鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制技術(shù)

李根 張旭旭 王龍

摘要：現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工藝繁瑣，焊接過程中會有許多焊縫交錯(cuò)。鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭是經(jīng)常發(fā)生緊急集中的地方，會伴隨殘余拉應(yīng)力。這是疲勞裂紋的開始，它將在殘余應(yīng)力下進(jìn)一步擴(kuò)展。建筑鋼結(jié)構(gòu)在焊接后將部分受力疊加到焊接殘余應(yīng)力上。在殘余應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下，建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命進(jìn)一步縮短，出現(xiàn)腐蝕疲勞現(xiàn)象?；诖耍疚闹饕獙︿摻Y(jié)構(gòu)焊接變形控制技術(shù)進(jìn)行了簡要的分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接變形;控制技術(shù)

引言

鋼結(jié)構(gòu)焊接作為工業(yè)生產(chǎn)體系的重要組成部分，受制于傳統(tǒng)焊接方法以及技術(shù)方案，現(xiàn)階段工作人員在開展焊接作業(yè)的過程之中，極易發(fā)生各類病害，導(dǎo)致工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性受到極大的削弱。為了有效應(yīng)對這一情況，提升工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接效能，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊接病害的科學(xué)控制，強(qiáng)化工業(yè)生產(chǎn)能力，進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)體系升級。

1鋼結(jié)構(gòu)焊接變形原因分析

使得鋼材在高溫條件下會發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致鋼材焊接的接口處極易發(fā)生變形，從實(shí)際情況來看，工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形可以劃分為橫向收縮變形、縱向收縮變形、角變形、撓曲變形等類型。工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程之中，產(chǎn)生的高溫使得焊接鋼材的焊接部分與未焊接部分在溫度上產(chǎn)生一定的差異，進(jìn)而在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力，這種應(yīng)力如果超過合理的范圍，將會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形[1]。由于應(yīng)力方向的不同，產(chǎn)生了縱向收縮變形與橫向收縮變形兩種，具體來看縱向收縮變形發(fā)生在工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接處的縱向位置，在縱向位置上發(fā)生收縮變形;橫向收縮變形則發(fā)生在工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接處的橫向位置，在橫向位置上發(fā)生所收縮變形。工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)角變形的發(fā)生是由于鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程之中由于工作人員不合規(guī)的操作導(dǎo)致焊接位置發(fā)生結(jié)構(gòu)移動(dòng)。撓曲變形通常情況下，表現(xiàn)為鋼結(jié)構(gòu)焊接處發(fā)生拱狀彎曲，并且變形程度存在一定的差異，從實(shí)際情況來看，鋼材質(zhì)量的好壞是影響撓曲變形的重要因素。工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中時(shí)常會咬邊病害，所謂的咬邊是指焊接邊緣出現(xiàn)凹陷，目前形成工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊縫咬邊的原因是多方面的，具體來看，焊接過程中，電流過大、運(yùn)條運(yùn)行速度過快以及電弧過長等因素，使得焊件被熔化之后形成一定的深度，而這一深度并沒有被填充金屬及時(shí)填充完全，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)凹陷。咬邊病害導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)接頭的工作截面大大降低，使得工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)咬邊外部應(yīng)力逐步集中，工作截面所受荷載增加，破壞了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量帶來消極影響。

2鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制技術(shù)

2.1焊接過程控制

2.1.1焊接電流及電弧電壓控制

在鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的焊接工作中，要有焊接工藝的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行焊接工作，下面是熱輸入公式的計(jì)算方式：熱輸入=0.06×電弧電壓×焊接電流÷焊接速度。另外，如果電弧電壓，焊接電流超過一定的數(shù)據(jù)，熱輸入就會隨之變大，就會造成焊接的收縮量加劇。下圖是某項(xiàng)目部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊接使用的電弧電壓和焊接電流范圍表。為此，從上面的環(huán)節(jié)工藝得出，進(jìn)行焊接的過程中，電弧電壓和焊接電流要保持在一定的范圍內(nèi)，如果高就會出現(xiàn)焊接變形，若過低焊絲和母材無法得到融合，為此，進(jìn)行焊接的過程中，需要焊接和QC人員首先要按照焊接的工藝嚴(yán)格進(jìn)行焊接流程。

2.1.2焊接順序控制

在鋼結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)上，焊接都是必須要使用正確的焊接流程進(jìn)行焊接的，不僅要確保焊接的質(zhì)量，同時(shí)還要避免焊接出現(xiàn)變形。針對單面坡口的焊接工作，要使用分段焊接的形式，降低焊接變形的幾率;針對雙面坡口焊接，要使用焊接此類節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行完正面焊接后對后面進(jìn)行焊接，確保兩面都均勻焊接。

2.2焊后調(diào)直控制措施

2.2.1機(jī)械調(diào)直

機(jī)械調(diào)直主要是利用機(jī)械矯正設(shè)備進(jìn)行操作，在進(jìn)行預(yù)制過程中運(yùn)用到矯正組合梁上。一些局部機(jī)械調(diào)直是要利用液壓千斤頂。進(jìn)行液壓千斤頂調(diào)直的過程中，不要采取在焊道外直接加壓或者在機(jī)械調(diào)直過程中加熱。針對板對接焊進(jìn)行焊接變形要使用液壓機(jī)來實(shí)際操作，如果要用液壓機(jī)進(jìn)行調(diào)直，不要再焊道處直接加壓或者機(jī)器調(diào)直，同時(shí)不要進(jìn)行加熱。在進(jìn)行機(jī)械矯正最大的變形坡度為2或是比例為1：24。若變形超過這個(gè)范圍，就需要加熱調(diào)直工藝。

2.2.2熱調(diào)直

因?yàn)闃?gòu)件在焊接中會出現(xiàn)變形就要采取熱調(diào)直。針對手工熱調(diào)直，就需要在加熱前，在加熱的區(qū)域用筆進(jìn)行標(biāo)識做上記號，不要再焊道外采取加熱的處理。另外，焊趾到火焰頂端的位置mm是不能進(jìn)行加熱。在熱調(diào)直的過程中，不能進(jìn)行水或者水霧采取冷卻的處理。在熱調(diào)直的方法上，有面加熱，點(diǎn)加熱和線加熱，三種形式可以針對不同形式的變形來采取調(diào)直。熱調(diào)直的溫度一般比較嚴(yán)格，針對調(diào)質(zhì)鋼不允許超過600℃（1100℉），針對TMCP鋼不得超過580℃（1076℉），其他種類的鋼種不得超過650℃（1200℉）。鋼材的溫度在315℃以上，此時(shí)不能進(jìn)行冷卻處理。一般情況下測量的溫度要保持在鋼材距離火焰位置75mm。

2.3殘余應(yīng)力調(diào)控工藝

殘余應(yīng)力是引起鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的因素之一。減小殘余應(yīng)力可以有效地減小鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形。由于鋼結(jié)構(gòu)溫度場集中在焊縫內(nèi)，冷卻后的殘余應(yīng)力集中在焊縫內(nèi)。初始焊接溫度、焊縫與焊縫之間的距離、最高溫度、有效加熱半徑和試件厚度是影響鋼結(jié)構(gòu)焊接的所有條件。為了探討殘余應(yīng)力在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的控制作用。1）對焊鋼結(jié)構(gòu)焊縫附近的殘余應(yīng)力較大，而其他區(qū)域的殘余應(yīng)力隨著與焊縫距離的增大而減小。對接焊縫區(qū)為殘余應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力形式為焊縫兩側(cè)的壓應(yīng)力，作用范圍較小;中部為拉應(yīng)力，作用面積較大，但數(shù)值較小。在計(jì)算機(jī)模擬過程中，發(fā)現(xiàn)通過改變試驗(yàn)點(diǎn)和試件尺寸，殘余應(yīng)力發(fā)生變化，這表明在實(shí)際焊接過程中，應(yīng)將焊件尺寸作為描述殘余應(yīng)力的參考因素，通過選擇合適的焊接工藝參數(shù)，可以減小殘余應(yīng)力的影響。在控制變形的過程中對焊接件尺寸進(jìn)行限制。3）對焊鋼結(jié)構(gòu)在初始加熱階段會出現(xiàn)殘余應(yīng)力。目前下降的趨勢是先快后緩，焊趾處于橫向殘余應(yīng)力的峰值，這是變形的來源，也是控制變形的關(guān)鍵。4）平行熱處理縱向殘余應(yīng)力的降低程度大于橫向殘余應(yīng)力。該方法適用于縱向殘余應(yīng)力較大的焊接方式。鋼板對接變形的主要原因是縱向殘余應(yīng)力。平行加熱可以減小縱向殘余應(yīng)力的影響，不同焊接方法對應(yīng)的方法可以減小殘余應(yīng)力的影響。

結(jié)束語

綜上所述，為了確保工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接施工活動(dòng)的有序開展，減少病害危害性，保證整個(gè)焊接質(zhì)量，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)體系升級。文章以鋼結(jié)構(gòu)焊接作為切入點(diǎn)，在分析焊接病害的基礎(chǔ)上，分析病害成因，在此基礎(chǔ)上，采取科學(xué)高效的控制手段，有效應(yīng)對工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)病害，延長工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)使用壽命，提升鋼結(jié)構(gòu)焊接效能，為后續(xù)工業(yè)加工活動(dòng)的進(jìn)行創(chuàng)造了便利條件。

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）