鋼結構焊接變形和焊接應力控制分析

韋海湖

（廣西水工機械有限公司，廣西 柳州 545100）

近年來，制造業(yè)的鋼材料焊接裝置逐漸向著大型化、集成化的方向發(fā)展，這在一定程度上也帶動了超高、超寬甚至是重型化鋼結構焊接框架的完善，同時，對于實際的施工質量也提出相對更高的多類型要求。傳統(tǒng)的焊接技術主要是依據(jù)鋼材料的實際情況以及形變程度，來制定相對應的焊接流程，這種模式雖然可以完成預期的焊接目標，但是對于焊接產(chǎn)品的質量以及使用壽命則不能保證[1]。在實際應用時還有可能造成極大的安全隱患。不僅如此，對于鋼材料結構的焊接而言，綜合質量在安裝的過程中也是十分重要的，傳統(tǒng)的焊接技術由于其單一的模式，使得最終焊接完成的鋼材料內(nèi)部粒子發(fā)生極大地變化，進而影響最終的焊接效果，并且很容易發(fā)生外在形變[2]。因此，在這樣的發(fā)展背景之下，需要設計更加科學的控制方法，進一步增強焊接的質量，并且靈活應變在焊接過程中發(fā)生的形變以及應力誤差等現(xiàn)象。一般情況下，鋼結構的焊接應力和變形是在制造的過程中發(fā)生的，存在一定的突發(fā)性，并且焊件的形狀以及尺寸也會對控制程度產(chǎn)生一定的影響?？茖W的控制方法可以將焊接應力分化為瞬態(tài)熱應力和焊接殘余應力，并依據(jù)其實際的特性實現(xiàn)控制，以此來進一步推動我國焊接技術水平的提高[3]。因此，對鋼結構焊接變形和焊接應力控制分析。進一步優(yōu)化相對應的焊接控制方法，從根源上提升鋼產(chǎn)品的質量、剛度以及強度，在保證產(chǎn)品穩(wěn)定的同時，增強其可使用性。

1 鋼結構焊接變形和焊接應力控制方法設計

1.1 確定焊縫的變形收縮控制比例

在進行鋼結構變形和焊接應力的控制方法設計前，需要先對相對應的焊縫的金屬收縮比例進行確定。在對鋼結構進行焊接的過程，實際上是一種從高溫至冷卻的一個過程，當鋼材料發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象時，原本的體積發(fā)生收縮，不僅如此，伴隨著熔煉溫度的不斷攀升，所屬的構件也會隨之產(chǎn)生相對應的變形和應力改變?？梢韵韧ㄟ^控制溫度來控制變形和應力。首先，計算焊接范圍之內(nèi)的合理控制溫度，如下公式1所示。

公式1中：R表示合理控制溫度，y表示形變最大程度，?表示允許出現(xiàn)的溫度差值。通過以上計算，最終可以得出實際的焊接合理控制溫度[4]。在這個溫度范圍之內(nèi)，進行調節(jié)。在鋼結構收縮到一定程度的時候，會產(chǎn)生焊縫，焊縫的出現(xiàn)也會對鋼材料產(chǎn)生壓應力，并且鋼結構的周圍也會隨之出現(xiàn)拉應力，壓應力與拉應力相互對立的，壓應力高，拉應力低，表示鋼結構的形變超出實際的可控范圍，很容易造成結構的斷裂。反之，壓應力低，拉應力高，表示鋼結構的形變在實際的可控范圍之內(nèi)，進一步保證了焊接產(chǎn)品的質量。在此基礎上，還需要進行最佳收縮比例的計算，如下公式2所示。

公式2中：G表示最佳收縮比例，S表示極限的焊接范圍，R表示合理控制溫度，a表示應力變化點。通過以上計算，最終可以得出實際的最佳收縮比例。此為焊縫的最佳收縮比例，將其設定為基礎的控制程序。

1.2 對稱施焊法降低焊接殘余應力

在完成焊縫的金屬收縮比例的確定之后，接下來，需要利用對稱施焊法降低相對應的焊接殘余應力，以增強相關的控制力度。首先，根據(jù)整體的構件以及設備情況對焊接進行基礎設置[5]。可以先確定焊接的具體位置、應力的作用方向以及實際的焊接人數(shù)，以此來達到控制變形量最小的目標。焊接殘余應力是一種反作用力，通常會對鋼結構的塑性造成極大的影響，具體如下表1所示。

表1 焊接殘余應力的類型以及影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，可以了解到焊接殘余應力對于控制的影響。接下來，依據(jù)以上信息，進行焊接殘余應力實際差值的計算，如下公式3所示。

公式3中：U表示焊接殘余應力實際差值，ω表示制約系數(shù)，D表示均衡函數(shù)，通過以上計算，最終可以得出實際的焊接殘余應力實際差值，利用對稱施焊法可以獲取到實測的極限應力值，在這個范圍之內(nèi)減掉焊接殘余應力實際差值，就是鋼結構創(chuàng)建時所應該具備的應力控制程度。另外，排除掉焊接殘余應力還有利于通過施焊法控制鋼結構發(fā)生巨大的形變，有利于提升結構的硬度和剛度。

1.3 焊后緩冷矯正加強焊接變形和焊接應力的控制

在利用對稱施焊法降低焊接殘余應力之后，此時的鋼結構處于相對較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并且可使用性較高，控制能力也較為穩(wěn)定[6]。在此基礎上，利用焊后緩冷以及矯正進一步加強相當對應的控制力度。以下為實際的操作步驟，如下圖1所示。

圖1 焊后緩冷以及矯正步驟圖

根據(jù)圖1中的處理步驟，可以了解到，通常鋼結構在預熱之后都需要進行溫度的調節(jié)，這主要是為了方便后續(xù)步驟對其形變進行控制，當完成相關的控制以及塑形操作之后，進行緩冷。緩冷可以很大程度地減少焊縫與周圍區(qū)域的溫度差，使整個鋼結構散熱較為均勻，這樣不僅可以保證結構的硬度以及剛度，同時還能夠提升冷卻速度，避免焊接應力變化與焊接變形的情況。另外，緩冷還需要在特定的室溫之下，需要注意的是，不允許將其暴露在室外進行緩冷，這主要是因為室外的不穩(wěn)定因素很容易造成鋼結構破碎，甚至是斷裂。在完成緩冷操作之后，繼續(xù)進行鋼結構的矯正。一般情況下，矯正主要分為機械矯正和火焰矯正。機械校正主要適用于鋼結構未完全塑形的構件，構件中的粒子沒有完全凝固，可以利用機械進行矯正，此種方法的控制程度較高，但是存在一定的不穩(wěn)定性?；鹧娉C正是利用高溫加熱已經(jīng)成形的構件，使其內(nèi)部的粒子發(fā)生軟化，處于流動狀態(tài)，方便更改形狀。此種方式的控制程度雖然低于前者，但是穩(wěn)定性更高，構件的成形幾率也可以保證。至此，便通過焊后緩冷矯正進一步完成了焊接變形和焊接應力的控制。

2 控制方法測試

2.1 測試準備

本次對鋼結構焊接變形和焊接應力的控制方法進行測試。首先，進行測試環(huán)境的創(chuàng)建，利用預熱法進行組織環(huán)境控制。首先，需要對測試的焊接溫差進行確定，最好保持在220℃～350℃之間。明確相對應的焊接順序，并在預留的焊接交叉區(qū)域添加三角處置口。計算測試的極限應力實施范圍，如下公式4所示。

公式4中：P表示極限應力范圍值，f表示實際的預熱溫度，t表示應力最小限制值。通過以上計算，最終可以得出實際的極限應力范圍值，此時需在這個應力范圍之內(nèi)進行控制，在此基礎上，計算相對應的殘存應力，如下公式5所示。

公式5中：H表示殘存應力，β表示極限余熱比例，δ表示允許出現(xiàn)的誤差值。通過計算，得出具體的殘存應力，將其添加在控制結構的標準之中。測試共分為兩組，一組為傳統(tǒng)的溫度控制法，將其設定為傳統(tǒng)溫度測試組；另一種為本文所設計的方法，將其設置為新型對稱控制分析測試組。兩組方法同時進行測試，核查測試的設備是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并確保不存在影響最終測試結果的外部因素，開始測試。

2.2 測試過程以及結果

完成以上測試準備之后，進行測試，具體的測試過程如下圖2所示。

圖2 焊接變形以及焊接應力控制過程圖

根據(jù)圖2中的測試控制過程，最終可以得出兩組測試結果，對其進行對比分析，如下表2所示。

表2 焊接測試結果對比表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)信息，最終可以得出以下結論：在相同的測試環(huán)境下，對比于傳統(tǒng)的溫度控制法，新型對稱控制分析測試組所得出的可控程度相對較高，表明其對于鋼結構的焊接變形以及焊接應力的控制效果更佳，同時可控程度的提升也是鋼結構焊接穩(wěn)定性增強的一種體現(xiàn)，在焊接過程中，更加有利于形成強度、剛度較高的鋼結構產(chǎn)品，具有一定的實際應用價值。

3 結語

綜上所述，便是對鋼結構焊接變形和焊接應力控制分析的討論。面對高速發(fā)展制造業(yè)，新的鋼結構控制模式可以更加高效地完成鋼產(chǎn)品的制造，同時在原有的基礎上增強鋼結構相對應的強度和剛度，并且大幅度地提升其穩(wěn)定性和安全性，延長產(chǎn)品的使用壽命，也就減少了裂縫的缺陷，逐步推動我國制造行業(yè)向著精細化的方向發(fā)展。