鋼結構焊接變形控制策略探討

劉莉萍

【摘要】：近年來，我國的鋼結構已經普遍的應用在各種工程中。在鋼結構施工過程中，焊接是十分重要的施工工藝，其應用原理是對焊件局部區域進行加熱，然后冷卻凝固。本文將以內蒙古冰上運動訓練中心為研究對象，對焊接施工變形影響因素以及焊接變形控制技術要點進行詳細探究，以期保證鋼結構施工質量。

【關鍵詞】：：鋼結構 焊接施工 變形控制

引言

借助高溫加熱是鋼結構焊接中的基本操作。該過程會達到最高溫度，即焊縫處的金屬熔點，室溫是焊接溫度必定會降回的溫度，降溫過程也就是焊接鋼結構的過程。所有事物均一樣，金屬同樣存在膨脹和冷縮，焊縫位置金屬到達熔點會達到最大的膨脹度。此時焊縫周圍金屬溫度較低，與填充焊接金屬相互融合，融合位置的焊縫金屬是不能充分膨脹的，造成焊接變形。鋼結構存在質量和施工的多種優點，但焊接變形導致不能全部詮釋其運用效果。本文就鋼結構變形的種類及原因，針對鋼結構變形的有效控制策略進行分析。

1、焊接應力和焊接變形的定義

在鋼結構焊接過程中，由于焊接時產生的熱源以及焊接熱循環的影響，使焊件不均勻受熱，在焊件上形成了不均勻的溫度區域，致使焊件根據鋼結構的特性不均勻的收縮及膨脹，使焊件內部形成焊接應力引起形變。焊接應力根據焊件材質、焊接時施工方法、焊接工藝及固定時的拘束程度等，造成不同的焊接應力大小及分布，按照焊接應力作用方向可將其分為三大類，分別為單向力、雙向應力及三向應力。薄板的對接焊劃歸為雙向應力；大厚度焊件、丁字焊縫劃歸為三向應力，其具有縱向應力、橫向應力及厚度方向產生的應力。三向應力會使鋼結構的脆性斷裂更易發生，降低材料的塑性，是一種存在安全隱患的應力狀態。焊接殘余應力和變形，對鋼結構的承載能力以及構件的加工精度有著很大的影響，施工中應該從源頭抓起，強化設計方案，增強焊接工藝、焊接方法的精確度，降低焊接應力和殘余變形對鋼結構造成的影響。

2、鋼結構焊接變形的主要類型

鋼結構焊接變形的原因有很多，不同原因出現的結果也不同。鋼結構焊接變形的主要類型有：①降溫收縮縱橫變形。該類變形是焊接溫度降低金屬收縮的過程中，以焊縫為原點，鋼結構在縱橫軸方向出現的變形。②降溫過程中收縮量的不同導致角度發生變形。鋼結構在焊縫位置主要是因為金屬收縮量的差異導致角度位移，呈現出角度變形。③焊縫角螺旋狀變形。焊縫角鋼結構縱橫面無法實現均勻分布，導致變形，進而出現焊接變形。④錯邊變形。加熱鋼結構若發生不均勻情況，構件的收縮度也會不同，進而導致焊縫位置的構件在長和寬上無法相同，導致錯邊變形。⑤兩焊縫位置不可能會出現同一焊接變形結果，帶給人一種感官扭曲變形，也就是撓區變形。⑥波浪形變形。焊縫位置有著自身的內應力，能夠在焊接位置出現波浪式表現，即波浪式變形。

3、鋼結構焊接應力控制的策略分析

3.1振動時效法

采用振動時效法實踐的焊接經驗可知，在降低焊接殘余應力方面振動時效法有著顯著作用，振動時效法其優勢在于其作用下不受鋼結構尺寸、形狀、重量等因素的制約。同時施工周期短、效率高并且沒有污染。因此可以選擇結合鋼結構的外形特點及應力情況，合理選擇有效的振型，對鋼結構殘余應力部位施加適度振動，消除構件內部的殘余應力，保證鋼結構的穩定性。特別是對于環狀鋼結構，振動時效法對穩定構件的行為尺寸效果顯著。

3.2采取合理的焊接順序

在焊接過程中應遵循先焊中間，后焊四周的施工順序，這樣可以做到焊縫按照中間向四周的方向依次收縮，減小其相互作用力。在構件表面有交叉焊縫的情況下，著重注意交叉處的焊接工藝。在靠近縱向焊縫的橫向焊縫處，多會有未焊透的情況，且同時此部分未焊透的情況多有出現，此時焊接縫正好在縱焊縫的拉伸應力場中，三向應力就會產生，造成脆性形變。

3.3加強焊接溫度控制

在鋼結構焊接施工過程中，嚴格控制焊接溫度，能有效避免產生焊接變形，比如，在對一個焊縫處的金屬進行焊接時，應該盡量避免對周邊金屬造成影響。焊接施工完成后，應該及時采取有效措施進行降溫，避免金屬余溫對周邊金屬造成不良影響。除此以外，如果焊接施工順序安排不當，也會造成焊接變形，因此還需要結合工程實際需要合理安排焊接順序，比如，施工人員要消除撓曲變形，可以對鋼結構進行上下焊接或者對角焊接。

3.4合理選擇焊接縫位置

基于相同的承載力，若是焊縫位置不同也會導致鋼結構出現不同程度的焊接變形。施工人員要盡量降低鋼結構金屬收縮量，采用合適的焊縫位置，充分降低梁和柱構件變形，取中性軸對稱或截面作為焊縫位置較好。

3.5對構件進行分解施工

常態下體積越大的鋼結構，焊接起來更加復雜。在施工時可以把大型鋼結構進行分解焊接，待校正完成后再進行總體焊接安裝，提高施工效率的同時降低了焊接應力，同時提高了鋼結構的整體精準度。

3.6消除殘余變形

在鋼結構焊接施工過程中，造成結構發生變形的因素有很多，包括溫度、重力、鋼結構材料、承載力等等，另外，焊接施工環境以及焊接施工工藝也會對焊接變形造成一定的影響，因此，在焊接施工過程中，必須積極總結經驗，并采取有效的預防措施。加熱矯正引起的應力會與焊接應力疊加，同向應力疊加甚至可能會使構件的總應力超過允許應力，從而導致構件承載力增大引起結構破壞。對于鋼結構焊接變形，有一部分可以在焊接施工過程中有效避免，而另外一部分則可以在施工過程中進行有效控制，提高焊接生產效率，保證工程施工質量，而這就要求在鋼結構制作過程中合理選擇施工工藝，盡量避免構件發生形變。

3.7減小焊縫尺寸設計要求

在設計優化階段，利用應力計算合理考慮局部加熱循環，避免其引起的二次焊接應力。同時端正觀念，消除焊縫越大越安全的錯誤想法。施焊過程中控制好焊縫的尺寸，控制好焊縫的坡口角度，盡量采用雙面焊接坡口。

結語

綜上所述，在對鋼結構焊接過程中，焊接變形和焊接應力的控制，要結合實際情況，依據現場條件、鋼結構的受力情況、焊接工藝的選擇等具體參數，結合有效的焊接措施見效焊接變形以及殘余應力的影響，保證鋼結構的整體結構穩定性。

【參考文獻】：

[1]趙宇，王悅. 超厚鋼結構焊接變形控制[J]. 石油化工建設，2013，35（5）：82 -84.

[2]章國平，王興，楊令成，等. 橋梁鋼結構焊接變形控制與矯正[J]. 建筑技術開發，2015，42（9）：12 -16.

[3]卡哈爾·阿不都哈力克. 鋼結構焊接變形的起因及其控制方法探討[J]. 工業 B，2015（29）：274.