大型鋼結(jié)構(gòu)制作中焊接變形的控制分析

張亞晨

摘要：近年來，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械工業(yè)中的大型結(jié)構(gòu)作為工業(yè)化道路中的重要組成部分，在工業(yè)發(fā)展的道路上應(yīng)用非常廣泛。而完成、應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)中必不可少的工藝之一就是焊接，所以焊接工藝質(zhì)量的好壞與大型結(jié)構(gòu)的安全、質(zhì)量等有著直接的關(guān)系，基于此，我們要對(duì)焊接工藝水平不斷提高，并且對(duì)焊接過程中出現(xiàn)的問題加以控制，這對(duì)于提高大型結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量來說具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：大型鋼結(jié)構(gòu)；焊接；工藝變形

因?yàn)楹附舆@種技術(shù)擁有非常復(fù)雜的變化過程，所以這個(gè)技術(shù)不僅在建模和數(shù)值求解上有很多的問題存在，而且大型鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝的難度往往也相當(dāng)高，下面我們對(duì)此進(jìn)行具體分析。

1大型鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的影響因素分析

1.1材料因素

材料因素主要指的是焊接的母材與焊材，其中又?jǐn)?shù)材料的物理性能以及熱力學(xué)性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形影響最大。材料物理性能的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)整體材料變形影響較大，一般情況下，溫度梯度與材料熱傳導(dǎo)系數(shù)成反比增長(zhǎng)關(guān)系，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，其溫度梯度則越大，所發(fā)生的材料變形也就越大。相較于物理性能而言，熱力學(xué)性能要復(fù)雜得多。在熱力學(xué)性能中膨脹系數(shù)對(duì)整體材料變形具有較大影響。變形會(huì)隨著膨脹系數(shù)的增加而變大。除此之外，高溫時(shí)材料的屈服基線以及彈性模量對(duì)材料焊接變形影響也較大，焊接變形隨著彈性模量的變大而減小，但材料的屈服極限會(huì)隨之增大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的增加，這在一定程度上對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而降低了材料的受力能力。

1.2鋼結(jié)構(gòu)剛度

鋼結(jié)構(gòu)剛度指的是在彎曲以及拉伸變形的情況下，鋼結(jié)構(gòu)所能承受的抵抗力。其中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)剛度造成影響的因素主要有鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸以及形狀。如鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸與面積主要影響縱向桁架以及工字鋼截面的變形量；鋼結(jié)構(gòu)截面形狀以及抗彎剛度主要對(duì)丁字型、工字型、其他形態(tài)的型鋼的彎曲變形量產(chǎn)生影響。

1.3焊縫位置

由于鋼結(jié)構(gòu)焊接位置各不相同，所以焊接縫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。主要表現(xiàn)在部分主要鋼結(jié)構(gòu)受力處出現(xiàn)焊接縫會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，并且受到外界作用力的影響，焊接縫也會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，從而對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)焊縫位置進(jìn)行重點(diǎn)控制。

1.4焊接工藝

結(jié)合實(shí)踐來看，以下幾種焊接工藝往往較容易導(dǎo)致焊接變形產(chǎn)生：第一，對(duì)接焊縫方式。采取對(duì)接焊縫方式時(shí)會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)因所產(chǎn)生橫向收縮變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱向而產(chǎn)生變形；第二，多層焊接方式。采取多層焊接方式進(jìn)行作業(yè)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，并且層數(shù)與變形成正比，即焊接層數(shù)越多變形的程度就越大。以三層焊接方式為例，其首層焊縫所產(chǎn)生收縮量最大，其后二三層以此遞減，根據(jù)研究可知它們分別為首層的收縮量15%～20%、5%～10%，而這就導(dǎo)致了所焊機(jī)鋼結(jié)構(gòu)因各層收縮量不同而產(chǎn)生變形。

2大型鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的控制策略

2.1科學(xué)選擇焊接順序

在焊接鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的形狀以及規(guī)格型號(hào)的大小來合理選擇在焊接順序。如，在焊接大型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需把小組件焊接完成，才能進(jìn)行整體的焊接與裝配；在焊接小型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，則可由裝配、定位焊固定開始，合理選擇焊接順序即可。此外，在裝配部件時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保所使用的零配件與相關(guān)要求相符，以避免在裝配時(shí)容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力或發(fā)生變形。

2.2加強(qiáng)焊接工藝控制

針對(duì)焊接工藝所引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形問題，通過加強(qiáng)對(duì)其控制就顯得十分必要。對(duì)此，企業(yè)可以采取以下幾方面措施加強(qiáng)焊接工藝控制：首先，企業(yè)應(yīng)根據(jù)具體鋼結(jié)構(gòu)焊接要求選擇最為適宜的焊接工藝，隨后焊接人員結(jié)合工藝以及鋼結(jié)構(gòu)焊接要求將最佳電流、順序以及速度等確定下來，以此降低鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的產(chǎn)生。其次，針對(duì)焊縫集中或較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)采取針對(duì)性焊接工藝，比如前者應(yīng)采取跳焊法，而后者則應(yīng)使用對(duì)稱焊與分段退步焊相結(jié)合，從而使其能夠有效地減少焊接變形產(chǎn)生。最后，針對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)焊接中，企業(yè)除了選擇適宜焊接工藝外，還應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)合理的焊接原則，即先中間后兩邊、先焊短后焊長(zhǎng)以及先對(duì)接縫后搭接縫等，如此一來也有助于降低鋼結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生。

2.3做好焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的設(shè)計(jì)工作

結(jié)合實(shí)踐來看，做好焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的設(shè)計(jì)工作主要可從以下幾方面著手進(jìn)行：①合理控制焊縫的數(shù)量與面積。如若在焊接過程中，熱量輸入越多，則其發(fā)生焊接變形的可能性就越大，因此，應(yīng)盡可能減少焊縫數(shù)量以及面積，以達(dá)到控制焊接變形的目的。②科學(xué)選擇焊縫坡口大小與尺寸，以將截面積對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形的影響降到最低。③將焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)置與構(gòu)件界面兩側(cè)，并盡可能將結(jié)構(gòu)中性軸焊接節(jié)點(diǎn)維持在幾近中性軸或正正中性軸處，防止在高應(yīng)力區(qū)焊接。

2.4借助于固定夾具提升剛性

針對(duì)節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜，多方向連接等焊縫較多、焊接量較大的鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)中，為了有效地減少其焊接變形，我們可以在作業(yè)前借助于將固定夾具等裝置安裝在焊接平臺(tái)或鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，從而使得所焊鋼結(jié)構(gòu)剛性因夾具外力而提升，如此一來便能有效地降低焊接作業(yè)時(shí)溫度變化所造成收縮量，以此達(dá)到減少鋼結(jié)構(gòu)焊接變形之目的。

2.5合理采用反變形法

反變形法即往焊接變形相反的方法進(jìn)行預(yù)先變形，從而對(duì)焊接變形起到一個(gè)控制作用。然而，采用該種方法需要預(yù)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)焊縫的設(shè)計(jì)規(guī)范與要求來合理選擇規(guī)格、材質(zhì)相同的鋼板來預(yù)先進(jìn)行試件焊接工作，保證焊腳高度以及焊縫形式與設(shè)計(jì)要求相符合，待其冷卻到室溫后對(duì)翼板變形量進(jìn)行測(cè)量，并將所得數(shù)據(jù)在當(dāng)做壓制反變形的參數(shù)，并采用壓板機(jī)往翼板中心線上壓出變形量的數(shù)，讓翼板兩頭預(yù)先上翹，用以對(duì)焊接變形量相抵消，從而在焊接完成后，翼板兩頭正好持平。

3結(jié)束語(yǔ)

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前建筑工程中重要的形式而在當(dāng)前得到了極大程度地發(fā)展，然而我們?cè)诿鎸?duì)所得成績(jī)之時(shí)，也不得不面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造過程中普遍存在的焊接變形問題。有鑒于此，上文在充分結(jié)合工作實(shí)踐基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形影響因素探究出一些有針對(duì)性的控制策略，以期為推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。

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