有效控制鋼結構的焊接變形及應力的探討

趙會偉，姚小彬，劉殿民，王學伍，張 玲

鋼結構以其自身所具備的諸多特點，在石油企業得到廣泛應用。對鋼結構焊接時，會產生塑性變形和殘余應力，由此導致鋼結構的安全性、耐久性下降。為此，要對鋼結構焊接變形與應力產生的主要原因加以分析，并采取行之有效的方法和措施，對焊接變形及應力進行控制，提高鋼結構的整體質量。借此就有效控制鋼結構的焊接變形及應力展開分析探討。

1 鋼結構焊接變形與應力的產生及影響因素

1.1 焊接變形

在鋼結構焊接時，焊縫及其周圍的金屬，受到高溫的作用，自由變形遭到約束，由此便會產生出塑性變形，它的產生主要與以下因素有關：焊接工藝、焊接參數以及焊接順序等，同時母材的材質和性能也對塑性變形具有一定的影響。除此之外，焊接線能量是引起塑性變形的重要原因之一。鋼結構的焊縫既可單次，也可多次焊接成型，多層焊由于焊接線能量小于單層焊，所以其產生的塑性變形區域面積也比單層焊小，但是多層焊引起的變形量卻大于單層焊。

1.2 焊接應力

鋼結構焊接應力以焊后的殘余應力為主，它的產生需要一個重要的前提條件，即塑性變形。當鋼構件所受的機械力大于自身的屈服強度時，構件便會在機械力的作用下，產生塑性變形，隨著載荷的逐步消失，在構件中會出現殘余應力。焊縫及其周圍的金屬在高溫的影響下，自由變形受到阻礙塑性變形隨之產生，由此會使應力變化受到影響。換言之，鋼結構焊接中變形與應力有著密切的關聯。

1.3 影響因素

大體上可將影響鋼結構焊接變形的主要因素歸納為以下幾個方面：焊縫的截面積、焊接方法、熱輸入、接頭形式等。

1.3.1 焊縫的截面積

在鋼結構中，每一條焊縫都有自己的截面積，具體是指熔合線范圍內的金屬面積。相關研究結果表明，在鋼結構中，焊縫截面積的大小，與焊接變形的發生成正比關系，即截面積越大，焊縫產生變形的幾率就越大，這是因為焊縫在冷卻過程中出現收縮引起的塑性變形量比較大。同時焊縫截面積對于縱向變形、橫向變形和角變形的影響趨勢基本一致，是主要的影響因素。實踐表明，焊接件的厚度相同，坡口尺寸大的焊接件收縮變形更大。

1.3.2 焊接熱輸入

所謂的焊接熱輸入具體是指在熔焊的過程中，有焊接能源輸入給單位長度焊縫的熱能，等于焊接電流、電弧電壓、熱效率三者的乘積與焊接速度的比值。在焊接工藝中，熱輸入是較為重要的技術指標之一。當焊接作業過程中的熱輸入過大時，除了會導致功率消耗增加之外，還會造成咬邊等焊接缺陷，并且該溫度的范圍會進一步增加，導致冷卻速度變慢，接頭部位的塑性變形區間增大，容易引起焊接變形。而焊接時的熱輸入不足，則可能造成未焊透的情況，焊接點的強度會受到影響，焊接質量隨之下降。

1.3.3 焊接方法

不同的焊接方法在焊接作業時的熱輸入量有所差別，相關研究結果表明，埋弧焊是除電渣焊以外焊接熱輸入最大的一種焊接方式，如果焊接截面積相同，則焊接時產生的收縮變形也比較大。相對而言，二氧化碳氣體保護焊、手工電弧焊的熱輸入要小一些，收縮變形也相應較小，產生焊接變形的可能性比較低。

1.3.4 接頭形式

焊接的接頭形式與變形存在一定的關聯，當熱輸入、截面積、焊接方法等條件全部相同時，不同的接頭形式，對變形的影響存在差別。如表面堆焊的焊縫收縮會受到諸多條件的限制，從而使得變形較??；搭接接頭的焊縫橫向收縮與堆焊形式存在一定的相似之處；在單層焊的前提下，對接接頭的橫向收縮要大于堆焊形式，而在單面焊時，由于坡口的角度比較大，使得板厚的收縮量隨之增大，角變形較大。

2 鋼結構焊接變形及應力控制的有效措施

2.1 焊接變形控制

2.1.1 控制方法

根據鋼結構焊接變形的產生原因，可以采取如下方法，對焊接變形進行有效控制，減少并避免變形問題的發生，提高鋼結構的焊接質量。

（1）為有效控制鋼結構焊接變形問題的產生，可在焊接作業的過程中，采用剛性固定法。該方法通過特定的工件，如卡具、胎具等，對焊件進行固定，由此能夠使焊接變形進一步減小。剛性固定法在石油企業大型裝置框架鋼結構焊接作業中應用較為廣泛，借助外力對焊件加以約束，使變形得到控制，焊接質量隨之提升。

（2）在鋼結構焊接中，可以采用反變形法對焊接變形進行控制。所謂的反變形就是在施焊前，將焊件裝配成與焊接變形相反方向的預變形，然后通過正常的焊接，來消除預變形，以此來抵消焊件在焊接中產生的變形問題。該控制方法與剛性固定法聯合使用效果更佳。

（3）對焊件施焊時，焊接能源輸入到焊縫上的熱量與焊接變形存在密切關聯，通過減小焊接能源，即焊接電流，能夠使輸入給焊縫的能量隨之減少，從而達到控制焊接變形的效果。大量的鋼結構焊接實踐表明，坡口形式適當，能使填充金屬的容積顯著減少，由此可以減少輸入給焊縫的能量。如，在對厚度較大的鋼構件進行焊接時，可以選擇X 型坡口，也可在確保焊接質量的基礎上，縮小坡口的尺寸。

（4）鋼結構焊接過程中，合理的焊接順序能夠避免焊接變形的產生，這種控制方法具有簡單易行的特點，在焊接變形控制方面效果較為明顯?？梢圆捎玫目刂剖侄斡蟹侄翁负蛯ΨQ焊等。

（5）在鋼結構制作的過程中，設計方法對制作質量具有直接影響，焊接節點設計的不合理，極有可能引起焊接變形。為有效控制鋼結構的焊接變形，可以采用強化焊接節點構造的方法，實踐表明該方法在焊接變形的控制方面效果較好。具體做法是在鋼結構焊接節點設計時，采取相應的措施，最大限度減少節點的數量，以此來達到減低焊接尺寸的目的，隨著焊接尺寸的縮短，焊接變形問題將會隨之消除。在鋼結構的制造中，焊接節點具有重要作用。故此，要控制好焊接節點的數量、尺寸以及接觸面積，避免焊接變形的產生，確保鋼結構的整體穩定性。

（6）在一些大型鋼結構的制作中，焊接變形問題比較常見，這是因為大型鋼結構焊接時，對焊接工藝的要求比較高，若是選用的焊接工藝不合理或是不匹配，則很難使焊接質量得到保障，焊接變形便會隨之產生。對于此類情況較為有效的控制方法是合理選擇焊接工藝，確保所選的工藝與實際任務的要求相符。為實現這一目標，要在焊接作業正式開始前，對大型鋼結構的焊接規范加以分析，了解并掌握規范對焊接的規定，明確影響鋼結構焊接變形的主要因素，如焊接操作、焊接參數等，可以將全面焊接工藝作為首選，大量的實踐表明，該工藝的運用，能夠使焊接變形的產生幾率大幅度降低。不同的鋼結構在焊接過程中，會表現出自身的特性，若是焊縫比較長，且選擇的焊接工藝不當，則會在焊接過程中產生裂紋，所以焊接時，正確選擇焊接工藝尤為重要，這是避免焊接變形最為簡單且有效的方法，并且焊接工藝適當，還能使鋼結構的整體質量得到提升。在大型鋼結構中，存在一些復雜程度高的焊接物，由此使得焊接難度隨之增大，控制不好容易引起焊接變形。具體焊接時，作業人員要優選焊接工藝并加以嚴格控制，在既有搭接又有對接的情況下，應當先進行對接焊，然后再做搭接焊，通過不同的焊接工藝和正確的順序，控制鋼結構焊接變形的產生。

（7）焊接節點多是鋼結構較為突出的特點，不僅如此，大多數鋼結構都比較復雜，這樣一來，使得焊接形態呈現出復雜化的特征。鋼結構除了連接焊縫具有一定的難度外，焊接作業量也比較大?；诖?，在鋼結構焊接過程中，尤其復雜的大型鋼結構，要從不同的角度，分析如何控制焊接變形問題，據此編制出合理可行的焊接方案，并利用固定夾具增強整體剛度，隨著剛度的增大，可以使焊接變形得到有效控制。

（8）為了確保鋼結構的整體穩定性，需要在其內部進行大量的焊接作業，由此使得鋼結構內部的焊接數量相對較多，并且很多焊縫的尺寸也比較大，在這一前提下，導致焊接作業時需要輸入的熱量增加，焊接變形問題隨之產生。對此，可以采用控制焊縫數量和尺寸的方法，減少焊接變形。要在全面分析焊接工藝的前提下，選取適宜的坡口尺寸，避免因焊縫尺寸過大，增加變形的幾率。要使焊接節點處于構件截面的適當位置，同時，要選取合適的節點形式，不使用交叉節點，防止焊縫集中引起焊接變形。

2.1.2 控制措施

鋼結構焊接中，焊接變形很難避免，不僅如此，在各種因素的共同作用下，使得變形呈現出復雜化的趨勢。為解決焊接變形問題，可在作業時采取如下控制措施：

（1）在確保焊接質量的前提下，盡可能減小焊縫的截面積，并按照鋼材本身的屈服強度，選擇適宜的熱輸入，施焊前不預熱，或是降低預熱溫度，以熱輸入量小的焊接方法作為首選，如二氧化碳氣體保護焊等。

（2）當待焊接的鋼板厚度較大時，可以選用多層焊，并在滿足設計要求的基礎上，利用間斷的方法進行焊接。對于正反面都能焊接的鋼構件，可選擇雙面對稱坡口，在多層施焊的過程中，采用與焊件中心軸對稱的順序進行作業。

（3）焊接接頭的形狀為T 形且鋼板的厚度比較大時，可選擇開坡口角對接焊縫來控制變形。通過對焊縫收縮變形的有效補償，能夠使變形問題得到解決，依據焊接經驗，可在H 形縱向焊縫上，預留0.5mm/m ～0.7mm/m 的收縮變形量。

（4）較長的鋼構件焊接后容易出現扭曲變形的情況，對此，可以通過提升構件的裝配精度，使坡口的間隙更加準確。在對焊縫較多的鋼構件進行組焊時，必須選擇合理的焊接順序，以免增大變形的幾率。設計鋼結構時，要盡可能減少焊縫的數量，并縮短長度，使焊縫在鋼結構中的布置合理，焊縫間保持一定的距離，避免形成三軸相互交叉的焊縫，需要特別注意的是，焊縫的布置不宜過于密集。

2.1.3 變形矯正

當鋼結構焊接作業中出現變形問題后，可以采取機械或是火焰的方法對變形加以矯正，具體如下：

（1）機械矯正具有操作簡單等特點，這種矯正方法又被稱之為冷矯正，在產生塑性變形的部位，通過施加外力的做法，形成新的變形，由此能夠使原本的焊接變形被新產生的變形所抵消，進而達到矯正的目的。機械矯正常用的方法有以下幾種：矯正機法、錘擊法等，可以結合實際情況進行合理選擇。

（2）高溫能夠使焊件產生塑性變形，之后的冷卻過程會產生拉應力，變形位置處的應力會隨著冷卻得到釋放，由此便可使變形問題得以消除，這就是火焰矯正的基本原理。這種矯正方法由于需要加熱，所以又被稱之為熱矯正，它的效果與加熱位置和熱量有關，矯正時的火焰產生出來的熱量越大，焊接變形的矯正效果就越好。常用的熱矯正方法有以下幾種：點狀加熱、線狀加熱等，可按照實際需要對熱矯正方法合理選擇，確保達到最佳的矯正效果，消除焊接變形。

2.2 焊接應力的控制

2.2.1 控制措施

在鋼構件焊接的過程中，除了會產生出瞬時的內應力之外，當焊接完畢后，還會產生一部分殘余應力，這種情況雖然具有必然性，但卻可以通過有效的措施加以控制。鋼結構焊接工程中，通常都會將控制的重點放在變形上，致使應力控制常常被忽視，控制焊接變形時使用的卡具和剛性固定措施，雖然能夠解決變形問題，但卻會導致鋼構件焊接后的殘余應力增大。本身剛性較大的構件，變形通常比較小，但隨著內應力的增大，焊后很容易出現裂紋。為此，要采取有效的措施控制焊接應力，降低焊件的局部應力峰值，使應力分布變得更加均勻，具體措施如下：

（1）在不影響鋼架構焊接質量的前提下，通過減小焊縫的尺寸，達到控制焊接應力的目的。鋼結構焊接過程中產生的內應力主要與局部焊接熱循環有關，基于此，要保證焊層的高度適宜，并使焊縫的尺寸保持在合理范圍內，轉變焊縫尺寸大安全性高的觀念。

（2）拘束度是衡量鋼結構焊接接頭剛性大小的重要指標，相關研究結果表明，拘束度與焊接應力成正比。因此，通過減小拘束度能夠達到控制焊接應力的目的。鋼結構焊接作業時，要在較小的拘束度下施焊，在接頭形式的選擇上，以剛度小的作為首選，如翻邊式連接，這種焊縫形式可以更加自由的收縮。需要注意的是，存在殘余拉應力的區域，應防止出現幾何不連續的情況，以免引起應力集中的狀況。

（3）合理的焊接順序和方向能夠控制焊接應力的產生，在角接焊縫中的鋼結構中，為使焊縫能自由收縮，可以先對收縮量較大的對接焊縫施焊，或是對工作時受力大的焊縫先施焊，從而使應力的分布更加合理。鋼板拼接時，要先焊短焊縫，再焊長焊縫，由此能夠增大焊縫在橫向上的收縮余地，對平面布置的焊縫施焊時，要確保焊縫能夠自由收縮。

（4）通過降低焊接接頭的剛度，能夠使焊后的殘余應力有所減小。對剛度較大的焊縫進行焊接時，可借助反變形的方法使接頭的剛度進一步降低，這樣便可使應力得到有效控制?？蓪︿摻Y構適當的部位加熱，經過加熱處理使該部位產生出與焊縫收縮方向相反的伸長變形，冷卻時，焊縫的收縮變得較為自由，焊后的殘余應力隨之減小，達到控制應力的目的。

（5）當一個焊層焊接完畢后，可以通過錘擊的方法，對焊縫金屬進行均勻敲擊，這樣能夠使焊縫產生塑性延伸變形，由此能夠使焊后的局部拉應力被變形抵消。需要注意的是，并不是所有的部位都適合錘擊，根部焊道、坡口內等位置不可錘擊，否則容易引起裂紋。同時低合金鋼的屈服強度超過345MPa 時，也不宜采用錘擊的方法控制應力。

2.2.2 消除方法

鋼結構焊接中產生的應力具有不可避免的特點，而應力會對鋼結構的整體性能造成不利影響，所以要采取有效的方法消除應力，具體如下：

（1）通過整體高溫回火的方法能夠使鋼結構焊接中產生的應力得以消除，當焊件加熱至一定的溫度后，使其保持這個溫度一段時間，之后讓焊件自然冷卻至室溫。焊件高溫回火時，要對加熱速度、恒溫時間有效控制，從而達到消除應力的效果。將溫度升到300℃，恒溫時間可以按照鋼材的質地予以確定，如碳素鋼與合金鋼的恒溫時間應不少于30min，鋼材的厚度增加，恒溫時間相應增加。

（2）部分鋼結構可以采用局部回火的方法消除焊接應力，對焊縫區域應力較大的部位進行加熱，使其達到一定溫度，并在該溫度下保持一段時間后，自然冷卻。該方法適用于管道及長筒形的壓力容器。雖然局部回火無法使鋼結構焊接的殘余應力全部消除，但卻能夠使應力的峰值有所降低，應力的分布會變得更加均勻，對鋼結構的影響程度隨之減輕。局部回火的應力消除效果與加熱區域內溫度分布的均勻性密切相關，在加熱寬度足夠的情況下，能使應力消除效果達到最佳程度。局部回火時，可以采用以下加熱方式：氣體火焰、紅外線等。

（3）鋼結構焊接完畢后，可以對構件施加荷載，這樣能夠使原本具有拉伸殘余應力的區域，產生出拉伸塑性變性，當卸掉荷載后，焊接殘余應力便會隨之降低，由此能夠達到控制焊接應力的目的，這種方法被稱之為機械拉伸法。采用該方法消除焊接應力時，施加的荷載越大，被抵消的塑性變形就越多，焊后殘余應力消除的越徹底。壓力容器消除殘余應力的過程比較簡單，只需要在室溫條件下進行液壓試驗即可。需要著重闡明的一點是，開展液壓試驗時，選擇的介質溫度應當高于容器脆性斷裂的臨界溫度，這樣可以防止加載過程中引起斷裂的情況發生。

3 結論

綜上所述，鋼結構焊接變形及應力的產生，會影響結構的使用性能，變形過大或是應力過于集中，都可能引起鋼結構損壞。為避免這一問題的發生，要采取有效的方法和措施，對變形和應力加以控制，以此來確保鋼結構的整體質量。