分步裝配工藝在鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制中的應(yīng)用

徐衛(wèi)國 顧耀東

摘要：鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代生產(chǎn)建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但使用過程中的焊接變形問題卻一直影響著構(gòu)件的質(zhì)量以及使用價(jià)值。因此，本文以鋼結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)發(fā)生變形的原因入手，通過對(duì)變形產(chǎn)生的種類進(jìn)行闡述，進(jìn)而就分步式裝配工藝以及其在鋼結(jié)構(gòu)焊接變形中的有效應(yīng)用進(jìn)行探討和分析，希望能夠帶給大家一些啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接變形;分步裝配工藝

引言

焊接時(shí)產(chǎn)生的變形一般是指在焊接時(shí)，由于被焊接的部件受到不均勻的溫度影響而發(fā)生的一種尺寸上的變化。根據(jù)形變發(fā)生的時(shí)間可以劃分為瞬時(shí)變形以及殘余變形;根據(jù)形變發(fā)生時(shí)的方式可以劃分成收縮變形以及扭曲變形。在現(xiàn)代生產(chǎn)建設(shè)過程中，因?yàn)閷?duì)構(gòu)件的整體要求越來越嚴(yán)格，構(gòu)件在加工過程中一但出現(xiàn)變形，那么構(gòu)件將失去價(jià)值，無法使用。因此，為了有效的提升構(gòu)件在生產(chǎn)生活中的效用，通過引入分步裝配工藝來有效控制鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中的變形是具有非常大的積極意義的。

一、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生的原因

在焊接過程中，溫度也是產(chǎn)生變形的主要要素之一。當(dāng)焊接過程中的溫度達(dá)到或超出金屬所能夠承載的熔點(diǎn)時(shí)，不同特性的金屬會(huì)發(fā)生不同程度的膨脹，進(jìn)而引發(fā)變形問題的產(chǎn)生。此外，在進(jìn)行焊接時(shí)，由于焊接溫度較高，導(dǎo)致在焊接的過程中讓焊接部位周圍的金屬也產(chǎn)生了不同程度的膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致焊接變形的發(fā)生。其次，在焊接時(shí)，操作時(shí)的順序也是引發(fā)變形產(chǎn)生的因素之一。在對(duì)部件不同位置進(jìn)行焊接時(shí)，因?yàn)椴考煌恢玫某休d力不同，首先對(duì)部件承載力較弱的部位進(jìn)行焊接時(shí)，承載力比較大的部位因?yàn)槭艿街亓Φ纫蛩氐挠绊懢陀锌赡軐?dǎo)致部件發(fā)生扭曲，進(jìn)而導(dǎo)致焊接變形問題的出現(xiàn)。另外，焊接時(shí)總焊縫位置的不同也會(huì)引發(fā)不同種類變形的出現(xiàn)。在部件的焊接過程中，部件本身的重力因素會(huì)對(duì)不同的金屬構(gòu)件產(chǎn)生一樣的壓力，因此在焊接時(shí)通過合理選擇總焊縫的位置，不僅能夠?qū)Σ考附訒r(shí)引發(fā)的變形進(jìn)行控制，同時(shí)也能夠有效的提升焊接后部件的總體質(zhì)量。最后，剛性因素也是產(chǎn)生變形的主要因素之一。當(dāng)部件之間的承載力相同時(shí)，剛性越小的部件在加工時(shí)產(chǎn)生的變形就會(huì)比較大，而剛性越大的部件在加工時(shí)產(chǎn)生的變形就相對(duì)較小。因此，施工人員在工程的開展過程中一定要深入分析工程的具體需要，然后針對(duì)性的選擇相應(yīng)特點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力的承載。如，需要承載比較大的重力時(shí)就可以選擇剛性較大的部件，而重力比較小時(shí)就可以采用剛性比較小的部件進(jìn)行使用，從而有效的避免焊接時(shí)變形問題的產(chǎn)生[1]。

二、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的種類

（一）失穩(wěn)變形

失穩(wěn)變形是因?yàn)楹附訒r(shí)殘余的應(yīng)力影響到部件的薄壁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引發(fā)了局部失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。在焊接過程中，焊接時(shí)的溫度會(huì)嚴(yán)重影響到鋼材料的薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力不均勻時(shí)就會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的受力平衡被破壞，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，若壓應(yīng)力沒有在外來因素的影響下消失，那么應(yīng)力集中就會(huì)進(jìn)一步的對(duì)材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)變形的出現(xiàn)。

（二）收縮變形

收縮變形是變形的一種，其一般分為橫向收縮變形以及縱向收縮變形。橫向變形一般是垂直于焊縫的，而縱向變形則普遍會(huì)沿著焊縫方向進(jìn)行發(fā)展。影響收縮變形的因素有很多，例如：構(gòu)件受到外力擠壓、在焊接過程中因?yàn)楹附硬粚I(yè)、焊接時(shí)的順序不對(duì)都有可能產(chǎn)生不同方向的收縮變形。在對(duì)收縮變形進(jìn)行處理時(shí)，一般都會(huì)采用機(jī)械拉伸的方式，但這種傳統(tǒng)的方式會(huì)較大的損壞構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，因而需要進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。

（三）扭曲變形

焊件若裝配質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)、焊接過程中焊件未平整放置、焊件本身凹凸不平等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致部件焊接完畢后發(fā)生扭曲變形。在對(duì)H型鋼進(jìn)行焊接時(shí)，一般都會(huì)在專有的胎具中進(jìn)行焊接作業(yè)，因此，引發(fā)扭曲變形主要還是因?yàn)榭v向焊縫其橫向在收縮時(shí)不均勻或者在焊接時(shí)，焊接順序不合理而導(dǎo)致的。此外，部件的尺寸、截面形狀等也是影響扭曲變形發(fā)生的主要因素之一。

（四）角變形

焊接時(shí)，角變形也是較為多見的變形，其一般會(huì)出現(xiàn)在堆焊、對(duì)接接頭焊等焊接方法中。在堆焊的使用過程中，焊接的焊縫處以及焊縫的周圍溫度都會(huì)比焊縫的背面要高，因此材料在堆焊完畢后表面的金屬會(huì)因?yàn)檩^高溫度的影響而發(fā)生壓縮塑性變形，在冷卻后就會(huì)導(dǎo)致角變形的形成。此外，影響角變形大小的因素一般還有材料本身的厚度以及熔深的程度。在接頭角變形中，引發(fā)變形的因素主要有坡口形式、角度以及焊接順序等因素。此外，當(dāng)坡口的角度越大時(shí)，需要添補(bǔ)的焊縫金屬就越多，板厚橫向的收縮越不均勻就越會(huì)導(dǎo)致角變形的增大。

三、分步裝配工藝

分步式裝配工藝是通過事先對(duì)部件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，然后依據(jù)各部件之間的焊縫分布狀況預(yù)先判斷出部件整體的變形趨勢，然后再根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求以及部件的結(jié)構(gòu)形式來有效的進(jìn)行步驟的劃分。在進(jìn)行裝配時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)要求較高的部件優(yōu)先進(jìn)行裝配、焊接以及校正，以保證其在焊接時(shí)能夠在對(duì)應(yīng)工裝上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)還要保障各層之間的焊接質(zhì)量。另外，在對(duì)檢驗(yàn)合格的主管以及易發(fā)生變形的支管和各連接部件在進(jìn)行裝配時(shí)應(yīng)當(dāng)在專有模具上進(jìn)行，這種類型的部件其焊接后形成的焊縫一般都不是對(duì)稱布局的，而這也是引發(fā)部件焊接時(shí)產(chǎn)生變形的主要原因之一。為了有效的減少焊接后發(fā)生的變形，可以通過增加一定的角度來有效避免變形的產(chǎn)生。另外，對(duì)這種類型的部件應(yīng)當(dāng)在裝配完成后在進(jìn)行焊接作業(yè)，當(dāng)焊接完畢以后還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一定程度的校正，最后在通過模具焊接其他附件。使用分步式裝配工藝在進(jìn)行部件的安裝時(shí)，可以讓遭受變形影響的部件自由焊接，當(dāng)部件出現(xiàn)變形情況時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣碛行У慕档秃附雍蠊ぜ膬?nèi)應(yīng)力。即使在焊接完成后依舊會(huì)出現(xiàn)變形超過標(biāo)準(zhǔn)的情況，但校正時(shí)的熱輸入量卻比往常要小的多。另外，在安裝完畢所有的定位法蘭后在進(jìn)行零件的焊接，在變形上就會(huì)很難發(fā)生橫向變形，而且當(dāng)部件再次進(jìn)行鍍鋅加熱時(shí)，其引發(fā)的變形概率也會(huì)被大大降低[3]。

四、焊接變形中分步式裝配工藝的有效應(yīng)用

（一）對(duì)于構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效明確

在進(jìn)行分配式裝配工藝的開展時(shí)，其第一步通過都是對(duì)部件整體結(jié)構(gòu)的有效明確，其中就包含著部件在焊接完畢后的基礎(chǔ)模型、焊接完畢后焊接縫所處的位置以及材料厚度等相關(guān)方面的內(nèi)容。例如，不同鋼材之間的規(guī)格不同，其在延展性以及剛度上的就有較大的區(qū)別，當(dāng)鋼材受熱，鋼材延展性較好的鋼材就比延展性較差的鋼材更容易受到外力影響，進(jìn)而引發(fā)變形。因此，在進(jìn)行加工作業(yè)開展前，專業(yè)的相關(guān)人員一定要對(duì)材料進(jìn)行深入分析，通過分析材料的各項(xiàng)特性然后采用合適的施工工藝進(jìn)行加工，從而讓加工后的材料質(zhì)量完全符合施工時(shí)的使用要求。此外，焊接縫位置、材料本身厚度等也是造成焊接時(shí)產(chǎn)生變形的主要原因，因此在焊接工藝開展前也需要對(duì)其進(jìn)行深入了解，以此來有效的保證焊接后的部件其質(zhì)量能夠充分滿足工程的需要，進(jìn)而為工程的順利開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

后大梁下鉸點(diǎn)裝配，在鉸點(diǎn)封板焊接、探傷結(jié)束后，才進(jìn)行承軌梁定位，在承軌梁焊接后，劃線修割鉸點(diǎn)插板余量，進(jìn)行下鉸點(diǎn)裝配，保證最終的鉸點(diǎn)尺寸，同軸及角尺。

（二）明確部件受力情況

在焊接過程中，大部分焊接變形產(chǎn)生的主要原因還是因?yàn)楹附涌p不對(duì)稱，焊接縫不對(duì)稱會(huì)直接導(dǎo)致部件不同部位之間的受力情況出現(xiàn)變化，從而在加工過程中引發(fā)部件的變形。因此，在開展分布式裝配工藝時(shí)，第二步要進(jìn)行的工作就是進(jìn)行部件受力情況的分析。通過對(duì)構(gòu)件不同部位之間的受力情況進(jìn)行合理分析，從而采用科學(xué)的工藝并結(jié)合針對(duì)性的方式來進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)化，進(jìn)而使得構(gòu)件在加工時(shí)能夠有效減少變形的發(fā)生，從而提高構(gòu)件的質(zhì)量，滿足工程的需要。在進(jìn)行精密部件或者大型部件的受力分析時(shí)，可以通過采用有限元分析法來進(jìn)行相關(guān)受力情況的判斷，而對(duì)于精密度要求不太高的部件或者小型的一些部件進(jìn)行受力分析時(shí)就可以采用目測的方式進(jìn)行，如在對(duì)小型碳烤爐的排煙管進(jìn)行受力分析時(shí)就可以采用目測的方式進(jìn)行，小型碳烤爐的排煙管發(fā)生少量的變形也不會(huì)對(duì)裝置的主要功能產(chǎn)生影響，因此目測以及結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)來有效判斷可能出現(xiàn)形變的位置，進(jìn)而對(duì)可能發(fā)生形變的位置進(jìn)行處理，以此來有效的防止變形問題的產(chǎn)生。

（三）進(jìn)行模擬分析

分配式裝配工藝的最后一步是進(jìn)行模擬分析，這一步通常所面對(duì)的對(duì)象主要是精密度要求較高的部件。在對(duì)這類部件進(jìn)行檢驗(yàn)分析時(shí)，采用的方法主要是有限元分析法以及模型分析法，在進(jìn)行分析時(shí)通常是將兩者進(jìn)行結(jié)合，然后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來有效開展具體的工作。在使用有限元分析時(shí)，通常是將整個(gè)部件分成若干個(gè)小部分，然后再以具體的受力情況為依據(jù)將劃分的小部分再進(jìn)一步的進(jìn)行細(xì)化，最后在引入熱加工，進(jìn)而有效的觀察整個(gè)構(gòu)件在熱加工條件下整體的變化狀況，在觀察的過程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注可能會(huì)發(fā)生變形的位置以及變形時(shí)產(chǎn)生的幅度。此外，在面對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，可以通過加厚的方式直接進(jìn)行干預(yù)。對(duì)于產(chǎn)生的收縮變形，可以通過加長長度或者寬度的方式，亦或者采用對(duì)稱的焊接方式，從而有效的消除因?yàn)楹附涌p不對(duì)稱而引發(fā)的一系列影響。

五、結(jié)束語

綜上所述，通過在鋼結(jié)構(gòu)焊接中引入分布式裝配工藝對(duì)于變形能夠起到有效的控制作用。在鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，引起焊接變形的原因有許多，如溫度、焊接順序等;焊接過程中變形的種類也有很多，如失穩(wěn)變形、收縮變形等。通過應(yīng)用分布式裝配工藝能夠有效的改善焊接產(chǎn)生的變形問題，從而提高鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，并對(duì)工程或者產(chǎn)品的高質(zhì)量完成奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒平.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與控制對(duì)策探討[J].冶金與材料，2020，40（3）：2.

[2]趙興剛.鋼結(jié)構(gòu)制作中防止焊接變形的實(shí)踐分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（19）：3.

[3]紀(jì)浩然.分步裝配工藝在鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（8）：2.