鋼結構焊接殘余應力及變形控制分析

陳岳

中核檢修三門分公司 浙江臺州 317109

在鋼結構加工中，焊接作為應用比較普遍的操作技術，在鋼結構加工中應用焊接技術，能夠加快操作速度，使鋼結構加工更加便捷，節約大量的鋼材。當下的焊接技術，已經過了層層優化，較之傳統工藝，大大節省了人力物力，避免過多損耗，所制造的設備也符合核電生產的技術要求。但焊接的過程，其間極大概率會產生焊接殘余應力，影響設備成品的功能，甚至造成一定的安全隱患。按照以往的經驗，焊接制造工藝的殘余應力，其誘因多是由于焊接設備受熱和冷卻條件不均勻，導致整體出現熱脹冷縮，產生形態變化，與預期安裝參數不符，而安裝不牢靠便會讓核電設備運行帶有風險。所以在鋼結構焊接加工中，必須嚴格控制殘余應力，制定完善的解決策略[1]。

1 什么是鋼結構焊接殘余應力

1.1 具體定義

在焊接鋼結構焊件時，其中產生的熱應力、相變應力以及加工應力完全超過屈服極限，將會導致鋼結構焊件在冷卻之后內部存在剩余能量，這種能量就叫做焊接殘余應力。鋼結構在焊接時，如果沒有注意控制施工現場的溫度，溫差過大將會導致鋼結構發生局部形變以及比容不同組織，這屬于重大的建造事故。更嚴重的后果，在后期可能會導致焊接部位開裂與應力腐蝕等等一系列問題，核電設備的工作受到干擾，不僅危害了現場操作人員的生命安全，更是核電企業無法保障健康發展。為了保證鋼結構焊接的可靠性，在測量鋼結構焊接應力時，可以采用中子衍射、X射線衍射、小孔法、輪廓法、盲孔法等多種方法，進而了解鋼結構焊接連接的穩定性和強度，制定合嚴謹的焊接計劃，盡量避免焊接殘余應力產生[2]。

1.2 產生的原因

隨著我國化工業的大力發展，各個工廠大量興起，但本行業始終缺乏專業操作工藝的指導，焊接質量良莠不齊，這就導致了殘余應力的產生。由于缺少科學的焊接手法，鋼結構經常出現受熱不均勻的現象，其內部極易在作業時出現縱向或者橫向殘余應力。除此之外，還有個別管理人員缺乏專業的技術素養，對整個作業環境和工藝考慮不周，也導致了嚴重后果，以下幾點需得焊接項目人員吸取教訓，嚴加施工。

鋼結構材料性能以及力學性能不達標。這是由于項目人員的專業還是不達標，在焊接材料的選擇環節就出現了偏差。這一步驟務必明確一點，不同的金屬材料鋼結構對于溫度感應的耐受程度不同，相同的溫度無法讓所有鋼材焊接成預期的結構；而且實際操作中，焊接位置的密度、導熱系數、熱膨脹系數以及焊接的角度等工藝都會最終焊接成果產生較大影響，如若操作不當，便會產生一定的殘余焊接應力。

實施雙面焊接固定，此方法不同于傳統的焊接手法，能極大地提高鋼結構的焊接效率，并且優化坡口設計，但其建造參數需要嚴加審核確保萬無一失；半自動焊接，此方法同樣可以提高焊接的效率，但更加容易出現鋼結構焊接不完整的現象，還不便于調整施工位置，此方法一般根據實地考察之后按需選擇；氣體保護的焊接方式，此工藝對焊接水平要求很寬松，焊接步驟精簡并且能做到鋼結構焊接完整，美中不足的是需采取坡口焊接或其他變形控制措施才能防止焊接制造中的變形。具體的焊接工藝，是根據建造現場的實際情況來選擇的，不合時宜的焊接方式，會無法讓鋼結構發揮出固定耐用的功能，設施作業會有一定的安全隱患，所以領導者和施工人員要慎重做出決策。

理解了焊接的流程，具體的操作手法更是決定著核電設備鋼結構焊接制造工藝的整體質量，還要控制焊接工藝的應用過程，避免重大的質量問題。焊接生產過程的具體要求如下：控制偏差和規范以外的誤差，鐵路結構焊接過程中各尺寸的規劃，厚度變化必須滿足鋼結構基本構件的要求，也滿足核電作業要求的施工標準，合理控制焊縫生產的溫度和熱輸入值。

2 鋼結構焊接殘余應力以及變形控制的措施

核電設備鋼結構焊接制造工藝中經常會出現設備承重程度過大、受熱面積不均勻甚至焊接供熱異常等現象，這些都會影響鋼結構的鑄造，產生殘余應力，使其達不到預期設計效果。嚴重時會發生變形，產生扭曲，不能安全地進行建筑材料和重物的定點運輸工作，此時就要制訂具體的安全操作措施。

2.1 控制材料用量

核電設備鋼結構焊接過程中，每次投放鋼材的量要進行合理控制，能更好地避免因下料過多或不足而引起的鋼結構焊接制造中的變形。以標準范圍的用量來進行焊接工作，可以確保建筑工藝能發揮最大的效果，鋼結構保持穩固不變形，可以讓設備運行得更加平穩流暢。

2.2 注意控制焊接參數

核電設備鋼結構焊接制造中各項輸入值都有明確的值，不可超出給定的范圍，此舉有利于實現變形控制，避免鋼結構焊接制造時因過熱或力度不足而導致焊接作業不完整。這其中最需要控制的一項參數便是熱量輸入的多少，過熱會導致鋼材熔化，溫度不足則鋼材無法通過焊接變成我們想要的結構，所以我們要適當地控制熱量的輸入，一方面確保熔透的效率，另一方面排除焊縫中的缺陷，保障焊接參數準確后，才能限制鋼結構焊接制造的工藝環節，以免出現焊接變形或制造缺陷。

2.3 理清焊接工序

核電設備鋼結構焊接制造工藝需要井井有條地開展，混亂的焊接順序會讓工期延長，還會影響焊接的質量產生殘余應力。這一步驟要注意的是裝配焊接的過程中，切不可在建筑材料裝配時作業，這樣由于機器的運轉，會導致焊接不到位。核電設備在復雜鋼結構中的焊接工作開始前，要嚴謹地制定一系列的焊接方案和應急備案措施，將焊接的順序理清。具體操作時應該從其底座開始，將每一個設備接口焊接牢固，保證核電設備鋼結構焊接制造工藝的有序進行[3]。

3 結語

核電設備在建造時原材料的質量與結構合格與否決定著項目整體的工作進展，這其中鋼結構的焊接工藝就起到決定性的作用。為了有效控制鋼結構焊接殘余應力與變形問題，所以焊接工藝要進行嚴謹的規劃，必須要選擇科學合理的焊接工藝，采取優化的設計和控制，使其符合鋼結構的技術及施工要求，讓國家的核電化工行業的發展得以順風順水。