钢结构焊接残余应力及变形控制分析

钢结构焊接残余应力及变形控制分析

发表时间：2019-04-28T11:48:28.327Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：商杰1 罗小强2 牛保平3

[导读] 摘要：随着我国社会经济的快速发展，焊接技术得到了有效的创新与改革，逐渐发展为集冶金、材料、结构、电子机械等多门科学为一体的综合性工程工艺类学科，在工艺制造加工、建筑建设施工、设备安装等众多领域得到广泛应用，特别是我公司的石油钻井设备，基本都是钢结构焊接件。

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摘要：随着我国社会经济的快速发展，焊接技术得到了有效的创新与改革，逐渐发展为集冶金、材料、结构、电子机械等多门科学为一体的综合性工程工艺类学科，在工艺制造加工、建筑建设施工、设备安装等众多领域得到广泛应用，特别是我公司的石油钻井设备，基本都是钢结构焊接件。而焊接质量的好坏在焊接应力与焊接变形上有着显著体现。对此，加强焊接应力与焊接变形的研究，实现焊接应力与焊接变形的科学管控，是焊接产品质量的保证。

关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形控制

1 焊接残余应力和变形的原因分析

焊接过程中产生变形问题是会极大程度影响钢材施工整体质量，焊接工艺对钢材施工影响是双方面的，在提升钢结构生产质量同时，对钢材结构产生一定影响。焊接变形无法避免，需要施工人员以合理手段对其进行控制。在焊接过程中由于出现不规则加热和在不均匀冷却情况下，使其内部分子结构发生变化。在钢材刚性约束下，外界力的作用以及组织变化，使其结构产生收缩，从而导致其出现变形情况。

1）焊接应力的产生是导致焊接变形最主要的原因。焊接工件的大小程度，复杂情况会产生大小数量不等的复杂焊缝。在处理焊缝的过程中，就有难以预测的复杂应力产生，从而导致焊接变形。变形度越大那么工件的外观和质量就会受影响。甚至可能会报废，或发生安全事故，造成经济损失。

2）受焊接材料的影响。焊接材料的质量好坏对焊接变形会产生影响。材料基本都是金属，金属本身有特殊的热物理性。焊接材料的热传导系数越大，温度梯度较小，这样焊接变形的几率也就越小。焊接是向母材料焊口加热，让其产生高温，使焊材与母材料完全融合。如果在加热过程中，受热不均匀，都会导致焊接变形。

3）焊接结构的设计。焊接结构因素是焊接变形的最大原因。焊接结构设计非常复杂，工件自身是拘束体，它随焊接而慢慢变化，所以工作的难度比较大。焊接会出现许多数量、接头形式不一样的焊缝。如果钢结构件的结构复杂，焊接变形就更难控制。在焊接产品中一部分结构件设计繁琐，且技术含量要求比较高，因此对焊接的各环节的要求都很严格。假设焊接结构设计不合理，其中随便哪一个地方出现问题，都会出现焊接变形的情况。

4）没有制定合理的焊接工艺。不合理的焊接工艺会影响产品的质量和生产效率。焊接工艺也考验操作者的技能水平，所以对焊工的要求也必须要高。焊接时所需要的工艺参数、工件的固定、焊接的前后顺序，怎么选择合理的焊接设备，等各方面都是焊接工艺对焊接变不变形的重要影响部分。这就需要丰富的理论知识和实践经验的焊工或专业的工艺部门来制定合理的焊接工艺。

2 控制对策

2.1 焊接应力的控制措施与策略

控制焊接应力的方法有很多，较为常用的方法主要有以下几种：（1）采用振动时效法消除焊接残余应力，实现焊接应力的有效控制。即应用偏心轮与变速电动机构成激振器根据钢结构外形特征以及产生应力的实际情况，在应力产生部分给予适当的振动，从而使钢结构产生循环应力，实现构建内部残余应力的有效消除，提升构建结构的稳定性。（2）利用间断焊接法进行焊缝应力的有效控制。例如，在对钢结构进行焊接的过程中，对焊缝进行短时间多次数焊接，让构建始终处于低温状态，从而降低热源对钢结构性能的影响，实现焊接应力的有效控制。该方法的缺点在于所需焊接工期相对较长，但焊接应力控制效果相对较好。（3）对焊缝尺寸进行科学设计，合理安排焊缝焊接顺序。即，在焊接过程中，应根据实际情况与要求适当的减小焊缝尺寸、焊缝坡口角度，从而降低焊缝横截面积对焊缝应力与焊缝变形存在的影响。同时，在焊缝设计过程中，避免焊缝应力集中现象的产生，可尽量采用双面焊接坡口的形式进行焊接实践操作。此外，在焊接过程中应遵循“先焊中间，后焊周边，分段焊接”的原则，进行实践操作。例如，在钢板拼接时，应该先对相互错开的短焊缝进行有效焊接，在进行长焊缝的焊接。在焊接长焊缝时，应从中间向两端进行依次分段焊接。（4）在焊接过程中应适当减小焊缝焊接的拘束度，并对复杂焊接工艺进行分解施工。一般情况下，给予焊接构件的约束力越大，在焊接过程中构件所产生的焊接应力也就越大。对此，在焊接过程中，需根据钢结构实际情况，适当的降低焊缝处的约束力。例如，在对长构件进行焊接时，应避免在组装过程中进行焊缝焊接，同时进行板条拼接时需严格依据拼接工艺要求进行实践操作，并在焊缝焊接过程中，避免不能自行收缩问题的产生。在多大型构件进行焊接时，应根据实际情况对构建进行科学分解焊接，用以提升焊接简便性与准确性。

2.2 焊接变形的控制措施与策略

焊接变形对于焊接的外观和尺寸都有着较大影响，常见的焊接件变形有初始偏心、扭转以及弯曲等，给钢结构在使用过程中带来变形、扭曲以及弯曲的现象，减少了钢结构的承载能力和整体强度。为了减小焊接变形，应采取以下措施：（1）应从焊接设计阶段入手，根据构建结构形态、焊接要求等进行焊接施工科学设计。在此过程中应对不同焊接类型及其表现形式、特点具有准确的认知，从而选择随适宜的焊接形式进行焊接，科学控制焊缝尺寸，做到焊缝数量最少、尺寸最小、构件结构稳定性影响最低。（2）科学选择焊缝位置，在焊接过程中可根据焊缝坡口形态，选择相适宜的焊接方法，将焊缝位置控制在构件截面对称位置或者是构件或截面中性轴位置，避免焊缝位置出现在高应力区域范围内。此外，根据焊接需求科学选择焊接方法，尽量选用快速焊接法或者是热源较为集中的焊接法进行操作。（3）选择合理的焊接工艺，合理的焊接工艺可以大大减小焊接变形的发生，从而进一步提高焊缝的焊接质量，提升钢结构的强度。一是选择膨胀率大的焊缝先焊接，而后是焊膨胀率小的焊缝；二是选择合适的焊接顺序及方向。如果是在钢结构对称的情况下，应使用对称焊接的方法。三是使用反变形方法提高焊接质量。在进行焊接前留出同焊接变形相反的预变形量，可以有效地避免大变形量的发生。四是要保证受力较大的焊缝在受热后具有一些伸缩量，必须选择受力大的焊缝先焊接，然后焊接受力小的焊缝。五是使用高温回火的方法减少变形，也被称作高温退火。六是在焊接前进行预热。具体方法是把焊接件的局部进行加热（温度应保持在100~300℃之间），另外还要让焊接件在焊接后保持这个温度以相应的时间，这样做可以大大减少因温度变化太大而引起的焊接裂纹。