大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制工藝的探究

林建新，羅 田

（廣州鑫南數(shù)控科技有限公司，廣東廣州 511495）

0 引言

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接施工對精度要求較高，其結(jié)構(gòu)本身存在較大自由度，焊接過程中會因為熱源集中導(dǎo)致溫度場分散欠均勻。同時，在焊接過程中，大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝會受時間的影響而導(dǎo)致應(yīng)力場和溫度場發(fā)生變化，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析與計算出現(xiàn)失誤，嚴重影響焊接質(zhì)量。由此可知，大型鋼結(jié)構(gòu)焊接施工難度較大，加強焊接變形控制工藝的研究，對焊接質(zhì)量控制具有重要意義。

1 大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的主要類型

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的影響因素不同，其變形狀態(tài)也存在一定差異，主要包含6種類型。

（1）降溫收縮縱橫變形。在焊接溫度下降的條件下，金屬以焊縫為原點出現(xiàn)收縮變形。變形主要體現(xiàn)在縱橫軸方向。

（2）降溫條件下，金屬收縮量差異導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)角度位移而出現(xiàn)變形。

（3）焊縫角螺旋狀變形.由于焊縫角鋼結(jié)構(gòu)縱橫面分布不均，導(dǎo)致焊接變形出現(xiàn)。

（4）錯邊變形。與鋼結(jié)構(gòu)焊接加熱不均存在一定聯(lián)系，此種情況下鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件收縮度受到嚴重影響，所處焊縫位置的構(gòu)件長寬無法有效控制，最終導(dǎo)致焊接變形。

（5）兩焊縫位置不可能會出現(xiàn)同一焊接變形結(jié)果，帶給人一種感官扭曲變形，即撓曲變形。

（6）波浪形變形。焊縫位置有著自身的內(nèi)應(yīng)力，能夠在焊接位置出現(xiàn)波浪式表現(xiàn)，即波浪式變形。

2 焊接變形的原因

在焊接工藝中，部件之間會相互制約相互聯(lián)系，而且部件在進行加熱的過程中，受熱不均勻會在各個部分產(chǎn)生不同程度上的熱脹冷縮現(xiàn)象，這樣就會導(dǎo)致部件的應(yīng)力不均勻，產(chǎn)生不同程度的拉伸狀況，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)焊接的變形和扭曲。為有效控制大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，對變形原因進行分析。

2.1 溫度控制不當

焊接溫度往往會金屬產(chǎn)生一定影響，一旦焊接溫度明顯高于金屬熔點，極易引發(fā)金屬膨脹，此時金屬自身溫度較高，會對其周邊金屬產(chǎn)生強烈影響，引起周圍金屬膨脹，導(dǎo)致焊接變形問題出現(xiàn)，給大型鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量造成嚴重影響。在大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，如果焊接溫度控制不當，極易引發(fā)焊接變形問題。

2.2 焊接材料選擇不合理

焊接材料是大型鋼結(jié)構(gòu)焊接操作的重要部分，不同焊接材料的性能存在一定差異。焊接溫度相同時，焊接材料的膨脹度也存在一定差異。如果焊接選用的施工材料不合理，無法有效控制焊接溫度，膨脹度過大或過小都會導(dǎo)致焊接變形。

2.3 焊接順序或焊接方法不科學

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中，對焊接順序及焊接方法的要求較高，不同焊接部位的承載力不同，焊接需求也存在一定差異。如果焊接順序不合理，或者焊接方法不科學，極易造成鋼結(jié)構(gòu)扭曲，最終導(dǎo)致焊接變形。

2.4 焊縫位置不恰當

焊縫位置的選擇也是大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中的重要內(nèi)容。鋼結(jié)構(gòu)重力對不同承載力金屬壓力效果具有一致性，如果焊縫位置不恰當，極易引發(fā)不同程度的焊接變形，影響焊接質(zhì)量。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)剛性控制不合理

剛性是影響大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的重要因素。一般情況下，同等承載力下鋼結(jié)構(gòu)焊接變形受剛性大小的影響，剛性大的鋼結(jié)構(gòu)焊接變形相對較小，反之則焊接變形較大。如果大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中鋼結(jié)構(gòu)剛性控制不合理，極易出現(xiàn)焊接變形。

3 大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法

3.1 合理選擇焊接材料

為有效控制大型鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，降低變形問題的發(fā)生幾率，應(yīng)當結(jié)合工程建設(shè)要求及技術(shù)標準合理選擇焊接材料，尤其是要做好鋼材性能的調(diào)研分析工作去，確保其具備良好的焊接性能，且能夠滿足焊接工件成品質(zhì)量要求，將焊接變形控制在最小范圍內(nèi)。與此同時，大型鋼結(jié)構(gòu)焊接材料的選擇，應(yīng)遵循實用且可靠的原則，切不可一味追求經(jīng)濟利益而選擇劣質(zhì)鋼材，以免導(dǎo)致大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形。

3.2 選用適宜的焊接技術(shù)并規(guī)范焊接操作

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中，焊接技術(shù)的選用及規(guī)范操作是控制焊接變形的重要方式，要求技術(shù)人員結(jié)合大型鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量標準及焊接條件進行綜合分析，選用適宜的焊接技術(shù)并規(guī)范焊接操作。在保證焊接質(zhì)量的前提下，選用較低的線能量能有效防止焊接變形：埋弧自動焊具有較高的熱利用率，焊接速度快且焊接收縮小，便于加強變形控制；氣焊受熱范圍較大，焊接速度慢，后期極易出現(xiàn)焊接變形，影響焊接質(zhì)量；二氧化碳氣體保護焊也是控制焊接變形的一種有效方式，與手工電弧焊相比，其效率更高。

由于大型鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中焊接工件受熱后會向一側(cè)收縮變形，因此在實際焊接過程中可以應(yīng)用反變形法焊接技術(shù)。在正式焊接之前，將焊接工件進行彎曲放置，彎曲角度側(cè)歪，為焊接收縮變形留出余量，可有效控制焊接變形。例如：焊接90°工件時，可將工件向外側(cè)擺放為92°～94°，焊接過程中工件受熱收縮，剛好回到90°位置。但在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)當注意，反變形法焊接技術(shù)應(yīng)用后需要對工件角度進行適當調(diào)整，而且無法滿足焊接精度高工件的焊接需求。

剛性固定法焊接技術(shù)是大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中較常用的一種焊接工藝，原理是對焊接工件進行固定來控制變形，主要依靠外力來減少熱應(yīng)力和剛性力對焊接工件的破壞。應(yīng)用該法焊接時，應(yīng)當控制好焊接過程，以降低焊接變形的影響。另外，為提高焊接質(zhì)量，還應(yīng)當掌握正確的焊接順序，先點焊、再拉焊。

3.3 加強焊接過程的細節(jié)控制

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，如果焊接過程控制不到位，極易出現(xiàn)焊接變形問題。因此在焊接過程中，應(yīng)當從焊接工件厚度控制、焊接預(yù)實驗等細節(jié)入手，優(yōu)化焊接過程，如待焊接的2個工件之間厚度不宜相差過大、選擇適當?shù)暮附硬牧系取?/p>

另外，如果焊縫尺寸過大會加大焊接量，焊接變形的風險就隨之加大；而焊縫過小，焊接冷卻速度較快，則極易引發(fā)焊接缺陷。因此在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)掌握好焊縫尺寸，保證焊接質(zhì)量及鋼結(jié)構(gòu)承載力滿足實際要求。與此同時，要盡可能將焊縫布置在對稱于中性軸的位置，同時且對稱的開展焊接操作，能夠促進焊接變形的相互抵消，為大型鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制提供可靠保證。

規(guī)范大型鋼結(jié)構(gòu)的裝焊順序也是控制變形的有效方式。一般遵循先對接焊縫后角焊縫的焊接原則，若連續(xù)焊接與斷續(xù)焊接同時進行，則盡可能先焊連續(xù)焊縫。而中長焊縫的焊接大多以分段焊接的方式進行，通過焊接順序控制來促進焊縫自由收縮，減少變形幾率。

焊接預(yù)實驗是保證鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝優(yōu)良的重要條件，因此相關(guān)焊接技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合焊接需求調(diào)整電流電壓，做好焊接的預(yù)熱和預(yù)實驗工作，并結(jié)合預(yù)實驗結(jié)果調(diào)整焊接工藝，防止出現(xiàn)焊接變形。如果在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中出現(xiàn)裂紋，應(yīng)當立即停止焊接工序，檢查焊接點是否存在偏差，并進行妥善處理，確保大型鋼結(jié)構(gòu)焊接過程得到有效優(yōu)化，降低焊接變形發(fā)生幾率。

3.4 有效控制焊接溫度

焊接溫度控制是大型鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中變形控制的有效方式，要求焊接技術(shù)人員掌握好焊接溫度，保證焊接效果滿足大型鋼結(jié)構(gòu)焊接要求。比如在焊縫部位金屬焊接操作中，技術(shù)人員應(yīng)掌握好焊接方式和焊接溫度，待焊接完成后及時降溫，盡可能減少焊接余溫對焊接點周邊金屬造成不利影響，有效控制焊接變形。相關(guān)焊接技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合大型鋼結(jié)構(gòu)焊接需求調(diào)整焊接工序，以免焊接施工中出現(xiàn)撓曲變形而影響焊接質(zhì)量。

合理控制焊接溫度也是減少焊接應(yīng)力的重要方式。焊接時應(yīng)考慮提高金屬的抗裂性、塑性、韌性，降低應(yīng)力，合理選擇焊接材料，并控制好焊接溫度。一般情況下，為了與母材達到一致，會增加焊接材料中錳和硅的含量。

3.5 消除焊接中的殘余變形

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接極易受到溫度、鋼結(jié)構(gòu)材料、承載力、焊接工藝及施工環(huán)境等因素的影響而出現(xiàn)焊接變形，嚴重時會影響結(jié)構(gòu)焊接性能。因此在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接施工中，應(yīng)當不斷總結(jié)焊接經(jīng)驗，采取有效的措施消除焊接中的殘余變形，提高焊接質(zhì)量。在焊接過程中，加熱矯正會產(chǎn)生一定應(yīng)力，一旦這種應(yīng)力與焊接應(yīng)用同向疊加，會明顯加大構(gòu)件總應(yīng)力。這種情況下，如果構(gòu)件自身應(yīng)力無法承受總應(yīng)力，極易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形甚至受損。大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中，應(yīng)當結(jié)合制作需求，合理選擇施工工藝，將結(jié)構(gòu)變形控制在最小范圍之內(nèi)，提高結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接具有一定特殊性，受溫度控制、焊機操作不當、焊接材料等因素的影響，極易出現(xiàn)焊接變形問題，制約焊接性能。因此，在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接中，應(yīng)全面分析焊接工件特性，選定適宜的焊接工藝，并加強焊接過程管理與控制，科學控制焊接變形，提高焊接效果，滿足工程建設(shè)對大型鋼結(jié)構(gòu)的要求。