淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與控制矯正

張建山，鄔常保，陳海濤

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在海洋石油平臺、導管架、LNG模塊的建造過程中，成千上萬個金屬桿件通過焊接連成一體。其中諸如立柱拉筋管、規(guī)格大于300*300的型鋼、吊點等重要的工作焊縫，焊接工藝上會要求開坡口全熔透焊。金屬構(gòu)件的焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，會在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力，大量的焊接工作必將導致結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形、產(chǎn)生尺寸誤差，嚴重的還會降低構(gòu)件的強度和剛度。生產(chǎn)中要通過不斷實踐總結(jié)，找出變形規(guī)律，逐步掌握控制變形和矯正變形的技術(shù)。

1 焊接變形的形式與原因

鋼結(jié)構(gòu)焊接后按結(jié)構(gòu)變形的情況可分為兩種類型：即結(jié)構(gòu)的整體變形和局部變形。結(jié)構(gòu)的整體變形包括：整個結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化、對角線長度不等。局部變形表現(xiàn)為彎曲、扭曲、波浪變形、角變形等。

1.1 常見焊接變形基本形式有以下幾種

（1）焊縫的縱向收縮導致構(gòu)件長度變短、焊縫的橫向收縮導致構(gòu)件寬度變窄。

（2）板材開坡口對接，以及工字鋼、T型材腹板與翼板的角焊縫，焊接后產(chǎn)生的角變形[1]。

（3）由于焊縫的縱向和橫向收縮相對于構(gòu)件的中性軸不對稱，引起構(gòu)件的整體彎曲變形。

（4）構(gòu)件焊接后的角變形沿構(gòu)件縱軸方向數(shù)值大小不一，以及構(gòu)件翼緣板與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形。

（5）薄鋼板焊接后，母材受壓應(yīng)力區(qū)由于失穩(wěn)致使鋼板沿焊縫起伏不平的波浪變形。

這幾種是焊接變形的基本形式，各種復雜的結(jié)構(gòu)變形都是這些基本變形的綜合作用。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的根本原因

焊工對鋼結(jié)構(gòu)件實施焊接時，高溫的焊接電弧延焊縫移動。這會使焊道以及熱影響區(qū)溫度升高，其他大部分金屬不受熱。受熱金屬膨脹，周圍不受熱金屬不膨脹，所以受熱金屬的膨脹就會受到制約和抑制，產(chǎn)生壓應(yīng)力。而焊后冷卻時，焊道和焊道附近的金屬因收縮變短，此時又會被周圍沒有受熱的金屬限制，不能自由進行，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。當焊縫冷卻產(chǎn)生的收縮作用力超過構(gòu)件的最大屈服極限時，就會使焊接件發(fā)生變形。

2 影響結(jié)構(gòu)焊接變形的因素

影響焊接變形量的因素大致可分為設(shè)計和工藝兩個方面，綜合分析各因素對焊接變形的影響，掌握其影響規(guī)律，可提前做好防變形措施，達到預期焊接效果。

（1）焊縫的布置：若結(jié)構(gòu)設(shè)計的焊縫沿構(gòu)件截面分布不對稱，則構(gòu)件在焊接后會產(chǎn)生彎曲變形。平臺甲板片預制時，主梁與次梁連接、梁格上翼板與甲板焊接。這兩種情況焊縫在中性軸偏上，從而會引起甲板片的整體上撓變形。

(2)基爾莫市擋水壩。澳大利亞基爾莫市，于1996年修建一座均質(zhì)土擋水壩，壩高為13 m。蓄水使用后發(fā)生了管涌破壞，滲流沖蝕成孔洞，發(fā)展成貫穿性通道，直徑達到11 m。經(jīng)過技術(shù)修復后，在下游處再次出現(xiàn)直徑為0.15 m空洞，引發(fā)管涌破壞。

（2）焊縫截面積的影響：構(gòu)件組對時坡口角度越大、間隙越大，焊縫截面積也相應(yīng)增大，焊接時需填充更多的金屬，焊后的變形增大。

（3）焊接熱輸入的影響：焊接作業(yè)熱輸入越大焊后引起變形越大，熱輸入過大還會影響焊縫質(zhì)量。

（4）焊接方法的影響：鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的有手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊電阻焊幾種方法，在其他條件如焊縫面積等相同情況下，氣體保護焊熱輸入最小，焊后變形也相對最小，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

（5）結(jié)構(gòu)的剛性對焊接變形的影響：構(gòu)件材質(zhì)以及截面形狀、大小決定結(jié)構(gòu)的剛性。剛性較小的結(jié)構(gòu)，抵抗變形的能力小，焊后變形大；剛性大的結(jié)構(gòu)，抵抗變形的能力大，焊后變形較小。

（6）裝配焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀翰扇〔煌难b配焊接順序，結(jié)構(gòu)的變形也會完全不同。整體裝配完再進行焊接，其變形一般小于邊裝配邊焊接。

在日常生產(chǎn)時，由于不同條件、因素綜合作用，焊接變形的規(guī)律比較復雜，需要先掌握各因素單獨作用引起的變形情況，才能對構(gòu)件變形的具體問題采取措施[2]。

3 焊接變形的控制措施

（1）提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，在保證結(jié)構(gòu)承載能力的情況下，設(shè)計時采取較小的焊縫尺寸。同時要盡可能的去除不必要的焊縫，力求結(jié)構(gòu)中的焊縫數(shù)少，減少焊接量。焊縫位置也要合理安排，盡量使焊縫靠近中性軸，或者與結(jié)構(gòu)截面的中性軸對稱。

（3）對于焊接量大的構(gòu)件，在下料時對長度方向加量，每米加1mm，補償焊縫縱向收縮變形。鉚工組應(yīng)考慮焊接收縮量，焊前尺寸要大于設(shè)計尺寸，保證焊后尺寸符合要求。

（4）優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。焊接時根據(jù)WPS上的規(guī)定，選用較小的焊接參數(shù)（電流、電壓等）。

（5）厚板對接時采用多層多道焊，對接X坡口開成大小坡口，先焊接大坡口面，焊到背面能清根時，然后采用碳弧氣刨清根、焊接背面。焊接完成后兩面焊接量基本相等，焊后變形較小。

（6）反變形法：提前分析焊接后可能產(chǎn)生變形的方向，把焊接件在焊前做相反方向的變形，反變形的量值可以經(jīng)驗估算或是通過做實驗件獲取。例如在海洋平臺甲板片預制時，甲板與梁的焊接會造成甲板片翹曲。在焊接甲板前，對甲板片做反變形，使之中間高，四角低（70mm～100mm），效果良好。

（7）剛性固定控制法：眾所周知，剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少，對剛性小的焊接件使用裝配夾具、增加臨時支撐或點焊固定等強制手段固定住，提高焊接件剛性，限制焊接件發(fā)生變形。等焊縫全冷涼透再打開固定，焊后變形量較小。此方法使用方便，但會使焊縫區(qū)域產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，適用于塑性較好的低碳鋼。

（8）縮小溫差法：對焊接件采取焊前預熱和焊后緩冷的措施，使之與環(huán)境溫差減小，降低焊縫冷卻速度，減少焊接變形。

（9）焊工焊接時應(yīng)按順序施焊，如海洋石油平臺甲板片焊接的焊接順序：先大梁，后小梁，由中間向四周擴展。甲板與工字梁的焊縫類型有板與板的對接縫，板和工字梁翼緣板的角焊縫。要先焊接板對接焊縫，如下圖所示，先焊短焊縫①、②、③、④、⑤、⑥，再焊長焊縫⑦、⑧、⑨。焊接長焊縫時，采用分段退焊法，由中間向外圍依次焊接。待板對接焊縫完成，最后再焊角焊縫。

圖1 焊接時的施焊順序圖

4 鋼結(jié)構(gòu)件變形的矯正

鉚焊構(gòu)件在制造過程中發(fā)生了變形，尺寸超出了公差要求，質(zhì)量留下了隱患。這就需要通過使用外力或者局部加熱的方法，使其發(fā)生一定程度的反變形，從而達到技術(shù)要求所規(guī)定的正確幾何形狀或尺寸。矯正的方法很多，經(jīng)常用的矯正方法可分為機械矯正和火焰加熱矯正兩種方法，或兩種方法配合使用。

4.1 機械矯正法

機械矯正是利用機械設(shè)備施加外力，使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形相反的塑性變形，常用的有矯直機、壓力機、千斤頂、拉鏈等。

圖2 矯直機調(diào)工字鋼變形

圖3 壓力機運行圖

4.2 火焰加熱矯正法

利用火焰加熱變形部位，根據(jù)金屬熱脹冷縮的原理，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反變形，達到矯正目的。加熱矯正法的加熱方法分為點狀加熱、線狀加熱、三角形加熱。用火焰加熱法可矯正很多施力矯正無法解決的變形，熟練掌握火焰局部加熱引起的變形的規(guī)律是做好矯正的關(guān)鍵，選擇正確加熱的位置和加熱溫度會使調(diào)直工作事半功倍。低碳鋼和普通合金的焊接結(jié)構(gòu)通常采用500～650度的加熱溫度，正常情況下不宜超過650度。調(diào)直過程中用測溫槍監(jiān)控，以防加熱溫度過高，改變鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或燒壞構(gòu)件表面。

火焰加熱矯正法具體分為：

（1）點狀加熱法：點狀加熱法多用于薄板結(jié)構(gòu)，加熱點直徑d取5-8倍板厚，使用中性焰加熱，加熱時烤槍嘴不要來回晃，加熱火焰與鋼板保持垂直，加熱點數(shù)量和變形量成正比。

（2）線狀加熱法：火焰沿直線移動、同時做橫向擺動，形成一個加熱帶的加熱方法，在矯正角變形、扭曲變形及筒體直徑過大時會經(jīng)常用到。

（3）三角形加熱法：多用于工字鋼、T型梁的起拱和旁彎變形。加熱區(qū)域呈三角形，三角形的底邊應(yīng)在被矯正結(jié)構(gòu)的拱邊上。一次加熱如未完全消除變形可進行二次加熱，加熱位置應(yīng)與第一次錯開。

圖4 火焰加熱矯正法調(diào)變形

圖5 加熱區(qū)域示意圖

4.3 調(diào)整變形的注意事項

（1）首先要分析構(gòu)件的變形原因，弄清變形是外力還是內(nèi)應(yīng)力引起的，制定一個完善的矯正方案。多種矯正方法并用時，確定好先后順序。

（2）鋼結(jié)構(gòu)件是由多個零部件焊接連成一體，各零部件相互聯(lián)系、相互制約，矯正變形前要先弄清楚各個零部件相互關(guān)系，著眼點必須是一個整體，不能單獨考慮某個零件，忽略相互間的牽制作用。

（3）通過測量，找出構(gòu)件變形的位置，但要注意變形位置有時并不一定就是矯正位置，還需分析找出應(yīng)力集中區(qū)域，對該區(qū)域采取措施，消除內(nèi)應(yīng)力或者使內(nèi)應(yīng)力達到平衡，才能使構(gòu)件變形得到矯正。

（4）先解決主要問題，再解決次要問題，如型鋼存在多種變形時要先調(diào)扭曲，然后調(diào)旁彎，最后調(diào)角變形。

（5）要確認構(gòu)件所用鋼材的性質(zhì)，防止采用的矯正方法不當造成構(gòu)件折斷、產(chǎn)生裂紋或回彈等狀況。

5 結(jié)論

焊接變形對結(jié)構(gòu)件的尺寸及質(zhì)量影響頗大，各零部件產(chǎn)生變形后要采取正確的矯正方法，及時矯正合格，避免誤差越積越大，整體成型后難以矯正。本文所寫內(nèi)容希望可為今后鉚焊工作提供幫助，減少焊接變形，提高生產(chǎn)效率。