钢结构焊接变形控制技术

李根 张旭旭 王龙

摘要：现代建筑钢结构复杂，焊接工艺繁琐，焊接过程中会有许多焊缝交错。钢结构焊接接头是经常发生紧急集中的地方，会伴随残余拉应力。这是疲劳裂纹的开始，它将在残余应力下进一步扩展。建筑钢结构在焊接后将部分受力叠加到焊接残余应力上。在残余应力和腐蚀介质的作用下，建筑钢结构的使用寿命进一步缩短，出现腐蚀疲劳现象。基于此，本文主要对钢结构焊接变形控制技术进行了简要的分析。

关键词：钢结构;焊接变形;控制技术

引言

钢结构焊接作为工业生产体系的重要组成部分，受制于传统焊接方法以及技术方案，现阶段工作人员在开展焊接作业的过程之中，极易发生各类病害，导致工业钢结构的稳定性与安全性受到极大的削弱。为了有效应对这一情况，提升工业钢结构焊接效能，实现钢结构焊接病害的科学控制，强化工业生产能力，进一步促进工业生产体系升级。

1钢结构焊接变形原因分析

使得钢材在高温条件下会发生体积膨胀，导致钢材焊接的接口处极易发生变形，从实际情况来看，工业钢结构焊接变形可以划分为横向收缩变形、纵向收缩变形、角变形、挠曲变形等类型。工业钢结构在焊接过程之中，产生的高温使得焊接钢材的焊接部分与未焊接部分在温度上产生一定的差异，进而在钢材内部产生焊接应力，这种应力如果超过合理的范围，将会导致钢结构发生变形[1]。由于应力方向的不同，产生了纵向收缩变形与横向收缩变形两种，具体来看纵向收缩变形发生在工业钢结构焊接处的纵向位置，在纵向位置上发生收缩变形;横向收缩变形则发生在工业钢结构焊接处的横向位置，在横向位置上发生所收缩变形。工业钢结构角变形的发生是由于钢结构在焊接过程之中由于工作人员不合规的操作导致焊接位置发生结构移动。挠曲变形通常情况下，表现为钢结构焊接处发生拱状弯曲，并且变形程度存在一定的差异，从实际情况来看，钢材质量的好坏是影响挠曲变形的重要因素。工业钢结构焊接过程中时常会咬边病害，所谓的咬边是指焊接边缘出现凹陷，目前形成工业钢结构焊缝咬边的原因是多方面的，具体来看，焊接过程中，电流过大、运条运行速度过快以及电弧过长等因素，使得焊件被熔化之后形成一定的深度，而这一深度并没有被填充金属及时填充完全，导致结构凹陷。咬边病害导致钢结构接头的工作截面大大降低，使得工业钢结构咬边外部应力逐步集中，工作截面所受荷载增加，破坏了钢结构的稳定性，对钢结构焊接质量带来消极影响。

2钢结构焊接变形控制技术

2.1焊接过程控制

2.1.1焊接电流及电弧电压控制

在钢结构关键节点的焊接工作中，要有焊接工艺的标准和要求进行焊接工作，下面是热输入公式的计算方式：热输入=0.06×电弧电压×焊接电流÷焊接速度。另外，如果电弧电压，焊接电流超过一定的数据，热输入就会随之变大，就会造成焊接的收缩量加剧。下图是某项目部分关键节点焊接使用的电弧电压和焊接电流范围表。为此，从上面的环节工艺得出，进行焊接的过程中，电弧电压和焊接电流要保持在一定的范围内，如果高就会出现焊接变形，若过低焊丝和母材无法得到融合，为此，进行焊接的过程中，需要焊接和QC人员首先要按照焊接的工艺严格进行焊接流程。

2.1.2焊接顺序控制

在钢结构重要节点上，焊接都是必须要使用正确的焊接流程进行焊接的，不仅要确保焊接的质量，同时还要避免焊接出现变形。针对单面坡口的焊接工作，要使用分段焊接的形式，降低焊接变形的几率;针对双面坡口焊接，要使用焊接此类节点，进行完正面焊接后对后面进行焊接，确保两面都均匀焊接。

2.2焊后调直控制措施

2.2.1机械调直

机械调直主要是利用機械矫正设备进行操作，在进行预制过程中运用到矫正组合梁上。一些局部机械调直是要利用液压千斤顶。进行液压千斤顶调直的过程中，不要采取在焊道外直接加压或者在机械调直过程中加热。针对板对接焊进行焊接变形要使用液压机来实际操作，如果要用液压机进行调直，不要再焊道处直接加压或者机器调直，同时不要进行加热。在进行机械矫正最大的变形坡度为2或是比例为1：24。若变形超过这个范围，就需要加热调直工艺。

2.2.2热调直

因为构件在焊接中会出现变形就要采取热调直。针对手工热调直，就需要在加热前，在加热的区域用笔进行标识做上记号，不要再焊道外采取加热的处理。另外，焊趾到火焰顶端的位置mm是不能进行加热。在热调直的过程中，不能进行水或者水雾采取冷却的处理。在热调直的方法上，有面加热，点加热和线加热，三种形式可以针对不同形式的变形来采取调直。热调直的温度一般比较严格，针对调质钢不允许超过600℃（1100℉），针对TMCP钢不得超过580℃（1076℉），其他种类的钢种不得超过650℃（1200℉）。钢材的温度在315℃以上，此时不能进行冷却处理。一般情况下测量的温度要保持在钢材距离火焰位置75mm。

2.3残余应力调控工艺

残余应力是引起钢结构焊接变形的因素之一。减小残余应力可以有效地减小钢结构的焊接变形。由于钢结构温度场集中在焊缝内，冷却后的残余应力集中在焊缝内。初始焊接温度、焊缝与焊缝之间的距离、最高温度、有效加热半径和试件厚度是影响钢结构焊接的所有条件。为了探讨残余应力在建筑钢结构中的控制作用。1）对焊钢结构焊缝附近的残余应力较大，而其他区域的残余应力随着与焊缝距离的增大而减小。对接焊缝区为残余应力集中区，应力形式为焊缝两侧的压应力，作用范围较小;中部为拉应力，作用面积较大，但数值较小。在计算机模拟过程中，发现通过改变试验点和试件尺寸，残余应力发生变化，这表明在实际焊接过程中，应将焊件尺寸作为描述残余应力的参考因素，通过选择合适的焊接工艺参数，可以减小残余应力的影响。在控制变形的过程中对焊接件尺寸进行限制。3）对焊钢结构在初始加热阶段会出现残余应力。目前下降的趋势是先快后缓，焊趾处于横向残余应力的峰值，这是变形的来源，也是控制变形的关键。4）平行热处理纵向残余应力的降低程度大于横向残余应力。该方法适用于纵向残余应力较大的焊接方式。钢板对接变形的主要原因是纵向残余应力。平行加热可以减小纵向残余应力的影响，不同焊接方法对应的方法可以减小残余应力的影响。

结束语

综上所述，为了确保工业钢结构焊接施工活动的有序开展，减少病害危害性，保证整个焊接质量，促进工业产业生产体系升级。文章以钢结构焊接作为切入点，在分析焊接病害的基础上，分析病害成因，在此基础上，采取科学高效的控制手段，有效应对工业钢结构病害，延长工业钢结构使用寿命，提升钢结构焊接效能，为后续工业加工活动的进行创造了便利条件。

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）