鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形控制與焊接工藝的應(yīng)用

占建軍

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，南昌 330000）

1 引言

目前，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)和鉚焊件的加工中，常利用兩種相同或不同的型材進(jìn)行組焊，得到所需要異型材或異型結(jié)構(gòu)件。而這些構(gòu)件在焊接過(guò)程中都存在一定的焊接變形，若焊接變形不予以及時(shí)矯正，不但影響鋼結(jié)構(gòu)部件的加工、運(yùn)輸與安裝，還會(huì)在一定的程度上改變鋼結(jié)構(gòu)件的受力狀況，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)存在安全隱患。本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中的反變形、焊接次序、焊接方式做以下分析。

2 電焊鋼板對(duì)接焊接技術(shù)工藝

2.1 工藝流程圖

目前，所有鋼結(jié)構(gòu)廠均采用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)厚板（t≤20 mm）全滲透對(duì)接。對(duì)接焊前，鋼板應(yīng)斜切；埋弧焊前，需要進(jìn)行碳弧氣刨和清根。該過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，此外，在去除根部時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生噪聲、灰塵、弧光和其他污染。

2.2 焊接裂紋產(chǎn)生的原因

在焊接中，當(dāng)焊件冷卻到200～300 ℃以下時(shí)易產(chǎn)生根部裂紋，這是一種冷裂紋，并且裂紋主要在焊接線基材側(cè)產(chǎn)生，有延伸傾向，方向?yàn)榭v向。淬硬傾向氫的作用、和焊接應(yīng)力是冷裂的3 個(gè)原因。

2.2.1 淬硬傾向

鋼板采用30 號(hào)鋼，硬化傾向小，焊接性好，不是冷裂紋的主要原因。

2.2.2 氫的作用

使用的焊接材料要嚴(yán)格烘干，因?yàn)楣S環(huán)境濕度高（海洋氣候），焊接過(guò)程中焊縫中會(huì)殘留少量氫氣，但含量低，不是冷裂的主要原因。

2.2.3 焊接的應(yīng)力

對(duì)于厚度大的鋼板，焊接時(shí)厚度方向的溫度分布不均勻。焊接側(cè)在加熱時(shí)膨脹很大，而另一側(cè)幾乎不膨脹或根本不膨脹。在焊接后的冷卻過(guò)程中，發(fā)生鋼板厚度方向上的不均勻收縮現(xiàn)象，引起兩個(gè)接頭之間的角度變形，這導(dǎo)致根部承受大的拉應(yīng)力[1]。因?yàn)楹缚p縱向收縮，兩塊鋼板趨向于外彎成弓形，但實(shí)際上焊縫把兩塊鋼板連成整體，從而在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，在兩端則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。由于在開(kāi)展作業(yè)時(shí)焊縫的冷卻時(shí)間存在差異，先焊的焊縫已凝固，并具備一定的強(qiáng)度，將阻礙后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向的塑性壓縮變形。

當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，由于后焊焊縫在收縮時(shí)受到已凝固焊縫的限制產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，并在先焊部位焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。橫向收縮引起的橫向應(yīng)力與施焊方法及先后次序有關(guān)，焊縫的橫向殘余應(yīng)力是上述兩種原因產(chǎn)生的應(yīng)力的合成。

3 焊接變形的分類(lèi)和危害

在焊接時(shí)，構(gòu)件在焊接部位的高溫加熱和急速的冷卻過(guò)程中，焊縫及材料縫隙由于熱反應(yīng)導(dǎo)致整體材料變形，焊接變形的分類(lèi)多樣，一般按照面的內(nèi)外變形可分為面內(nèi)變形和面外變形。焊接變形的面內(nèi)變形一般包括焊縫的縱向變形、橫向收縮變形和焊縫回轉(zhuǎn)變形，面外變形包括角變形、彎曲變形、扭曲變形、失穩(wěn)波浪變形等各種變形。

焊接變形的危害包括影響焊件的裝配精度及使用性能。在焊接過(guò)程中，由于溫度等因素的不易控制，極易導(dǎo)致焊接中配件的精準(zhǔn)度缺失，影響配件在使用過(guò)程中的效果與質(zhì)量，使得整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)變形的趨勢(shì)，從而影響其使用效果。其次，焊接變形同樣會(huì)導(dǎo)致裝配質(zhì)量的降低，最終使得產(chǎn)品報(bào)廢。焊接變形影響鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，影響焊件的美觀及增加制造成本[2]。

4 焊接工藝的應(yīng)用

4.1 通過(guò)反變形的方式來(lái)控制

所謂的反變形法，即按照日常操作經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合將焊接過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的具體變形進(jìn)行測(cè)算，進(jìn)行預(yù)算后，通過(guò)給予一個(gè)相反方向的力或者變形使其彌補(bǔ)，從而保證鋼材的正常使用。目前，利用反變形方法控制焊接變形已經(jīng)成為較為成熟并且實(shí)用性較強(qiáng)的方式之一，通過(guò)反變形，可以較好地保證焊接品質(zhì)，提升焊接質(zhì)量，從而促進(jìn)焊接工藝的完善。

例如，某塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿、塔頭主弦桿都是由兩段規(guī)格不同或相同的角鋼對(duì)扣焊接而成。塔機(jī)對(duì)生產(chǎn)的各種焊接產(chǎn)品的要求較高，使用標(biāo)準(zhǔn)也較高，如何巧妙地應(yīng)用反變形方式，杜絕焊接變形，提升產(chǎn)品質(zhì)量是焊接中需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。

1）制作簡(jiǎn)易工裝，在工裝中部預(yù)先安置墊塊。墊塊的高度一般由焊工師傅根據(jù)角鋼焊接后的變形量確定。

2）在施焊前，利用工裝的結(jié)構(gòu)，通過(guò)液壓千斤頂在角鋼兩端向角鋼的背部施加一定的應(yīng)力，使角鋼在施焊前達(dá)到所需反向彎曲變形，并使角鋼固定。

3）焊接過(guò)程中，在兩段角鋼的鏈接部位，焊縫長(zhǎng)度一般約為300 mm，焊完余下的焊縫，最終實(shí)現(xiàn)全焊，達(dá)到產(chǎn)品所需的設(shè)計(jì)要求。

在特種設(shè)備制造行業(yè)中，有很多型材的規(guī)格達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，也是通過(guò)焊接來(lái)獲取所需的型材。兩段角鋼的對(duì)扣焊接，如果不預(yù)先施加彎曲變形的力，因焊接彎曲、扭曲等缺陷，使得焊接部件無(wú)法進(jìn)行下道工序，即使焊后再調(diào)直、校正，也很難達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，而且有時(shí)還會(huì)破壞型材原有的受力形式，故在施焊過(guò)程中消除焊接變形是當(dāng)前最理想的工藝。

4.2 通過(guò)合理的焊接次序和方向，控制焊接變形

例如，某塔機(jī)支座的主體是由上蓋板、下蓋板、24 塊大小不一的所要焊接的一側(cè)具有坡口立板、4 塊圍板和4 段座圈構(gòu)成。焊接時(shí)的主要步驟如下：

1）在支座的一側(cè)集中對(duì)下蓋板和立板進(jìn)行焊接，期間不能間歇，一次焊接完成。

2）以同樣的方式對(duì)支座另一側(cè)的上蓋板和立板進(jìn)行焊接。

3）焊接座圈，首先，對(duì)內(nèi)圈進(jìn)行段焊，焊縫長(zhǎng)度、間隔長(zhǎng)度控制在100 mm 以?xún)?nèi)；其次，對(duì)外圈進(jìn)行統(tǒng)一焊接；最后，對(duì)間隔進(jìn)行焊接[3]。

4）依次焊接立板和圍板，焊接完所有的焊縫。

在焊接過(guò)程中，由于受力及壓縮等原因會(huì)導(dǎo)致焊縫受到各種外在力量的影響，焊縫會(huì)發(fā)生縱向壓縮，從而導(dǎo)致鋼板變形。由于焊接接頭通過(guò)焊縫連接成為一個(gè)不可分割的整體，在焊縫中部會(huì)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，焊縫兩端會(huì)出現(xiàn)橫向壓應(yīng)力。

所以，在焊接支座的過(guò)程中，對(duì)下蓋板焊接時(shí)，使下蓋板整體向內(nèi)突起，焊接上蓋板時(shí)，因?yàn)橥瑯拥脑硗ㄟ^(guò)立板將力傳遞給下蓋板，使下蓋板的變形得到了恢復(fù)。通過(guò)焊接座圈使焊接蓋板時(shí)的殘余應(yīng)力得以消除，從而抵消在焊接過(guò)程中發(fā)生的變形。因此，在鉚接的過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)留的縫隙大小，對(duì)以后焊接變形量的大小有直接的影響，如果沒(méi)有預(yù)先留下合理的縫隙，只是單一地通過(guò)焊接順序來(lái)控制焊接的變形，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4.3 通過(guò)對(duì)稱(chēng)焊接的方式控制焊接變形

1）從有平衡重的一端開(kāi)始焊接。焊接封板時(shí)，要保證在封板的兩側(cè)依次交替焊接，直到整個(gè)側(cè)面焊完，每道焊縫、間隙的長(zhǎng)度約控制在300 mm。

2）翻轉(zhuǎn)平衡臂，以同樣的方式固定，焊接另一側(cè)的封板時(shí)，采用對(duì)稱(chēng)焊接、統(tǒng)焊的方式一次焊接完成。

3）再將開(kāi)始的那側(cè)平衡臂留下的焊縫焊接完成。

焊接封板也是利用了反變形的原理。在一側(cè)段焊，使其發(fā)生一定量的形變，焊接另一側(cè)采取的是統(tǒng)焊的方式，也會(huì)發(fā)生同樣的形變，最后焊接預(yù)留下的間隙，從而保證了在兩側(cè)的變形量一樣，相互抵消，達(dá)到了焊接的目的。

在鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和焊件的加工中，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)件，對(duì)焊件的質(zhì)量有不同的要求。通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行分析和探討，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，焊接變形能從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝措施兩方面來(lái)加以控制。首先，對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采用反變形方式，通過(guò)彌補(bǔ)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，從而有效解決焊接變形問(wèn)題，提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量；還可以通過(guò)使用不同的焊接方式巧妙應(yīng)對(duì)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，從而有效地提升焊接質(zhì)量。

4.4 焊接應(yīng)力的消除方法

雖然通過(guò)上述措施能夠控制焊接應(yīng)力，但由于工程構(gòu)件具有特殊性，焊接作業(yè)結(jié)束后仍然具有較大的應(yīng)力，對(duì)此，應(yīng)采取相應(yīng)措施，達(dá)到進(jìn)一步消除構(gòu)件殘余應(yīng)力的目的。

1）通過(guò)對(duì)零件整平消除應(yīng)力。在切割鋼板時(shí)，切割邊受到的熱量比較大且冷卻速度快，所以，切割邊緣的收縮應(yīng)力較大。應(yīng)力釋放后，將導(dǎo)致中、薄板切割后發(fā)生扭曲變形。對(duì)于厚板，其抗彎截面大，無(wú)法產(chǎn)生彎曲，但收縮應(yīng)力存在是客觀的。因此，在整平時(shí)應(yīng)反復(fù)碾壓零件的切割邊緣，有利于消除收縮應(yīng)力。

2）利用預(yù)熱法控制焊接應(yīng)力，構(gòu)件本體上溫差越大，焊接殘余應(yīng)力也越大。焊前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱，能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者都能減少焊接應(yīng)力。

3）利用振動(dòng)法消除應(yīng)力，當(dāng)構(gòu)件承受動(dòng)載荷應(yīng)力達(dá)到一定的程度，在經(jīng)過(guò)多次循環(huán)加載后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)漸漸下降，也就是說(shuō)通過(guò)振動(dòng)法能夠消除部分焊接應(yīng)力。振動(dòng)法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本少、時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，高溫回火時(shí)不會(huì)發(fā)生氧化，已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用[4]。

4）利用高溫回火消除應(yīng)力，因?yàn)闃?gòu)件殘余應(yīng)力的最大值一般能達(dá)到該材料的屈服點(diǎn)，金屬的屈服點(diǎn)則會(huì)在高溫環(huán)境下減小。所有將構(gòu)件的溫度升高至某一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力的最大值也應(yīng)降低至該溫度下的屈服點(diǎn)數(shù)值[5]。

5）通過(guò)超聲波振動(dòng)消除應(yīng)力。所謂超聲沖擊，即通過(guò)大功率超聲波促使超聲波工具頭以20 000 次/s 以上的頻率沖擊金屬物體表面，受到超聲波高頻、高效和聚焦下的大能量影響，金屬表面將發(fā)生壓塑變形，并且超聲沖擊波使得最開(kāi)始的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，產(chǎn)生了壓應(yīng)力，并使被沖擊部位得到強(qiáng)化。該方法能夠有效消除應(yīng)力。經(jīng)測(cè)試，焊接殘余應(yīng)力的消除率超過(guò)75%。

6）利用噴砂除銹工序消除應(yīng)力。噴砂除銹時(shí)，噴出的鐵砂束壓力高達(dá)2 500 MPa。通過(guò)鐵砂束反復(fù)、均勻地沖擊構(gòu)件焊縫及其熱影響區(qū)，不僅可以取得除銹效果，而且有利于消除構(gòu)件應(yīng)力。

7）構(gòu)件消除殘余應(yīng)力后的測(cè)量。按照上面的措施消除構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力后，利用盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力，具體在電渣焊和埋弧焊焊縫測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

焊接變形量是不可免的，但其大小在一定程度上是可以控制的。要實(shí)現(xiàn)快速焊接，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，提高產(chǎn)量，必須通過(guò)簡(jiǎn)易的、有效的方式來(lái)控制焊接變形量，在鉚接過(guò)程中預(yù)留合理的焊接縫隙、利用反變形法和選擇合理的焊接工藝等綜合工藝是當(dāng)前比較理想的控制焊接變形的方法。隨著鋼結(jié)構(gòu)加工業(yè)的發(fā)展，控制焊接變形將會(huì)有更科學(xué)的方法，還需要不斷地去探討和研究，提升焊接過(guò)程中的整體效率，促進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展，并且對(duì)焊接工藝進(jìn)行改革，減小焊接變形。