鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應力控制研究

金曉鵬

合隆防爆電氣有限公司 浙江樂清 325600

鋼結(jié)構(gòu)在目前的眾多工程施工項目中被廣泛地推廣使用。在日常生活中鋼結(jié)構(gòu)的物件使用頗多，為很多行業(yè)提供了重要用途，在進行焊接時難免會有一些問題出現(xiàn)，例如焊接變形等。應對其采取及時有效的措施，避免發(fā)生的不良情況帶來不必要的麻煩，本文將對此問題進行深入探討，分析原因并提出相關優(yōu)化措施。

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點

（1）鋼結(jié)構(gòu)具體分為型鋼結(jié)構(gòu)和輕型鋼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)也屬于鋼結(jié)構(gòu)范圍，首先鋼結(jié)構(gòu)具有自重較輕、材料強度較高的特點，自重輕主要是與其他構(gòu)件相比在相同的荷載下鋼結(jié)構(gòu)會輕很多，其塑性和韌性較強，連帶其抗震性較強，材料較為均勻，更加便于生產(chǎn)和工廠生產(chǎn)的加工使用以及在機械化施工中能夠便于拆卸，無污染能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。在同樣的重量情況下，相對于混凝土來講鋼結(jié)構(gòu)對節(jié)約自重起到了良好的作用。

（2）材料質(zhì)地較為均勻，利用鋼結(jié)構(gòu)進行工程施工，工程完成的速度相對較快，由于鋼結(jié)構(gòu)大多是組裝和焊接形成，不需要養(yǎng)護等工作，因此大大縮短了工期。

（3）鋼結(jié)構(gòu)的密閉性較為優(yōu)良，同時還具有可拆卸的功能，尤其是螺栓連接的地方更加便于拆卸。而且鋼結(jié)構(gòu)想要挪移較為方便，回收無污染。

（4）鋼結(jié)構(gòu)在焊接方面具有良好的使用性能，能夠保證在焊接的部位較為完整，不會出現(xiàn)分裂的情況。

（5）鋼結(jié)構(gòu)易容易被腐蝕，耐火性較差：當超過一定溫度就會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，如果超過更高的溫度，例如500℃的情況下，整個鋼結(jié)構(gòu)就會瞬間崩塌。

（6）在通常情況下鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延性，但是當它處于復雜的應力狀態(tài)時，尤其在低溫情況下，可能導致鋼結(jié)構(gòu)脆斷的現(xiàn)象發(fā)生。

（7）由于鋼結(jié)構(gòu)本身的強度較大，同時構(gòu)件的截面較小，尤其受壓構(gòu)件在同樣承受壓力的情況下更容易造成失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應力產(chǎn)生的原因及危害

在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程當中由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀及焊縫長度位置不同，在進行焊接時容易造成不同形式的變形狀態(tài)。首先形成縱向殘余應力的原因是由于在鋼結(jié)構(gòu)進行焊接時在焊縫的區(qū)域會形成一種較高的溫度場，并且在整個板件上面溫度的分布是不均勻的，在焊縫的位置處溫度較高，遠離焊縫的位置溫度較低，溫度形成了一種梯度的形式，溫度的梯度就會形成強弱分布不均勻的現(xiàn)象。對于鋼結(jié)構(gòu)來講，溫度越高，強度就會隨之降低，所以中間的強度低、周邊的強度高，就會造成強弱分布不均勻，在升溫和降溫時會導致一些變形的約束[1]。以升溫為例在焊接的時候中間形成很高的溫度，由于熱脹冷縮中間部位的鋼材就會發(fā)生往旁邊鼓脹的現(xiàn)象。但是如果中間溫度低，周邊溫度高，鋼材無法向外擠出，此時在這種高溫下就會形成壓縮變形。在焊縫焊完之后，溫度散失，此時中間的部分由于熱脹冷縮的原理就會向中間收縮，焊縫處的收縮變形會受到周邊鋼材的約束，在此區(qū)域就會形成拉應力，在焊縫處有了拉應力，在沒有外荷載的情況下斷面上的內(nèi)力為零，在焊縫的位置處有了壓應力，在遠離的區(qū)域中就必然形成拉應力，拉壓才能平衡，這種自平衡的應力被稱為內(nèi)應力，也就是殘余應力。因此縱向焊接殘余應力的主要來源就是溫度分布的不均勻。與縱向殘余應力相同的原因在橫向也會產(chǎn)生殘余應力，對于橫向而言，綜上所述兩種殘余應力的疊加就形成了最終的橫向殘余應力。如在兩塊鋼板中，中間有一條焊縫將其焊死，焊縫進行縱向收縮時會產(chǎn)生變形的趨勢，焊縫自身在橫向中也會存在溫度分布不均勻、收縮被約束的現(xiàn)象。隨著鋼結(jié)構(gòu)使用范圍越來越廣，例如大跨度結(jié)構(gòu)和超高層的建筑都在使用鋼結(jié)構(gòu)，鋼板的厚度有時候就會很夸張，有些工程在使用鋼板的厚度已經(jīng)超過了標準要求，由于太厚的鋼板沒有辦法一次性焊接完成，就要進行分層焊接，使焊縫的表面會存在一些雜質(zhì)，在不斷的進行分層焊接之后，形成焊縫，就會使最下面的焊縫先進行冷卻，對上面的焊縫就會形成約束，這種約束在厚度方向就會產(chǎn)生殘余應力，產(chǎn)生塑性的壓縮變形。鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形和殘余應力會造成鋼結(jié)構(gòu)強度降低，減弱了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效截面積，使受壓構(gòu)件的穩(wěn)定可靠性大幅度降低。容易造成構(gòu)件損壞，對鋼結(jié)構(gòu)焊接加工的精度受到不利影響，破壞鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3 針對焊接變形及殘余應力的優(yōu)化措施

3.1 降低焊接應力的措施

（1）首先焊縫應盡量布置在工作應力較小的位置，避免焊縫密集交叉等現(xiàn)象發(fā)生。或采用局部降低剛度的辦法，例如打開應力槽進行應力釋放，或采用合理的接頭形式，避免采用搭接接頭，在必要時可采取振動等措施就行消除或降低焊接應力。其次對于其設計機構(gòu)進行優(yōu)化完善。

（2）對焊縫尺寸和焊接順序進行合理安排，根據(jù)實際情況進行合理化設計，降低焊縫應力與變形產(chǎn)生的影響。

（3）在進行焊接時對其工藝進行分解施工，減小焊縫之間的拘束度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的實際情況，降低焊縫間的約束力，避免不能進行自動收縮的情況，通過分解焊接，提高焊接的精準度。

3.2 預防焊接變形的措施

（1）進行合理的焊接結(jié)構(gòu)設計：合理安排焊縫的位置；合理選擇焊縫尺寸和形狀；盡可能減少焊縫數(shù)量，減少焊縫長度。

（2）對焊接工藝進行科學合理選擇，對焊接的方法要進行嚴格規(guī)范，使焊接的順序和方向按照標準進行，將焊件固定在平臺上進行焊接，通過合理的方式在一定程度上增強焊件的剛度[2]。避免焊接變形。

（3）從焊接位置入手，確定好焊接的位置，根據(jù)坡口形態(tài)選擇相對應的焊接方法，將位置控制在要求范圍之內(nèi)，選擇合理的焊接方法進行作業(yè)。

（4）對鋼結(jié)構(gòu)焊接流程進行優(yōu)化：在使用材料上確保一致，重視焊接前期預熱，進行焊接試驗，確保無誤后進行焊接工作。

4 針對鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的檢查步驟及方式

（1）在鋼結(jié)構(gòu)進行焊接前期對將要進行焊接的整個過程以及環(huán)境進行仔細檢查，保證焊接場所能夠避免不利因素產(chǎn)生的破壞，對焊工的操作資質(zhì)進行審查，保障其條件符合將要開展的工作。對操作人員以及各方面進行有效監(jiān)控。通過相關專業(yè)人員或儀器等對焊接的外觀及焊縫的外形尺寸進行檢測，查看其是否符合標準要求。對相關容器進行密封試驗及檢查焊縫的內(nèi)部是否存在缺陷，及時發(fā)現(xiàn)問題，對焊接施工的工作開展奠定良好的基礎。對于原材料的質(zhì)量進行控制，保證使用的原材料符合相關標準。在選擇焊接工藝時要對工藝進行試樣檢驗，擇優(yōu)選擇相應合理的焊接工藝。

（2）在焊接的過程當中也會產(chǎn)生新的缺陷，隨著設備使用時間的增長會不斷地擴展，最終會導致焊接結(jié)構(gòu)的破壞，因此在焊接過程當中，對關鍵性、具有危險性的構(gòu)件要進行定期檢驗，保證在操作時的安全性。在焊接過程中對溫度及可能產(chǎn)生的變形進行有效控制，保障焊接設備的正常運行。

（3）在焊接結(jié)束之后用焊接檢驗尺測量焊接余高、焊瘤、凹陷、錯口等[3]。對焊縫表面出現(xiàn)的問題及焊件的變形量進行科學檢測。對焊接完畢檢測得出的結(jié)果資料進行內(nèi)容的評定，對存在問題的部分進行數(shù)據(jù)采集分析，保障每一項的質(zhì)量過關，對焊接過程當中不符合要求的進行科學手段的修補，在修補過后再進行復查。對復查之后評定合格的部位進行標注記錄。

5 結(jié)語

對鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形和焊接應力情況進行有效的防控和檢驗具有十分重要的作用。本文通過對鋼結(jié)構(gòu)特點的闡述，分析了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接變形和焊接應力的原因及其危害，并對此提出了相應的采取措施和檢驗方法，在進行實際操作時，工作人員應確定出現(xiàn)焊接變形和應力的因素，及時采用有效措施對其進行防控，通過合理的焊接工藝提升鋼結(jié)構(gòu)焊接的精準度。