钢结构焊接变形和焊接应力控制研究

金晓鹏

合隆防爆电气有限公司 浙江乐清 325600

钢结构在目前的众多工程施工项目中被广泛地推广使用。在日常生活中钢结构的物件使用颇多，为很多行业提供了重要用途，在进行焊接时难免会有一些问题出现，例如焊接变形等。应对其采取及时有效的措施，避免发生的不良情况带来不必要的麻烦，本文将对此问题进行深入探讨，分析原因并提出相关优化措施。

1 钢结构的特点

（1）钢结构具体分为型钢结构和轻型钢结构，悬索结构也属于钢结构范围，首先钢结构具有自重较轻、材料强度较高的特点，自重轻主要是与其他构件相比在相同的荷载下钢结构会轻很多，其塑性和韧性较强，连带其抗震性较强，材料较为均匀，更加便于生产和工厂生产的加工使用以及在机械化施工中能够便于拆卸，无污染能够实现建筑的可持续发展。在同样的重量情况下，相对于混凝土来讲钢结构对节约自重起到了良好的作用。

（2）材料质地较为均匀，利用钢结构进行工程施工，工程完成的速度相对较快，由于钢结构大多是组装和焊接形成，不需要养护等工作，因此大大缩短了工期。

（3）钢结构的密闭性较为优良，同时还具有可拆卸的功能，尤其是螺栓连接的地方更加便于拆卸。而且钢结构想要挪移较为方便，回收无污染。

（4）钢结构在焊接方面具有良好的使用性能，能够保证在焊接的部位较为完整，不会出现分裂的情况。

（5）钢结构易容易被腐蚀，耐火性较差：当超过一定温度就会产生变形的现象，如果超过更高的温度，例如500℃的情况下，整个钢结构就会瞬间崩塌。

（6）在通常情况下钢结构具有良好的延性，但是当它处于复杂的应力状态时，尤其在低温情况下，可能导致钢结构脆断的现象发生。

（7）由于钢结构本身的强度较大，同时构件的截面较小，尤其受压构件在同样承受压力的情况下更容易造成失稳的现象。因此钢结构的稳定性较差。

2 钢结构焊接变形和焊接应力产生的原因及危害

在钢结构的焊接过程当中由于钢结构构件的形状及焊缝长度位置不同，在进行焊接时容易造成不同形式的变形状态。首先形成纵向残余应力的原因是由于在钢结构进行焊接时在焊缝的区域会形成一种较高的温度场，并且在整个板件上面温度的分布是不均匀的，在焊缝的位置处温度较高，远离焊缝的位置温度较低，温度形成了一种梯度的形式，温度的梯度就会形成强弱分布不均匀的现象。对于钢结构来讲，温度越高，强度就会随之降低，所以中间的强度低、周边的强度高，就会造成强弱分布不均匀，在升温和降温时会导致一些变形的约束[1]。以升温为例在焊接的时候中间形成很高的温度，由于热胀冷缩中间部位的钢材就会发生往旁边鼓胀的现象。但是如果中间温度低，周边温度高，钢材无法向外挤出，此时在这种高温下就会形成压缩变形。在焊缝焊完之后，温度散失，此时中间的部分由于热胀冷缩的原理就会向中间收缩，焊缝处的收缩变形会受到周边钢材的约束，在此区域就会形成拉应力，在焊缝处有了拉应力，在没有外荷载的情况下断面上的内力为零，在焊缝的位置处有了压应力，在远离的区域中就必然形成拉应力，拉压才能平衡，这种自平衡的应力被称为内应力，也就是残余应力。因此纵向焊接残余应力的主要来源就是温度分布的不均匀。与纵向残余应力相同的原因在横向也会产生残余应力，对于横向而言，综上所述两种残余应力的叠加就形成了最终的横向残余应力。如在两块钢板中，中间有一条焊缝将其焊死，焊缝进行纵向收缩时会产生变形的趋势，焊缝自身在横向中也会存在温度分布不均匀、收缩被约束的现象。随着钢结构使用范围越来越广，例如大跨度结构和超高层的建筑都在使用钢结构，钢板的厚度有时候就会很夸张，有些工程在使用钢板的厚度已经超过了标准要求，由于太厚的钢板没有办法一次性焊接完成，就要进行分层焊接，使焊缝的表面会存在一些杂质，在不断的进行分层焊接之后，形成焊缝，就会使最下面的焊缝先进行冷却，对上面的焊缝就会形成约束，这种约束在厚度方向就会产生残余应力，产生塑性的压缩变形。钢结构的焊接变形和残余应力会造成钢结构强度降低，减弱了钢结构构件的有效截面积，使受压构件的稳定可靠性大幅度降低。容易造成构件损坏，对钢结构焊接加工的精度受到不利影响，破坏钢结构质量。

3 针对焊接变形及残余应力的优化措施

3.1 降低焊接应力的措施

（1）首先焊缝应尽量布置在工作应力较小的位置，避免焊缝密集交叉等现象发生。或采用局部降低刚度的办法，例如打开应力槽进行应力释放，或采用合理的接头形式，避免采用搭接接头，在必要时可采取振动等措施就行消除或降低焊接应力。其次对于其设计机构进行优化完善。

（2）对焊缝尺寸和焊接顺序进行合理安排，根据实际情况进行合理化设计，降低焊缝应力与变形产生的影响。

（3）在进行焊接时对其工艺进行分解施工，减小焊缝之间的拘束度。根据钢结构的实际情况，降低焊缝间的约束力，避免不能进行自动收缩的情况，通过分解焊接，提高焊接的精准度。

3.2 预防焊接变形的措施

（1）进行合理的焊接结构设计：合理安排焊缝的位置；合理选择焊缝尺寸和形状；尽可能减少焊缝数量，减少焊缝长度。

（2）对焊接工艺进行科学合理选择，对焊接的方法要进行严格规范，使焊接的顺序和方向按照标准进行，将焊件固定在平台上进行焊接，通过合理的方式在一定程度上增强焊件的刚度[2]。避免焊接变形。

（3）从焊接位置入手，确定好焊接的位置，根据坡口形态选择相对应的焊接方法，将位置控制在要求范围之内，选择合理的焊接方法进行作业。

（4）对钢结构焊接流程进行优化：在使用材料上确保一致，重视焊接前期预热，进行焊接试验，确保无误后进行焊接工作。

4 针对钢结构焊接质量的检查步骤及方式

（1）在钢结构进行焊接前期对将要进行焊接的整个过程以及环境进行仔细检查，保证焊接场所能够避免不利因素产生的破坏，对焊工的操作资质进行审查，保障其条件符合将要开展的工作。对操作人员以及各方面进行有效监控。通过相关专业人员或仪器等对焊接的外观及焊缝的外形尺寸进行检测，查看其是否符合标准要求。对相关容器进行密封试验及检查焊缝的内部是否存在缺陷，及时发现问题，对焊接施工的工作开展奠定良好的基础。对于原材料的质量进行控制，保证使用的原材料符合相关标准。在选择焊接工艺时要对工艺进行试样检验，择优选择相应合理的焊接工艺。

（2）在焊接的过程当中也会产生新的缺陷，随着设备使用时间的增长会不断地扩展，最终会导致焊接结构的破坏，因此在焊接过程当中，对关键性、具有危险性的构件要进行定期检验，保证在操作时的安全性。在焊接过程中对温度及可能产生的变形进行有效控制，保障焊接设备的正常运行。

（3）在焊接结束之后用焊接检验尺测量焊接余高、焊瘤、凹陷、错口等[3]。对焊缝表面出现的问题及焊件的变形量进行科学检测。对焊接完毕检测得出的结果资料进行内容的评定，对存在问题的部分进行数据采集分析，保障每一项的质量过关，对焊接过程当中不符合要求的进行科学手段的修补，在修补过后再进行复查。对复查之后评定合格的部位进行标注记录。

5 结语

对钢结构的焊接变形和焊接应力情况进行有效的防控和检验具有十分重要的作用。本文通过对钢结构特点的阐述，分析了钢结构产生焊接变形和焊接应力的原因及其危害，并对此提出了相应的采取措施和检验方法，在进行实际操作时，工作人员应确定出现焊接变形和应力的因素，及时采用有效措施对其进行防控，通过合理的焊接工艺提升钢结构焊接的精准度。