海洋鋼結構關鍵節(jié)點的焊接變形控制研究

韓彥慶，王文治，謝 鵬，陳祥華

我國海洋工程建設水平日益提高，通過海洋工程可以更好地保護、利用、恢復與開發(fā)海洋資源、在開展海洋工程建設工作時，需要建設高強度、高質量的鋼結構，以此使其在海洋環(huán)境中仍舊能夠保持穩(wěn)定性?，F(xiàn)針對海洋工程中鋼結構的建設內(nèi)容，分析如何對其關鍵節(jié)點實施焊接變形控制。

1 海洋鋼結構焊接變形的主要影響因素

1.1 鋼結構剛度因素

剛度是大型鋼結構在一定的彎曲條件下表現(xiàn)的抵抗能力，會受到截面尺寸與截面面積的影響，因此在焊接時，需要重視剛度這一技術參數(shù)，從而實現(xiàn)對焊接變形的控制。在鋼結構體系中縱向桁架出現(xiàn)變形的可能性較大，其同樣是受到截面面積與截面尺寸的影響，工字鋼受截面形狀的影響，也很容易出現(xiàn)變形問題。

1.2 材料因素

鋼材料本身的熱力學性能與物理屬性會對最終的焊接效果產(chǎn)生影響，焊接時，熱傳導系數(shù)隨之降低，溫度梯度因此而增加。熱力學指標中膨脹系數(shù)對于鋼結構變形存在一定的影響，鋼結構的變形量與膨脹系數(shù)數(shù)值之間具有正比的關系，當膨脹系數(shù)增高后，鋼結構變形量也會隨之增加。若鋼結構處于溫度較高的焊接環(huán)境中，材料的彈性模量和屈服極限會給變形量帶來影響。升高焊接作業(yè)環(huán)境的溫度后，彈性模量增大，短時間內(nèi)焊接變形得到控制，而屈服極限增加到相應的程度后，焊接殘余應力大幅增長，材料因承受過大應力，最終出現(xiàn)焊接變形的情況。

1.3 焊縫因素

焊縫的數(shù)量與位置對于焊接質量與變形問題存在影響。若鋼結構本身的剛度不高，對焊縫數(shù)量與位置進行設置時，應當采用對稱的設計方式，并選擇合適的焊接順序，構件也只能出現(xiàn)線性變形；若焊縫以不對稱的方式排布，產(chǎn)生彎曲變形的可能性比較大。

1.4 焊接工藝因素

若焊接電流相對比較大，焊條也偏粗，焊接速度會因此而變慢，焊接變形的情況也更加嚴重。焊接厚鋼板時，相比選擇自動焊接技術，手工焊接導致的變形量更小。進行多層焊接處理時，首層上焊縫收縮變形幅度是最大的，而第三層和第二層的變形量僅達到第一層的5%到10%以及20%。多層焊接層數(shù)增加之后，焊接變形也更為突出；連續(xù)式焊縫與斷續(xù)式焊縫的變形量更小；采用對接型焊縫時，縱向收縮變形量比橫向收縮變形量更小，且二者相差得比較多。如果焊接順序不正確，或者部分構件沒有焊接妥當就直接開展組裝焊接，就會引發(fā)焊接變形的情況。

2 海洋鋼結構存在的主要變形問題

海洋環(huán)境相對特殊，海水含鹽量比較高，對于結構存在一定的腐蝕性，波浪、臺風以及洋流會給結構帶去沖擊。因此海洋工程對于結構往往有比較高的要求，鋼材的剛度與強度都很大，防腐容易實現(xiàn)，可連接性極佳，相比其他材料性價比也更高，因此海洋工程大多選擇使用鋼結構，以此保障結構具有可靠的性能。焊接海洋鋼結構期間，施焊電弧過高會引發(fā)變形問題，另外完成焊接處理后，鋼構件也有可能產(chǎn)生殘余變形問題。殘余變形會給鋼結構的焊接質量帶來影響，這種變形問題具有極強的破壞力。焊接殘余變形對于鋼結構會產(chǎn)生層次不同的影響，從而引發(fā)局部變形或者整體變形，按照變形情況具有的具體特點，可將其劃分成錯邊變形、波浪變形、扭曲變形、收縮變形、彎曲變形以及角變形等。其中波浪變形與角變形屬于局部變形，其他均為整體變形。

3 海洋鋼結構關鍵節(jié)點的焊接變形控制措施

3.1 焊前實施控制

在海洋工程中，對鋼結構進行預制時，需要先完成組裝鋼材的任務。精準確定鋼構件的材質、尺寸以及桿件位置，同時還要控制與調(diào)節(jié)組對間隙與坡口角度，針對結構體系中的各處關鍵位置實施必要的加固與支撐，從而實現(xiàn)對變形問題的預防，更好地為焊接做好準備。

首先應當考慮到組對間隙與坡口角度給焊接變形帶去的影響。海洋鋼結構上的關鍵節(jié)點所選用的組對坡口形式包括雙面單邊V形，單面單邊V形、雙面V形以及單面V形等幾種形式，見圖1。

圖1 海洋鋼結構關鍵節(jié)點的組對坡口形式

海洋鋼結構中的大部分關鍵節(jié)點采取全熔透式焊接形式，具體選擇坡口形式時可依照組對形式與材料的壁厚。實施焊接時，在電弧熱作用下，電弧周邊金屬材料的溫度有所提升，與電弧之間的距離越長，金屬材料的溫度也就越低，受到這種現(xiàn)象的影響，焊接隨之發(fā)生不均勻化的熱膨脹。加熱金屬材料后，由于受熱程度不一，所以會出現(xiàn)伸長的情況，而沒有實施加熱的金屬繼續(xù)保持原本的長度，且長度基本固定，不會出現(xiàn)變化，加熱區(qū)域的伸長活動會被冷金屬阻礙，加熱區(qū)域金屬的自由伸長動作受到限制，如果加熱區(qū)域形成的應力高于金屬的屈服強度，就會催生塑性變形的問題。當溫度升高后，普通金屬的屈服強度會隨之降低，若溫度達到600℃，鋼材屈服強度接近零。所以可以認為焊接量增大后，鋼材生成的變形量也更加明顯。對鋼材組對的根部間隙與坡口角度均有明確要求，如果實際數(shù)值低于要求數(shù)值，可能導致無法滿足全熔透焊接的基本要求，強度也不能達到預設標準。當組對間隙與坡口角度偏大時，后續(xù)加工鋼結構時的焊接量將隨之增加，變形問題出現(xiàn)的可能性更大。焊接鋼結構之前，必須要精準測量組對間隙與坡口角度，并按照要求加以控制，以此來避免結構在后續(xù)焊接中出現(xiàn)嚴重變形的情況。

在焊接前期開展控制時，還應關注支撐形式造成的影響。支撐系統(tǒng)對于焊接變形問題能夠發(fā)揮抑制作用，焊接實施期間，結構件因沒有受到拘束而出現(xiàn)自由變形的問題。鋼結構的關鍵節(jié)點所用的焊鉗支撐形式有很多種，一些情況相對特殊的節(jié)點使用支撐形式后反而會出現(xiàn)問題。

如果板材的母材尺寸偏小，厚度偏大且強度比較高，焊接量相對偏大，尤其是板材尺寸不大，很難依靠熱調(diào)直的技術在后續(xù)環(huán)節(jié)中實現(xiàn)調(diào)直處理目標。所以應當通過支撐來預防焊接變形。對主立柱與上下兩圈環(huán)板結構開展焊接處理時，其中板材寬度在250mm左右，上下環(huán)板厚度約為32mm；板材強度與整體尺寸的共同影響下，局部上的支撐系統(tǒng)可避免整體板材產(chǎn)生變形的情況，完成上下環(huán)板的焊接處理后，并未出現(xiàn)變形，支撐系統(tǒng)發(fā)揮了重要的防變形作用。如果板材所用母材的焊接量過大、尺寸小、強度低以及自身厚度較小，受到屈服強度的影響，變形發(fā)生概率也就更高。局部上設置的支撐系統(tǒng)只能夠保障局部區(qū)域不發(fā)生變形的問題，剩余其他位置的變形難以避免，在此加設支撐結構，結束焊接之后，板材將變?yōu)椴ɡ诵危罄m(xù)很難進行調(diào)整。如果不增加其他的支撐結構，熱輸入現(xiàn)象給板材造成影響，將出現(xiàn)同尺寸與同方向的整體變形，后續(xù)進行熱調(diào)直處理即可解決變形問題，經(jīng)過調(diào)整后，板材更具有美觀性。

3.2 焊中實施控制

組裝海洋鋼結構構件之后，關鍵節(jié)點處大多需要開展焊接工作，且工作量相對比較大，同時，熱輸入量也很大，焊接出現(xiàn)的變形與收縮情況隨之發(fā)展得更為嚴重。必須在焊接工藝應用過程中，針對焊接順序、電弧電壓以及焊接電流進行專門的控制。

海洋鋼結構系統(tǒng)的關鍵節(jié)點焊接中的熱輸入與焊接速度、焊接電流以及電弧電壓存在關系，當電弧電壓與焊接電流超過要求的范圍，熱輸入值將因此而增加，致使焊接收縮量加劇。焊接關鍵節(jié)點時，電弧電壓和焊接電流都有相對應的范圍，如果數(shù)值過低，焊絲難以完全融合，與母材的熔合效果也比較差，如果數(shù)值過高，又會引發(fā)焊接變形的問題。檢驗人員與焊接工人需按照焊接技術要求，對焊接節(jié)點的電弧電壓以及焊接電流進行精準控制。

選擇合適的焊接結構，也有利于控制焊接變形的問題，同時還有助于提升焊接質量水平。進行單面坡口焊接處理時，通過分段焊接的方法來避免熱輸入量全都集中到一處，縮減變形量；進行雙面坡口結構焊接時，考慮到氣刨清根的需求，因此需要在完成一部分正面焊接工作時，先開展背面清根，而后再完成背面的焊接工作，使兩側得到均勻焊接，預防板材一側彎曲變形的問題。

3.3 焊后實施控制

結束對鋼結構焊接后，關鍵節(jié)點上的變形情況相對比較固定，焊后調(diào)直可改變與控制變形情況。當前使用的主要調(diào)直方式有熱調(diào)直與機械調(diào)直。

機械調(diào)直主要通過機械化矯正設備來實現(xiàn)，在預制組合梁的環(huán)節(jié)中，可矯正焊接導致的變形問題。還可借助液壓千斤頂進行局部區(qū)域的機械調(diào)直處理，使用液壓千斤頂時，不應在焊道外部實施加壓操作，調(diào)直過程中也不能進行加熱操作。板對接焊引發(fā)的焊接變形可依靠液壓機完成機械調(diào)直，注意變形在2°或者1：24的坡度時可采取機械調(diào)直，如果變形量超過這一范圍，應當選取熱調(diào)直技術。

構件在焊接時出現(xiàn)的變形問題需要運用熱調(diào)直技術進行解決。進行手工熱調(diào)直時，進行加熱處理之前，需借助粉筆在加熱路徑或者加熱區(qū)域中進行標記。在焊道區(qū)域嚴禁直接加熱的行為，從焊趾至火焰尖端約50mm范圍之內(nèi)也不能進行加熱。熱調(diào)直進行期間，不允許通過水或者水霧加快冷卻速度。如果構件材質為調(diào)質鋼，熱調(diào)直溫度應在600℃之下；如果材質為TMCP鋼，熱調(diào)直溫度需低于580℃；其余鋼種的熱調(diào)直溫度不可高于650。鋼材溫度一旦超過315℃，不可加速冷卻。測量溫度時，應在鋼材與火焰距離為75mm左右的位置進行測量。

面加熱、線加熱與點加熱方法是當前主要使用的熱調(diào)直方法，可結合變形的具體形式加以選擇。如果變形出現(xiàn)在局部，且形狀是小型波浪形彎曲，應當選擇點加熱的方式，板厚與加熱點之間的關系為表1。

表1 點加熱直徑與板厚關系對照表

線加熱可調(diào)直同尺寸、同方向的整體變形，線加熱寬度范圍是20mm～30mm。面加熱調(diào)直主要可以解決板材在橫向剖面上出現(xiàn)的變形問題，另外還可在應對一些復雜的變形情況時發(fā)揮作用；借助三角形加熱區(qū)來實施調(diào)直時，加熱板厚如果低于10mm，底邊寬度需在80mm以上，板厚在10mm～15mm之間時，底邊寬度需大于等于100，板厚在15mm到20mm，底板寬度最小為150mm，如果板厚在20mm以下，底邊寬度最小值為200mm。

4 海洋鋼結構焊接變形控制的注意事項

4.1 針對設計階段實施控制

設計焊縫時，應當盡可能地避開應力較高的區(qū)域，焊縫處應力值越高，鋼結構節(jié)點處也就越有可能產(chǎn)生焊縫裂紋與變形問題。在構件截面上的中心軸上設置焊縫，或者在接近中心軸的部位，以此來控制柱與梁等構件存在撓曲變形問題。避免設置過多尺寸過大的裂縫，當焊縫尺寸大、數(shù)量多時，焊接熱源給結構帶去的熱輸入也就更大，焊接變形問題也就更為嚴重。對于關鍵節(jié)點，可采取小剛性的節(jié)點設計形式，盡量不設計三向、雙向與集中的焊縫，以此來預防焊縫的集中部位或者交叉部位產(chǎn)生過高的應力與熱量，以此實現(xiàn)對焊接變形的控制。設計時還應考慮到焊接操作方面的問題，不宜在結構的仰焊處施焊，若必須把焊縫設置到仰焊位置上，則需要對焊機人員提出要求，確保其具有全位置焊接的技能。

4.2 針對設備與焊接人員實施控制

為了保障海洋鋼結構焊接工作的專業(yè)性，在正式對結構進行焊接之前，應當先對無損檢測者與焊接人員的工作能力與工作資格進行評定，確定其資格證書的有效性，確認資格證書上呈現(xiàn)出的操作范圍與實際鋼結構工作要求是否相互符合。為焊接人員提供技術培訓也是極為重要的工作，以此為關鍵節(jié)點等難度較高的焊接工作做好全面的準備。施工前期，應當有專門的人員檢查與鑒定結構節(jié)點焊接中需要使用的設備，主要查看焊機型號，分析是否和焊接技術要求相符，焊機設備的電壓與電流是否穩(wěn)定，調(diào)整焊機電流的操作是否能夠安全實現(xiàn)，焊機設備所用的監(jiān)測儀表是否能夠正常運行。在檢查無損檢測設備時，同樣要確定設備的運轉情況。

4.3 針對焊接技術實施控制

如果結構構件具有對稱的形式，可采用對稱焊接技術。如果焊縫相對集中且數(shù)量比較多，可借助跳焊技術來實現(xiàn)對受熱的分散，避免結構節(jié)點產(chǎn)生集中受熱的問題。若焊縫的長度超過1m，選擇分段退焊技術。確定焊接順序時，往往先對膨脹較大的焊縫進行焊接，而后再焊接膨脹較小的焊縫，先完成短焊縫的焊接，再進行長焊縫的焊接，從而給焊縫預留充足的橫向收縮空間?？紤]到受力大的焊縫對伸縮空間的需求也很大，因此先對受力大的焊縫進行焊接。通過反變形法預留與節(jié)點變形方向相反的預變形，也有利于控制變形。焊接前期，可設置預熱環(huán)節(jié)，對焊件的局部或者整體進行加熱，加熱溫度在100℃～300℃之間，在一定時間內(nèi)保持這一溫度，從而使焊縫溫度保持均勻變化。

控制焊接變形問題時，還可運用高溫回火的方式，加熱節(jié)點構件，加熱溫度范圍為600℃～650℃之間，保持加熱溫度經(jīng)過預設時間后，以較為緩慢的速度進行冷卻。面對小型焊接構件時，直接對整個構件采取高溫回火的處理方式，加熱溫度基本接近鋼材料的熱塑溫度，鋼材出現(xiàn)的變形幅度比較小，焊接變形得到有效控制。海洋鋼結構中經(jīng)常需要運用大型構件，這種構件的整體高溫回火難以實現(xiàn)，因此運用局部高溫回火的處理方式，只對焊接應力過大或者焊縫周邊部位進行處理即可。

4.4 加強焊接檢驗力度

考慮到海洋環(huán)境對于鋼結構的影響，應做好焊接檢驗方面的工作，及時發(fā)現(xiàn)焊接變形等缺陷，并進行必要的預防。焊接工人在領取焊條之后需要將其保存到保溫筒中，使用時間應控制到4h之內(nèi)，剩余焊條在退回后，需單獨保存，使用保溫筒時注意連接電源，將加熱溫度控制到75℃以上，焊接工人不可私自將焊條從烘箱中取出。焊接工作開展之前，需要配備風鏟、鋼絲刷以及錘子等工具，焊接前對電源線以及焊接環(huán)境進行檢查，確保焊接環(huán)境不會給焊接工作帶去負面影響。開展打底焊時，焊接工人要避免因反面氣刨而出現(xiàn)失誤操作。完成焊接之后需對結構的關鍵節(jié)點進行外觀檢查，將焊接部位的焊渣清除后，還要經(jīng)過建設方與第三方的檢查。焊接完成后約48h即可開展無損檢測，部分焊件需要在焊接之后繼續(xù)進行熱處理，結束熱處理之后再進行無損探傷，重點檢測對接焊縫，Y、T、K型管關鍵節(jié)點部位的焊縫以及填角焊縫。具體可以選擇的檢測方法有磁粉檢測、超聲波檢測以及射線檢測等。

5 結論

海洋鋼結構的焊接質量會受到材料、焊接順序與焊接工藝等因素的影響，面對關鍵節(jié)點存在的焊接變形缺陷，需要分別從焊接開始前，焊接過程中以及完成焊接后等多個環(huán)節(jié)加以控制。焊接人員需在明確焊接要求的前提下，正確運用焊接技術，做好焊接工作中的自檢，最大程度地實現(xiàn)對變形問題的控制，在焊接實踐活動中不斷積累經(jīng)驗，在多種施工狀態(tài)下，都能夠有效消除變形問題。