鋼結構焊接殘余應力及焊接變形控制技術

馮強 毛瑞道 宋旭峰

【摘 ?要】鋼結構建筑節點處連接方式的優劣對整體性能的影響非常大，鋼結構破壞最薄弱的環節一般都是在節點連接處，而焊縫連接相較于其他連接方式效果更好，應用也更為廣泛。焊縫連接是將兩種或兩種以上材料通過物理方式連接成一體的技術，其優點有：不削弱構件截面，節省材料，操作簡單，生產效率高，可實現自動化生產，而且焊接相比于其它連接方式剛度更大，密封性能更好.本文基于鋼結構焊接殘余應力及焊接變形控制技術展開論述。

【關鍵詞】鋼結構焊接;殘余應力;焊接變形;控制技術

中圖分類號：TU758 ? ? 文獻標識碼：A

引言

鋼結構因其自重輕、適應性強、建設周期短、外形豐富、維護方便等優點被廣泛應用于建筑工程的施工中。而在鋼結構工程施工中，焊接技術是非常重要的環節，尤其是低溫焊接技術，其焊接質量的高低直接影響到鋼結構的整體質量。

1鋼結構工程焊接質量的影響因素

對于鋼結構工程來說，焊接結構質量的形成與工程形成過程相滲透，例如設計、檢驗、驗收等。在制造過程中，都必然要有下料、成型、焊接、打砂渣等過程。在這之中，焊接結構質量得以保證的重點是設計質量。而焊接質量的把關就是檢驗，唯有在事前、事中、事后對焊接質量有效的控制，才能使不合格品的出現得以避免。對于鋼結構工程焊接質量來說，其影響因素主要有四個方面：（1）人的因素。對于人的因素來說，主要有三個方面：①質量決策人員;②管理人員;③操作人員，他們直接決定鋼結構工程的焊接質量。在鋼結構工程焊接過程中，通過決策、管理、施工等相關來將活動完成，所以，人的因素在焊接工程質量中的作用是非常關鍵的。例如作業人員質量意識缺失，技術水平不足，沒有按照工藝規程執行，都會對工程焊接質量產生嚴重影響。對于決策、管理不到位，還會使工程質量缺陷形成。（2）技術因素。對于技術因素，其覆蓋的范圍要廣一些，例如設計、施工、檢驗等等。對于鋼結構工程焊接質量來說，就是對技術方案進行優化，將施工工藝進行優后，來使工程施工技術能力提升，從而通過檢驗技術水平的提升等來使工程焊接質量得以保證。（3）管理因素。對于鋼結構工程來說，焊接質量的管理因素有兩個：①決策因素;②組織因素。其中組織因素有兩個方面：①管理組織工程項目的實施;②工程項目實施的任務組織。自質量控制視角出發，工程項目管理體系的健全，組織方式的合理，必然會對鋼結構工程焊接質量有著直接的作用。（4）環境因素。本文所說的環境因素，主要有三個方面：①工程地點的自然環境;②通風、照明等施工條件;③不同專業、不同工程間的交叉作業形成的管理環境。

2焊接殘余應力的控制方法

2.1熱處理消除法

熱處理是一種非常常用的殘余應力控制方法，通過對鋼結構的焊接處采取退火處理措施，提高焊接處的受熱溫度，其加熱溫度越高所需要的保溫時間也越長。在熱處理的過程中，要對其加熱溫度進行科學合理的有效控制，避免加熱溫度過高，導致鋼結構焊接表面發生過度的氧化現象，進而造成鋼結構的內部組織結構發生變化，導致其整體性能發生不同程度的降低。通過采取有效的退火處理措施，鋼結構內部的殘余應力會因為焊接殘余應力松弛而釋放出去，進而有效消除鋼結構內的殘余應力。局部低溫勢處理法是在靠近焊縫區域兩側的范圍進行加熱，同時對中部區域進行冷卻處理，從而形成溫差。這兩區域的材料受到不同溫度影響，產生的不同變形相抵消，相當于抵消了殘余應力。另一種熱時效法的工作原理是先加熱待焊接構件達到塑性狀態的溫度范圍并保溫。這樣操作會使應力逐漸消除，然后將構件冷卻。雖然此方法消除殘余應力比較成熟且可靠效率高，但熱時效法不符合綠色節能和可持續發展的理念。低溫條件下鋼結構焊接施工過程中，通過選擇合理的焊材和焊接工藝，配備焊接素質高的焊工，以及做好焊前預熱、焊后熱處理及焊后保溫，搭設保溫棚改變環境溫度等具體防護措施，可以有效避免低溫環境下焊接冷裂紋及延遲裂紋的產生。

2.2錘擊消除法

錘擊消除法是指通過對鋼結構的焊接部位進行錘擊處理，進而在錘擊的外力作用下延展鋼結構的焊接部位，這就能夠在一定的程度上抵消焊接后所產生的熱脹冷縮殘余應力，進而有效改善鋼結構內部的殘余應力狀況，提高鋼結構的整體性能。在對鋼結構進行錘擊時，要確保鋼結構的焊接位置處受力均勻，避免對同一焊接位置處進行過度的錘擊，進而影響錘擊效果。此外，嚴禁對鋼結構的焊接根部、蓋面焊縫以及焊縫的坡口邊緣進行錘擊處理，避免造成不良后果。

3鋼結構焊接變形的控制措施

預防焊接變形，對于人為因素，可通過檢查等環節避免。焊接過程中，焊接人員應嚴格遵循國家相應的焊接規定和標準，組織專門人員定期檢查已加工的工件，核實相關的工件參數，檢查工件的擺放、焊接平臺的搭建等是否合理。對于非人為因素，存在著一些不可控的成分。焊接人員要秉持特殊情況特殊對待的態度，根據焊接構件的特點選擇適宜的焊接工藝，盡可能避免非人為因素導致的變形。最后，要在焊接過程中注意檢測工件的各項參數是否滿足設計標準和設計目的。

3.1設計環節的焊接變形控制。

一方面在具體設計過程中，設計人員應充分了解導致各類焊接變形的發生原因，以及各類焊接變形的特點，并據此合理選擇具體焊接形式以及焊縫尺寸，有效布置焊縫數量及其焊縫尺寸，使設計出的鋼結構滿足焊接要求。另一方面由于焊縫數量與尺寸，與鋼結構所受熱源成正相關，焊接變形產生的幾率也與之呈正相關。所以設計鋼結構節點的過程中，設計人員要對結構節點受力狀況進行認真分析，嚴格控制焊縫數量與尺寸從而降低焊接變形的產生率。

3.2合理選擇焊縫位置

第一，該鋼結構焊接過程中，焊縫位置要與鋼結構截面呈對稱狀態，也可使其靠近鋼結構截面的中性軸，以有效降低鋼結構焊接變形程度。第二，施工人員要合理選擇焊縫坡口形狀及其尺寸，避免不必要的焊縫，以促使焊縫面積有效減少，從最大程度地降低鋼結構焊接變形程度。第三，還可采用小剛性節點形式，避免焊縫太過集中而出現雙向與三向相交現象，以減小焊縫應力，防止焊縫交叉情況的出現。第四，設計人員不要將焊縫位置選擇在高應力區域，以免由于應力過大而出現焊接變形。第五，施工人員應盡可能不采取仰焊操作方式，以免加大鋼結構焊接難度從而確保鋼結構焊接質量。

結束語

總而言之，焊接是鋼結構施工中常用的連接方式，焊接連接具有非常優良的性能，能夠適應不同工作條件的要求。但是在鋼結構的焊接過程中，如果沒有對整個焊接過程進行系統全面的有效控制，就可能導致殘余應力的產生和焊接部位發生變形，進而影響到鋼結構的焊接質量。通過對鋼結構的整個焊接過程進行系統全面的分析研究，并結合焊接的實際情況，采取有針對性的殘余應力的控制方法和焊接變形的控制技術，從而確保鋼結構的焊接質量符合要求。

參考文獻：

[1]楊樂，王炳新，李士軍，朱風林，范本熙，王坤.鋼結構焊縫超聲檢測用方法比較研究[J].中國標準化，2019（04）：182-183.

[2]趙國華.超大型海洋鋼結構焊接質量檢驗技術創新應用[J].中國建材科技，2019，28（01）：38-39.

[3]郝海龍，崔鑫.鋼結構焊接工藝的腐蝕因素與控制研究[J].綠色環保建材，2019（02）：196+198.

[4]陳玉芳.鋼結構工程焊接質量控制要點[J].設備管理與維修，2019（02）：67-68.

[5]樊清祿.鋼結構橋梁焊接施工技術[J].山西建筑，2019，45（02）：82-84.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）