鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)及控制措施

孫大偉，王紀(jì)賓，陳海濤

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接施工中難免會(huì)出現(xiàn)焊接應(yīng)力和焊接變形的情況，這對于焊接接頭的強(qiáng)度以及焊接結(jié)構(gòu)尺寸的精度都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件報(bào)廢。此外，鋼結(jié)構(gòu)在日后使用中的承載力也與焊接應(yīng)力與焊接變形有著很大的關(guān)聯(lián)。因此相關(guān)施工人員要切實(shí)把握好焊接技術(shù)，加強(qiáng)對焊接重難點(diǎn)的技術(shù)控制，采取有效措施提高鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 焊接變形與應(yīng)力的控制

1.1 焊接變形的控制措施

（1）焊縫的截面面積應(yīng)當(dāng)盡可能減少，根據(jù)連接需要來決定施焊量，焊縫的強(qiáng)度也要依據(jù)有效的焊腳尺寸來確定，多出的、凸出很多的焊縫金屬并不能使焊縫強(qiáng)度得以提升，反而會(huì)使應(yīng)力集中系數(shù)不斷加大，使坡口的整體性能得以減弱?？梢酝ㄟ^U型刨邊將對接焊縫、后半形成U型坡口，使焊縫的金屬含量得到進(jìn)一步降低。

（2）在最大限度上減少焊縫的數(shù)量，盡可能采用多層多焊道的方式對焊縫進(jìn)行處理，尤其要對焊板的焊接加以重視[1]。

（3）盡量使焊縫保持對稱，靠近中和軸的位置進(jìn)行布置施焊，通過這樣的方式減少鋼板的變形。

（4）平衡處理中和軸的外圍焊縫：根據(jù)兩個(gè)收縮力互相平衡的原則對焊縫進(jìn)行對稱施焊，為了有效地對焊接變形進(jìn)行控制，可以在焊接的設(shè)計(jì)與具體實(shí)施環(huán)節(jié)中做好焊縫的平衡處理。

（5）對焊板進(jìn)行逆向回焊。當(dāng)焊接程序由左至右進(jìn)行時(shí)，那么每一焊應(yīng)當(dāng)從右到左進(jìn)行施焊，這便是分段側(cè)焊法。在對焊板進(jìn)行施焊的過程中會(huì)使內(nèi)側(cè)的焊縫板產(chǎn)生熱量，在熱量的作用下會(huì)使焊縫板出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，因此會(huì)使兩塊焊板在一定的時(shí)間內(nèi)會(huì)分開向外；然而在熱量由內(nèi)向外擴(kuò)散的過程中，焊縫板出現(xiàn)的膨脹就會(huì)使焊板不斷向內(nèi)合攏。

（6）運(yùn)用反變形力的方法進(jìn)行焊接。在進(jìn)行焊接之前，通過偏置焊件的方法可以對收縮力加以有效利用，比如在焊接開始之前可以裝偏部分焊件組合，使焊件組合的預(yù)偏量能夠?qū)⑹湛s后的半間恰如其分地回到設(shè)定的位置上[2]。在焊接前，預(yù)拱或者彎曲所要焊接的部件，便是運(yùn)用反變形力的方法對收縮力進(jìn)行抵消的簡單實(shí)例。

（7）運(yùn)用反向力對收縮力進(jìn)行平衡，反向力可包括：①由夾具等形成的約束力；②源于其他的收縮力；③構(gòu)件重力拱度向下所形成的反力；④由構(gòu)件裝配而成的組合件所產(chǎn)生的約束力。

常用的一種平衡收縮力的方法是通過背靠背的方式把兩個(gè)等同的焊接件緊夾于一處，之后再對組合件進(jìn)行焊接，組合件冷卻之后再松開夾具。在使用這種方法的時(shí)候可以與預(yù)彎法加以結(jié)合，也就是在夾緊焊接件之前，將契塊打入到構(gòu)件中恰當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

對于零部件以及小型組合件的變形量來說，使用最多的控制方法便是把部件用卡具和夾具在適當(dāng)?shù)奈恢蒙线M(jìn)行固定，直至焊接完所有的部件為止。根據(jù)上文所述，焊件的內(nèi)應(yīng)力在夾具約束力的作用下會(huì)不斷增加，一直增加到焊縫金屬的屈服點(diǎn)。就低碳鋼板焊縫而言，每平方毫米的屈服點(diǎn)可達(dá)311N。在施焊的過程中，一般會(huì)認(rèn)為從夾具上取下焊好的部件會(huì)在內(nèi)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生明顯的變形，然而事實(shí)上這類狀況是不會(huì)發(fā)生的，因?yàn)橄噍^于無約束力焊接變形，內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變是非常微小的。原因在于當(dāng)屈服點(diǎn)小于或者等于內(nèi)應(yīng)力的時(shí)候，會(huì)發(fā)生極小的變形從而將應(yīng)力釋放出來[3]。

（8）恰當(dāng)?shù)匕才藕附禹樞?。恰?dāng)?shù)暮附禹樞蛲ǔ？梢杂行У仄胶馐湛s力。即有意地對不同部位的結(jié)構(gòu)來安排焊接，從而使已焊的收縮力可以與某一處的收縮力進(jìn)行相互抵消。

（9）除去焊接過程中以及焊接結(jié)束后所產(chǎn)生的收縮力。除去收縮力通?？梢圆扇″N擊法的方式來實(shí)現(xiàn)，然而該方式的運(yùn)用還具有一定的爭議。錘擊法是將外力施加在焊縫上，這是一種通過機(jī)械的方式來進(jìn)行加工的方法，這種方法可以將焊縫變得長而薄，并且能夠有效除去剩余的應(yīng)力。

在應(yīng)用錘擊法消除收縮力的過程中要遵循一定的原則，錘擊法對溫度有著一定的要求，并且要保證錘擊的力道和頻率，將其控制在合理的范圍內(nèi)。此外，不得錘擊焊道的根部與表面，也不可錘擊同等的材質(zhì)，施工人員需要嚴(yán)格地進(jìn)行會(huì)狀錘擊。

1.2 控制焊接殘余應(yīng)力的技術(shù)措施

①對焊縫進(jìn)行有效處理，將其尺寸減?。虎趯⒕惺缚p的力度降低；③對焊接順序進(jìn)行合理化安排；④弱化焊件的剛性能力，創(chuàng)造條件使其能夠自由收縮。

1.3 防治焊接裂紋的技術(shù)措施

（1）焊接材料的選擇應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，并且對焊縫中存在的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行有效把控，減少材料中容易產(chǎn)生偏析的元素含量，比如硫、磷等，從而避免出現(xiàn)熱裂紋。

（2）對焊接的工藝參數(shù)加以有效控制，確保焊道截面的深度與寬度比值可以滿足焊接工藝需求，從而使熱量輸入能在允許的范圍之內(nèi)[4]。

（3）做好焊接前的預(yù)熱工作以及焊接后的緩冷處理，通過這樣的方式使焊接接頭得到改進(jìn)，控制，從而對HAZ的整體性能以及焊縫進(jìn)行改善，避免產(chǎn)生冷裂紋。

2 減少焊接應(yīng)力集中的控制措施

（1）在進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)完整、勻順而連續(xù)；盡量使焊縫不出現(xiàn)交叉密集的情況。焊縫間的距離不得小于100mm。

（2）不論中心線是否對稱，對于不等厚板的對稱焊接頭都應(yīng)當(dāng)把厚板削成坡度形狀，再將其對齊[5]。

（3）應(yīng)當(dāng)在工作最為有效之處布置焊縫，從而達(dá)到焊接量最少，效果最佳的目的。

（4）應(yīng)當(dāng)在方便焊接、便于檢查的地方布置焊縫位置。

（5）將和緩的過渡設(shè)置于焊縫連接板的根部。

（6）切去筋端部的銳角，對板的端部做包角處理。

（7）盡量靠近中心軸將焊縫進(jìn)行對稱布置。

（8）焊縫盡量不要在應(yīng)力集中的地方進(jìn)行布置，特別是要對處在動(dòng)載結(jié)構(gòu)處的焊縫加以注意。

3 焊接安裝工藝

（1）在全部將吊裝、校正以及栓焊混合節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)螺栓擰成節(jié)間之后再進(jìn)行焊接，使鋼結(jié)構(gòu)的框架更加穩(wěn)固。

（2）在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過程中要根據(jù)其自身的框架特征，選擇基準(zhǔn)節(jié)間或基準(zhǔn)柱來焊接柱和主梁間的焊縫，由中間向外圍進(jìn)行施焊，以免一直向同一個(gè)方向收縮變形。

（3）當(dāng)結(jié)束拼接節(jié)柱中的柱梁接點(diǎn)時(shí)，按照從上往下的順序?qū)宇^進(jìn)行焊接，確?？蚣艿姆€(wěn)固性。

（4）混合接點(diǎn)要按照先栓后焊的順序進(jìn)行，以免孔間在收縮力的作用下產(chǎn)生移位。

（5）對稱于柱梁接點(diǎn)兩邊的梁需要與柱同時(shí)進(jìn)行焊接，使焊接的拘束度得以降低，以免在焊接的過程中出現(xiàn)裂紋，保證柱腳的穩(wěn)定性。

（6）在焊接柱、柱節(jié)點(diǎn)的時(shí)候要按照由下往上的順序進(jìn)行。在重力以及橫向收縮力的作用下會(huì)使焊縫出現(xiàn)沉降，可能會(huì)在一定程度上累積標(biāo)高誤差，在結(jié)束節(jié)柱的安裝與焊接工序之后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對柱長進(jìn)行調(diào)整，確保節(jié)柱的安裝精確度。

4 預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)變形的措施

（1）對稱孔徑或者零件要保持同一的尺寸，為加工提供便利，同時(shí)在拼裝的過程中還可以進(jìn)行互換。

（2）焊縫的布置應(yīng)恰當(dāng)合理，不同的焊縫間要保持一定的距離，不可過近。若零件與材料尺寸相等時(shí)，焊縫的拼接應(yīng)當(dāng)盡可能減少甚至不做；在軸線兩側(cè)或者構(gòu)件重心的對稱位置來布置焊縫，減少焊接變形的發(fā)生以及集中過多的焊接應(yīng)力。

（3）在連接構(gòu)件與零件的過程中要避免相接不等厚度和截面，通過緩坡的方法對厚度以及截面的形狀加以改變，避免焊接應(yīng)力過大，出現(xiàn)變形[6]。

（4）桿件端頭邊緣與節(jié)點(diǎn)之間的距離要在20mm以上，以此確保焊接的質(zhì)量。

（5）①普通的鋼結(jié)構(gòu)適宜應(yīng)用交流焊機(jī)。②焊接要求比較高的鋼結(jié)構(gòu)適于應(yīng)用直流焊機(jī)。③對于柱梁較長的對角或者角焊縫適宜采用埋弧焊自動(dòng)焊。

5 結(jié)語

總而言之，鋼結(jié)構(gòu)憑借其自身特有的優(yōu)勢，在建筑行業(yè)的應(yīng)用日漸廣泛，迎來了全新的發(fā)展時(shí)代。焊接技術(shù)使保證鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要前提和基礎(chǔ)，因此相關(guān)施工人員應(yīng)當(dāng)明確焊接技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并且對焊接變形和焊接應(yīng)力的控制措施加以有效把握，運(yùn)用合理的技術(shù)措施來進(jìn)行焊接施工，確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。