除，同時(shí)還可以起到防范裂紋產(chǎn)生的效果。例如：在厚板的下料與焊接之前，需要先進(jìn)行預(yù)熱處理，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)預(yù)熱可以將熱影響區(qū)以及焊縫金屬的冷卻速度降低，這樣就會(huì)對(duì)淬硬組織的馬氏體形成加以抑制，避免焊縫于氣割邊緣出現(xiàn)較大的應(yīng)力。例如：當(dāng)?shù)秃辖痄摪宓暮穸瘸^(guò)100mm，預(yù)熱溫度超出100℃，其加熱的范圍就應(yīng)該在切割線或者是坡口兩側(cè)的150～200mm處。在焊接之后需要做好緩冷或者是后熱的處理，這樣才能夠?qū)⒑缚p之中的氫逸出，避免出現(xiàn)氫富集，從而產(chǎn)生應(yīng)力。在后熱溫度處理時(shí)，要保證溫度超過(guò)150℃，持續(xù)2～3h。應(yīng)力消除的退貨處理方式，除了可以讓氫逸出，還能夠做好組織性能的改善，其退火處理的溫度在550～600℃之間[5]。

3.5 通過(guò)振動(dòng)時(shí)效，將應(yīng)力消除

如果焊縫退火處理無(wú)法滿足要求，就可以選擇振動(dòng)時(shí)效。其原理在于：施加一個(gè)能夠與固有諧振頻率相互一直的周期振動(dòng)力，從而讓其產(chǎn)生出共振，這樣就會(huì)有共振能量的出現(xiàn)，使得工件的內(nèi)部有微小的塑性變形出現(xiàn)，然后殘余應(yīng)力所造成的歪曲晶格就會(huì)被恢復(fù)到平衡的狀態(tài)之下，這樣就可以將殘余的應(yīng)力消除或者是均勻化。這一種方式的使用，不僅生產(chǎn)周期斷，而且效率良好。如果生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，那么就可以選擇自然時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效相互結(jié)合的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)焊接而言，需要從施工設(shè)計(jì)到施工之中，保證每一個(gè)環(huán)節(jié)都能夠高質(zhì)量地完成操作，才能最終滿足鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量要求。就鋼結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程而言，其本身就是一個(gè)高溫加熱的過(guò)程，所以，在這一個(gè)過(guò)程中，對(duì)于各個(gè)方面的控制才是變形控制的核心。本文通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形種類(lèi)以及變形出現(xiàn)成因分析的基礎(chǔ)上，對(duì)于控制與矯正措施進(jìn)行具體分析，再配合應(yīng)力消除的單獨(dú)分析，希望能夠?qū)窈蟮匿摻Y(jié)構(gòu)焊接變形的控制起到拋磚引玉的作用。

[1]薛曉林.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制措施研究[J].硅谷，2014，02：119+121.

[2]孫子祥.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形火焰矯正方法探究[J].科技資訊，2014，19：83.

[3]靳松梅.探究鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的成因與控制措施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，23：88.

[4]盧進(jìn)起，常德志，曲鋒軍.淺析鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及其控制方法[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，04：3+7.

[5]蔣志凱.基于殘余應(yīng)力場(chǎng)分析的焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)理論研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2010.

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2015-8-23