钢结构焊接残余应力及变形控制分析

陈岳

中核检修三门分公司 浙江台州 317109

在钢结构加工中，焊接作为应用比较普遍的操作技术，在钢结构加工中应用焊接技术，能够加快操作速度，使钢结构加工更加便捷，节约大量的钢材。当下的焊接技术，已经过了层层优化，较之传统工艺，大大节省了人力物力，避免过多损耗，所制造的设备也符合核电生产的技术要求。但焊接的过程，其间极大概率会产生焊接残余应力，影响设备成品的功能，甚至造成一定的安全隐患。按照以往的经验，焊接制造工艺的残余应力，其诱因多是由于焊接设备受热和冷却条件不均匀，导致整体出现热胀冷缩，产生形态变化，与预期安装参数不符，而安装不牢靠便会让核电设备运行带有风险。所以在钢结构焊接加工中，必须严格控制残余应力，制定完善的解决策略[1]。

1 什么是钢结构焊接残余应力

1.1 具体定义

在焊接钢结构焊件时，其中产生的热应力、相变应力以及加工应力完全超过屈服极限，将会导致钢结构焊件在冷却之后内部存在剩余能量，这种能量就叫做焊接残余应力。钢结构在焊接时，如果没有注意控制施工现场的温度，温差过大将会导致钢结构发生局部形变以及比容不同组织，这属于重大的建造事故。更严重的后果，在后期可能会导致焊接部位开裂与应力腐蚀等等一系列问题，核电设备的工作受到干扰，不仅危害了现场操作人员的生命安全，更是核电企业无法保障健康发展。为了保证钢结构焊接的可靠性，在测量钢结构焊接应力时，可以采用中子衍射、X射线衍射、小孔法、轮廓法、盲孔法等多种方法，进而了解钢结构焊接连接的稳定性和强度，制定合严谨的焊接计划，尽量避免焊接残余应力产生[2]。

1.2 产生的原因

随着我国化工业的大力发展，各个工厂大量兴起，但本行业始终缺乏专业操作工艺的指导，焊接质量良莠不齐，这就导致了残余应力的产生。由于缺少科学的焊接手法，钢结构经常出现受热不均匀的现象，其内部极易在作业时出现纵向或者横向残余应力。除此之外，还有个别管理人员缺乏专业的技术素养，对整个作业环境和工艺考虑不周，也导致了严重后果，以下几点需得焊接项目人员吸取教训，严加施工。

钢结构材料性能以及力学性能不达标。这是由于项目人员的专业还是不达标，在焊接材料的选择环节就出现了偏差。这一步骤务必明确一点，不同的金属材料钢结构对于温度感应的耐受程度不同，相同的温度无法让所有钢材焊接成预期的结构；而且实际操作中，焊接位置的密度、导热系数、热膨胀系数以及焊接的角度等工艺都会最终焊接成果产生较大影响，如若操作不当，便会产生一定的残余焊接应力。

实施双面焊接固定，此方法不同于传统的焊接手法，能极大地提高钢结构的焊接效率，并且优化坡口设计，但其建造参数需要严加审核确保万无一失；半自动焊接，此方法同样可以提高焊接的效率，但更加容易出现钢结构焊接不完整的现象，还不便于调整施工位置，此方法一般根据实地考察之后按需选择；气体保护的焊接方式，此工艺对焊接水平要求很宽松，焊接步骤精简并且能做到钢结构焊接完整，美中不足的是需采取坡口焊接或其他变形控制措施才能防止焊接制造中的变形。具体的焊接工艺，是根据建造现场的实际情况来选择的，不合时宜的焊接方式，会无法让钢结构发挥出固定耐用的功能，设施作业会有一定的安全隐患，所以领导者和施工人员要慎重做出决策。

理解了焊接的流程，具体的操作手法更是决定着核电设备钢结构焊接制造工艺的整体质量，还要控制焊接工艺的应用过程，避免重大的质量问题。焊接生产过程的具体要求如下：控制偏差和规范以外的误差，铁路结构焊接过程中各尺寸的规划，厚度变化必须满足钢结构基本构件的要求，也满足核电作业要求的施工标准，合理控制焊缝生产的温度和热输入值。

2 钢结构焊接残余应力以及变形控制的措施

核电设备钢结构焊接制造工艺中经常会出现设备承重程度过大、受热面积不均匀甚至焊接供热异常等现象，这些都会影响钢结构的铸造，产生残余应力，使其达不到预期设计效果。严重时会发生变形，产生扭曲，不能安全地进行建筑材料和重物的定点运输工作，此时就要制订具体的安全操作措施。

2.1 控制材料用量

核电设备钢结构焊接过程中，每次投放钢材的量要进行合理控制，能更好地避免因下料过多或不足而引起的钢结构焊接制造中的变形。以标准范围的用量来进行焊接工作，可以确保建筑工艺能发挥最大的效果，钢结构保持稳固不变形，可以让设备运行得更加平稳流畅。

2.2 注意控制焊接参数

核电设备钢结构焊接制造中各项输入值都有明确的值，不可超出给定的范围，此举有利于实现变形控制，避免钢结构焊接制造时因过热或力度不足而导致焊接作业不完整。这其中最需要控制的一项参数便是热量输入的多少，过热会导致钢材熔化，温度不足则钢材无法通过焊接变成我们想要的结构，所以我们要适当地控制热量的输入，一方面确保熔透的效率，另一方面排除焊缝中的缺陷，保障焊接参数准确后，才能限制钢结构焊接制造的工艺环节，以免出现焊接变形或制造缺陷。

2.3 理清焊接工序

核电设备钢结构焊接制造工艺需要井井有条地开展，混乱的焊接顺序会让工期延长，还会影响焊接的质量产生残余应力。这一步骤要注意的是装配焊接的过程中，切不可在建筑材料装配时作业，这样由于机器的运转，会导致焊接不到位。核电设备在复杂钢结构中的焊接工作开始前，要严谨地制定一系列的焊接方案和应急备案措施，将焊接的顺序理清。具体操作时应该从其底座开始，将每一个设备接口焊接牢固，保证核电设备钢结构焊接制造工艺的有序进行[3]。

3 结语

核电设备在建造时原材料的质量与结构合格与否决定着项目整体的工作进展，这其中钢结构的焊接工艺就起到决定性的作用。为了有效控制钢结构焊接残余应力与变形问题，所以焊接工艺要进行严谨的规划，必须要选择科学合理的焊接工艺，采取优化的设计和控制，使其符合钢结构的技术及施工要求，让国家的核电化工行业的发展得以顺风顺水。