探究鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的控制策略

包亞軍 屈婧 劉培坤

作者簡(jiǎn)介：包亞軍（1972—），男，職高，高級(jí)技師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。

屈婧（1988—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。

劉培坤（1994—），男，大專(zhuān)，技師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。

摘要：鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中，往往會(huì)受到很多因素的影響，從而發(fā)生焊接變形問(wèn)題，進(jìn)而嚴(yán)重影響到鋼結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量?；诖?，本文重點(diǎn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的控制策略進(jìn)行探討，從焊接變形的類(lèi)型入手，分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接變形影響因素，提出鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的控制策略，希望為相關(guān)人員提供參考借鑒，降低鋼結(jié)構(gòu)制造環(huán)節(jié)焊接變形問(wèn)題的出現(xiàn)，保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)制造;焊接變形;控制策略;焊接工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TG404

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-7840

Abstract： Steel structure manufacturing process is often affected by many factors， thus， the welding deformation will occur， which will seriously affect the manufacturing quality of steel structure. Based on this， this paper focuses on the control strategy of welding deformation in steel structure manufacturing， starting with the types of welding deformation， analyzes the influencing factors of welding deformation of steel structure， and puts forward the control strategy of welding deformation in steel structure manufacturing， hope to provide reference for relevant personnel， reduce the steel structure manufacturing link welding deformation， ensure the safety and stability of the steel structure.

Key words： Steel Structure Manufacturing; Welding deformation; Control strategy; Welding process

鋼結(jié)構(gòu)制造環(huán)節(jié)，會(huì)受到較多因素的影響，最終出現(xiàn)焊接變形情況，如加熱不均勻、焊接工藝不合理、材料質(zhì)量問(wèn)題等，當(dāng)出現(xiàn)焊接變形問(wèn)題后，會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，因此，在鋼結(jié)構(gòu)制造環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)關(guān)注焊接變形的控制問(wèn)題，積極制定出有效的策略對(duì)焊接變形進(jìn)行有效控制。

1 焊接變形的類(lèi)型

1.1 縱橫向收縮變形

受到焊縫大小、焊縫變化等的影響，在鋼結(jié)構(gòu)軸向方向產(chǎn)生的收縮變形，屬于縱向收縮變形;由于高溫環(huán)境下金屬會(huì)受熱膨脹，受到周?chē)蜏亟饘俚挠绊?，在與焊縫垂直的方向產(chǎn)生的收縮變形，屬于橫向收縮變形。

1.2 撓曲變形

鋼結(jié)構(gòu)焊接環(huán)節(jié)，因?yàn)楹缚p兩側(cè)存在不同的收縮變形量，或者焊縫一端出現(xiàn)了收縮變形，而另一端并未出現(xiàn)這種情況，就會(huì)導(dǎo)致?lián)锨冃蔚漠a(chǎn)生。

1.3 角變形

若焊接環(huán)節(jié)沿著板厚方向發(fā)生不同的焊縫收縮變形量，會(huì)導(dǎo)致焊接后構(gòu)件平面繞焊縫產(chǎn)生一定的角度，這種情況下就屬于角變形。

1.4 波浪變形

因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力作用，導(dǎo)致焊接后構(gòu)件失穩(wěn)，形狀為波浪狀，則屬于波浪變形。

1.5 錯(cuò)邊變形

因?yàn)楹附愉摻Y(jié)構(gòu)兩側(cè)受熱不均，使得焊件在長(zhǎng)度及高度上出現(xiàn)了錯(cuò)位，則為錯(cuò)位變形。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形影響因素

2.1 焊接工藝

當(dāng)焊接電流較大及焊條直徑較寬時(shí)，會(huì)降低焊接速度，使得高溫影響的區(qū)域范圍不斷增大，從而會(huì)出現(xiàn)焊接變形情況。而選擇不同的焊接工藝，發(fā)生的變形情況也會(huì)存在較大差異，因此，焊接工藝會(huì)對(duì)焊接變形產(chǎn)生直接的影響，具體表現(xiàn)為：焊接層數(shù)越多，變形程度也就會(huì)越大;同連續(xù)焊縫方式比較，斷續(xù)焊縫方式的收縮量變形更小;對(duì)接式焊縫，其橫向收縮變形量更多，能夠達(dá)到縱向收縮變形的2～4倍。

2.2 焊縫位置

鋼結(jié)構(gòu)焊接環(huán)節(jié)，實(shí)際焊接位置各不相同，因此，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)為一些主要的鋼結(jié)構(gòu)受力處的焊接縫，會(huì)影響到鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)，還會(huì)受到外界作用力的影響，從而導(dǎo)致焊接縫發(fā)生變形情況，嚴(yán)重影響到了鋼結(jié)構(gòu)的整體安全性及穩(wěn)定性，所以，需要重點(diǎn)進(jìn)行焊接位置的控制。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

實(shí)際上，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表示的是鋼結(jié)構(gòu)在彎曲及拉伸變形作用下，能夠承受的抵抗能力。鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸及形狀均會(huì)影響到鋼結(jié)構(gòu)的剛度，鋼結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)，焊接接縫對(duì)稱(chēng)分布，如果焊接程序合理，僅會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)性縮短變形。如果焊接接縫不對(duì)稱(chēng)分布，會(huì)發(fā)生彎曲變形問(wèn)題。施焊程序合理的情況下，保證焊縫截面中心與接頭截面中心處于同一方位時(shí)，僅會(huì)產(chǎn)生線(xiàn)性縮短，若兩者不處于同一方位，會(huì)出現(xiàn)角變形情況。

3 鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接變形的控制策略

3.1 強(qiáng)化焊接工藝控制

鋼結(jié)構(gòu)制造環(huán)節(jié)，焊接工藝會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，因此，若想防止焊接變形情況的出現(xiàn)，需要強(qiáng)化焊接工藝控制，具體可以選擇以下方式。第一，在焊接工藝的選擇上，需要以具體鋼結(jié)構(gòu)焊接要求為主，以保證焊接工藝的科學(xué)性與合理性，焊接人員應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)焊接要求及具體選擇的焊接工藝，確定出最佳電流、焊接速度與焊接順序，從而避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形情況。第二，當(dāng)存在較長(zhǎng)或者較為集中的焊縫時(shí)，需要選擇針對(duì)性的焊接工藝，利用跳焊法處理集中焊縫，利用對(duì)稱(chēng)焊結(jié)合分段退步焊的方式處理較長(zhǎng)焊縫，有效減少焊接變形情況的出現(xiàn)。第三，焊接復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，不但要做好焊接工藝的選擇，還應(yīng)遵循科學(xué)、合理的焊接原則，先焊短后焊長(zhǎng)、先中間后兩邊、先對(duì)接縫后搭接縫等，最大限度地避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題。

3.2 規(guī)范焊接順序

鋼結(jié)構(gòu)制造中，為對(duì)焊接變形問(wèn)題進(jìn)行有效的控制，需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)制作標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)分析，進(jìn)一步規(guī)范焊接順序，特別是應(yīng)了解鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)格型號(hào)、形狀等信息，保證鋼結(jié)構(gòu)焊接工作良好開(kāi)展[1]。鋼結(jié)構(gòu)焊接環(huán)節(jié)，會(huì)涉及較多小組件的焊接工作，這也是鋼結(jié)構(gòu)制造的基礎(chǔ)所在，完成各小組件焊接，才能順利開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)的整體焊接及裝配工作，更是對(duì)焊接變形進(jìn)行控制的關(guān)鍵內(nèi)容。焊接小組件時(shí)，需要做好組件裝配與定位焊固定工作，隨后嚴(yán)格根據(jù)焊接順序開(kāi)展實(shí)際工作，保證焊接的規(guī)范性，防止出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題。需要注意的是，部件裝配環(huán)節(jié)很有可能會(huì)發(fā)生變形問(wèn)題，所以焊接技術(shù)人員需要嚴(yán)格進(jìn)行零配件管理，根據(jù)焊接要求選用零配件，以免在部件裝配環(huán)節(jié)出現(xiàn)變形問(wèn)題，確保鋼結(jié)構(gòu)制作的科學(xué)性及合理性。

3.3 適當(dāng)采用反變形法

通常情況下，鋼構(gòu)件焊接工作完成后，會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s的影響，使得鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)收縮變形情況，因此，可以對(duì)焊接環(huán)節(jié)較易發(fā)生收縮變形情況的鋼構(gòu)件，適當(dāng)采用反變形法。對(duì)于反變形法而言，其實(shí)際上表示的是事前控制變形問(wèn)題，根據(jù)變形相反的方向，預(yù)留出變形大小的余量，不過(guò)應(yīng)用這種方法需要具備一定的前提條件，即不但要有相應(yīng)的焊接工藝試驗(yàn)，還需要豐富的經(jīng)驗(yàn)?；诤缚p設(shè)計(jì)要求下，對(duì)焊接規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，選擇規(guī)格及材質(zhì)相同的鋼板，事先做好試件進(jìn)行焊接，確保焊角、高度及焊縫形式滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，完成焊接后，將其冷卻至環(huán)境溫度，對(duì)翼板變形量進(jìn)行測(cè)量，得到的數(shù)值就是壓制反變形的參數(shù)，在壓力機(jī)的良好使用下， 事先壓出變形量的數(shù)，保證翼板兩端處于上翹狀態(tài)，進(jìn)行焊接變形量的抵消，焊接完成后，達(dá)到持平效果。

3.4 有效控制焊接坡口

若想減少焊接問(wèn)題的出現(xiàn)，還應(yīng)嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接坡口，主要是與生產(chǎn)實(shí)際情況結(jié)合，按照板厚程度、結(jié)構(gòu)形式等[2]，進(jìn)行坡口形式的合理設(shè)置。例如，拼接性焊縫，通常情況下，筒體軸向或大型容器類(lèi)會(huì)選擇對(duì)接的方式，如果為立式拼裝，可在上端設(shè)置對(duì)接坡口，下端不用進(jìn)行坡口設(shè)置，從而得到單V型坡口焊，更利于橫焊的開(kāi)展。這種方式就是按照機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行坡口設(shè)置，可以有效地控制焊接質(zhì)量。在厚度較厚的板材拼接性焊縫變形控制上，為有效避免鋼結(jié)構(gòu)在焊接后期出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況，應(yīng)將非對(duì)稱(chēng)性坡口，設(shè)置為焊接坡口，具體需要進(jìn)行以下操作：將焊接坡口較深一側(cè)的2/3區(qū)域翻轉(zhuǎn)至正面，背面設(shè)置固定板，選擇多層多道焊接方式進(jìn)行焊接。完成焊接操作后，應(yīng)用氣刨清根焊接的方式，進(jìn)行剩余區(qū)域的焊接，通過(guò)兩次翻轉(zhuǎn)焊接，最終完成整體焊拼縫焊接工作。通過(guò)合理設(shè)置焊接坡口，會(huì)有效減少拼縫焊接環(huán)節(jié)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，不僅會(huì)有效提升生產(chǎn)效率，還會(huì)有效控制焊接變形問(wèn)題的出現(xiàn)。

3.5 積極利用剛性固定法

對(duì)于剛性固定法而言，實(shí)際上就是在焊接工作開(kāi)展前，通過(guò)外加剛性約束的方式，對(duì)焊接環(huán)節(jié)的自由變形進(jìn)行控制[3]，從而避免出現(xiàn)殘余變形的一種手段。例如，進(jìn)行排土機(jī)設(shè)備中上部塔門(mén)焊接時(shí)，在其生產(chǎn)焊接上，主要包括單片阻焊、箱體組焊、塔門(mén)結(jié)構(gòu)拼裝組焊，具體的焊接環(huán)節(jié)為：先進(jìn)行單片組焊，將需要進(jìn)行組焊的單片放置在剛性平臺(tái)上，利用壓鐵將板面中間壓住，將周邊封上后，再進(jìn)行焊接，焊接完畢待焊縫冷卻后，將固定焊縫磨掉，并移除壓鐵，通過(guò)這一方式，會(huì)有效防止單片組對(duì)時(shí)出現(xiàn)波浪變形情況。組對(duì)塔門(mén)箱體時(shí)，通常是將箱體一面作為基準(zhǔn)，并在臺(tái)架上固定，實(shí)施封焊組對(duì)，胎架會(huì)起到剛性固定的效果，避免變形的產(chǎn)生。進(jìn)行箱體兩側(cè)板組對(duì)時(shí)，通過(guò)臨時(shí)支撐的方式，增加結(jié)構(gòu)件約束，將一些臨時(shí)的拉桿或者支撐焊在容易產(chǎn)生變形問(wèn)題的部位，使局部剛度進(jìn)一步增加，對(duì)焊接變形進(jìn)行控制。進(jìn)行回轉(zhuǎn)底座與塔門(mén)拼裝焊接時(shí)，剛性固定尤為重要，可以通過(guò)增加水平約束力的方式，控制焊接變形問(wèn)題。為達(dá)到良好的控制效果，應(yīng)在底座與塔門(mén)焊接前，將塔門(mén)吊裝就位，同時(shí)與底座連接。在這種方式下，得到局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[4]。選擇立裝的方式，因?yàn)榇嬖谳^高的高度，整個(gè)結(jié)構(gòu)體兩側(cè)均具備剛性約束，會(huì)保證結(jié)構(gòu)整體在拼裝焊接時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況。

3.6 做好焊接后處理工作

鋼結(jié)構(gòu)焊接后，應(yīng)通過(guò)針對(duì)性的檢查工具，全面、詳細(xì)地檢查焊接情況，例如，可利用放大鏡，對(duì)焊接表面是否存在夾渣與氣孔等情況進(jìn)行檢查，具體工作中，還應(yīng)做好以下工作。第一，應(yīng)進(jìn)行良好保溫[5]，檢查完鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量后，需要對(duì)焊縫實(shí)施后溫處理，在這種方式下，利用功率較大的烤槍?zhuān)鶆蚣訜岷缚p中間部位兩側(cè)，將溫度控制在250℃左右，加熱范圍不要超過(guò)中間部位兩端的150mm，均勻加熱20min即可。后溫處理環(huán)節(jié)，應(yīng)將石棉布扎緊處理部位，隨后密閉焊接防護(hù)棚，特別是當(dāng)溫度較低的情況下，這種處理方式會(huì)防止驟然冷卻導(dǎo)致的變形問(wèn)題，待整體恢復(fù)常溫后，可將防護(hù)棚撤去。第二，進(jìn)行焊接節(jié)點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)，及時(shí)找出焊縫缺陷，特別是重要的承力節(jié)點(diǎn)處，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行跟蹤復(fù)測(cè)，以免鋼板出現(xiàn)撕裂變形情況[6]。

3.7 合理選擇焊接變形矯正方式

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)扭曲或彎曲變形情況后，會(huì)使構(gòu)件不滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，所以需要選擇相應(yīng)的方式對(duì)其加以矯正，主要包括以下幾種方式。第一，通過(guò)相應(yīng)機(jī)械，進(jìn)行焊接變形的機(jī)械力糾正，包括撐直機(jī)與壓力機(jī)等[7-8]，可在變形鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩邊放置壓力機(jī)，對(duì)準(zhǔn)構(gòu)件變形位置緩慢施壓，進(jìn)而對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正。第二，焊接工作完成后，當(dāng)存在焊接變形問(wèn)題時(shí)，可選擇高溫火焰反其道矯正方式，主要原理為將一定的熱量輸入到鋼結(jié)構(gòu)焊接變形位置，將其加熱至塑性狀態(tài)，產(chǎn)生收縮差，這種情況下，變形部位會(huì)向相反的方向變形，最終矯正變形情況。第三，因?yàn)椴煌匿摻Y(jié)構(gòu)具備一定的差異性，當(dāng)以上兩種方式未能達(dá)到良好的矯正效果時(shí)，可以將兩種方式進(jìn)行綜合利用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，會(huì)存在較多的焊接變形類(lèi)型，導(dǎo)致焊接變形的原因較多，不過(guò)，最主要的原因是焊接環(huán)節(jié)加熱不均勻。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)制造環(huán)節(jié)，焊接變形問(wèn)題較為常見(jiàn)，在一定程度上影響到了鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，需要采取強(qiáng)化焊接工藝控制;規(guī)范焊接順序;適當(dāng)采用反變形法;有效控制焊接坡口;積極利用剛性固定法;做好焊接后處理工作;合理選擇焊接變形矯正方式等手段，有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]褚金亮.鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠混合連接的鋼筋性能研究[D].唐山：華北理工大學(xué)，2020.

[2]楊凱元.殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能影響研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2021.

[3]張春蘭，王旭.鋼結(jié)構(gòu)件制作焊接變形的控制與分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（14）：24.

[4]范廣森，陳允軒，劉加佳.鋼結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量控制相關(guān)措施[J].化工管理，2020（13）：35-36.

[5]王雪峰.鋼結(jié)構(gòu)焊接中存在的問(wèn)題及處理方法探究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2020，10（11）：147-148，157.

[6]亢晉軍，韓建強(qiáng)，唐江明，等.鋼套筒-螺栓-結(jié)構(gòu)膠混合連接的鋼筋性能研究[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，43（3）：61-68.

[7]李成華，郭帥，楊凱元.焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（5）：524-529.

[8]牟迪，高亮，陳民昌，等.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（6）：110-111.