大型鋼結(jié)構(gòu)制作中焊接變形的控制分析

朱佳

摘要：近年來，在我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展中，作為工業(yè)化道路建設(shè)中重要的組成部分，機(jī)械工業(yè)中的大型鋼結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。而在其應(yīng)用中，一項(xiàng)必不可少的工藝就是焊接，焊接的質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步影響到大型鋼結(jié)構(gòu)的安全性和質(zhì)量水平。其中，在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中，需要進(jìn)行多項(xiàng)復(fù)雜的操作和計(jì)算，而焊接本身是一項(xiàng)實(shí)施過程會(huì)存在復(fù)雜變化的工藝技術(shù)，因此大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接難度較大。本文主要進(jìn)行大型鋼結(jié)構(gòu)制作中焊接變形的控制分析，了解大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接難度和產(chǎn)生變形的因素，以更好地控制變形，保證焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大型鋼結(jié)構(gòu);制作;焊接;變形;控制策略

引言

在焊接工藝操作中，存在建模和數(shù)值求解方面的多項(xiàng)問題，并且大型鋼結(jié)構(gòu)焊接的難度更高。在大型鋼結(jié)構(gòu)制作中，焊接是其重要工序，消除焊接應(yīng)力、控制焊接變形是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

1大型鋼結(jié)構(gòu)制作中焊接變形的影響因素

1.1材料因素

大型鋼結(jié)構(gòu)制作中，焊接材料是引發(fā)焊接變形的重要因素，一般情況下，母材與焊材作為焊接常用材料，其物理性能及熱力學(xué)性能往往會(huì)對(duì)焊接效果產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。在大型鋼結(jié)構(gòu)制造中，焊接變形的影響因素包括溫度梯度和材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，而這兩種因素之間呈鮮明的反比例增長(zhǎng)關(guān)系，也就是說，隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)的減小，溫度梯度會(huì)明顯增大，材料所受焊接影響也比較大，此種情況下焊接變形也比較嚴(yán)重。而熱力學(xué)性能對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)變形的影響則明顯強(qiáng)于材料物理性能，其中以膨脹系數(shù)為典型代表。隨著膨脹系數(shù)的加大，焊接變形也會(huì)隨之加大。此外，大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中會(huì)形成高溫環(huán)境，此時(shí)材料屈服基線及彈性模量也是影響材料焊接變形的重要因素，其具體關(guān)系為：隨著彈性模量的逐漸變大，焊接變形會(huì)在一定程度上減小，但受到材料屈服極限增大的影響，焊接殘余應(yīng)力顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致材料受力能力明顯降低，使得大型鋼結(jié)構(gòu)焊接出現(xiàn)嚴(yán)重變形。材料是大型鋼結(jié)構(gòu)制作過程當(dāng)中最重要影響因素之一。在焊接當(dāng)中經(jīng)常會(huì)運(yùn)用到母材和焊材這兩種材料。這兩種材料在物理和熱力學(xué)上性能有很大區(qū)別，它們對(duì)焊接效果也會(huì)產(chǎn)生不一樣影響。大型鋼結(jié)構(gòu)制造過程會(huì)出現(xiàn)焊接變形原因主要有以下這兩個(gè)方面。第一原因就是溫度梯度，第二個(gè)原因就是材料熱傳導(dǎo)系數(shù)。這兩者之間存在反比例關(guān)系，隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)變小，溫度梯度會(huì)變大。材料是影響焊接最直接因素，它也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重焊接變形情況。要注重材料選擇問題。不過，材料的物理性能要比熱力學(xué)性能影響結(jié)構(gòu)變形大一點(diǎn)。其中，膨脹系數(shù)最為典型。除上面這兩個(gè)影響因素之外，大型鋼結(jié)構(gòu)焊接還會(huì)受到高溫環(huán)境、材料屈服基線等多重因素影響。在這些因素作用之下，所使用材料受力可能會(huì)降低，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形情況。從這方面也可以看出，材料是非常關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2鋼結(jié)構(gòu)剛度

所謂鋼結(jié)構(gòu)剛度，是指大型鋼結(jié)構(gòu)在彎曲及拉伸變形條件下的抵抗力承受能力，在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中，鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸及鋼結(jié)構(gòu)形狀是影響剛度的重要因素，實(shí)際焊接中若不能加以科學(xué)化控制，極易引發(fā)焊接變形。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)界面尺寸及截面面積主要對(duì)縱向桁架及工字鋼截面產(chǎn)生影響導(dǎo)致變形問題出現(xiàn)，而鋼結(jié)構(gòu)截面形狀主要影響丁字鋼、工字型鋼的彎曲變形量，鋼結(jié)構(gòu)抗彎剛度與截面形狀對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的變形影響存在一致性。所謂鋼結(jié)構(gòu)剛度，主要是說在彎曲和拉伸情況下，鋼結(jié)構(gòu)所能夠承受的抵抗力。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)剛度能夠產(chǎn)生影響因素主要有鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸和形狀。鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸會(huì)對(duì)縱向桁架和工字鋼截面變形量產(chǎn)生影響。同時(shí)，其截面形狀抗壓剛度也會(huì)對(duì)其形態(tài)彎曲有影響。

1.3焊縫位置

就大型鋼結(jié)構(gòu)焊接的實(shí)際情況來看，不同焊縫位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體所產(chǎn)生的影響也各不相同，具體來講，若焊縫出現(xiàn)于鋼結(jié)構(gòu)受力部位，則會(huì)在一定程度上影響焊縫，并引發(fā)焊接變形問題，嚴(yán)重影響大型鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，甚至影響大型鋼結(jié)構(gòu)使用性能的發(fā)揮，給工程建筑埋下安全隱患。不同鋼結(jié)構(gòu)，焊接位置也有所不同。不同焊接縫隙也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)在特殊受力情況下會(huì)出現(xiàn)焊接縫，受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。在受到外界作用力影響之下，焊接縫也會(huì)導(dǎo)致焊接出現(xiàn)變形情況。從而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體安全可靠產(chǎn)生不利影響。為此，在施工時(shí)候應(yīng)該重點(diǎn)控制焊縫位置。

1.4焊接工藝

焊接是大型鋼結(jié)構(gòu)制作中的重要環(huán)節(jié)，焊接工藝也成為焊接變形的重要影響因素，相關(guān)工程實(shí)踐表明，對(duì)接焊縫方式、多層焊接方式等都會(huì)在一定程度上引發(fā)焊接變形。就對(duì)接焊縫來看，應(yīng)用此種焊接工藝會(huì)導(dǎo)致橫向收縮變形量明顯大于縱向收縮變形量，從而導(dǎo)致大型鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊接變形。就多層焊接來看，焊接成熟與變形之間存在密切聯(lián)系，隨著焊接作業(yè)中層數(shù)的不斷增加，焊接變形程度則會(huì)明顯加大，層級(jí)之間收縮量差異導(dǎo)致大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形最終出現(xiàn)。

1.5焊接坡口影響

焊接坡口也是影響焊接工藝的原因之一。這個(gè)問題在實(shí)際操作過程當(dāng)中，往往會(huì)被大家忽視。其實(shí)，焊接坡口會(huì)跟變形程度形成正比關(guān)系。當(dāng)坡口越小，變形程度就會(huì)越小。在不同工藝水平之下，焊接坡口影響焊接工藝效果也有本質(zhì)區(qū)別。在焊接時(shí)候要遵循一定規(guī)范，可以適當(dāng)減少焊條擺動(dòng)，從而減少焊接變形情況出現(xiàn)。

2焊接產(chǎn)品常見問題

焊接缺陷主要是應(yīng)力集中和變形，會(huì)嚴(yán)重影響到焊接結(jié)構(gòu)承載能力，同時(shí)存在應(yīng)力和變形的情況下就會(huì)更加危險(xiǎn)。當(dāng)缺陷出現(xiàn)在焊縫及周邊時(shí)，由于這類部位的拉伸殘余力最大，因此會(huì)將焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低。其原因在于焊接缺陷會(huì)減小承載橫截面的有效面積，在其周邊還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。在焊接中存在設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工不當(dāng)?shù)膯栴}時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和承載截面的變化，常見焊接缺陷主要是未焊透、裂紋、氣孔和焊穿等。

3結(jié)束語

在當(dāng)前建設(shè)工程中，大型鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)用廣泛，且其應(yīng)用程度也在發(fā)展。因此，對(duì)于其中存在的焊接變形的問題，要結(jié)合工作實(shí)踐和影響因素分析研究等，進(jìn)一步制定出可行的、有針對(duì)性的控制策略，使大型鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量得以保證，能夠更好地應(yīng)用。

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