大型钢结构焊接变形控制工艺分析

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摘要：针对大型传送、支撑、提升用等受力要求较高的焊接机构的变形控制以及使用期间的结构稳定性进行研究。从材料的可焊性分析、切割、焊接参数、焊材的匹配等方面以及焊接工艺管理等方面阐述了具体的焊接工艺及其管理。通过焊接试件的焊接工艺顺序分析比较，验证了最佳的焊接方案，为相关结构的质量、寿命的提高提供了一定的参考价值。

关键词：大型焊接结构 ；寿命和质量；焊接工艺控制；焊接结构控制

中图分类号：TG404文献标识码： A

一、前言：

唐山地区是以钢铁冶金、传统矿产资源开采为主的重工业城市，因此，当地的重工业、采掘工业的常用设备生产在其装备制造业中占据了重要地位。而这类设备的通常都具有焊接量大、受冲击力大、工作环境相对恶劣，同时，使用上的经济性需求又要求它们必须要安全可靠、维修频率低、使用寿命长等。为了解决这些大型焊接结构，如提升机系统、给料机等受冲击力大、焊接量大的设备、设施在安装、使用过程中出现的变形、寿命短等问题，本文从焊接结构设计、焊接工艺编排并结合相应的应力处理措施以及经济可行性等方发面综合考虑，进行了系统分析。

在大型钢结构施工中，焊接是重要工序。如何消除焊接应力,控制焊接变形，是保证工程质量的关键。针对大型钢结构的常见焊接问题，我们要在施工前、施工过程中、施工后的处理这一系列的加工过程中分析出影响变形的主要因素并预见变形的方向，制定预防、矫正变形、释放焊接应力的措施。

二、焊接产品的常见问题

焊接产品通过熔池而形成了焊接接头，一般接头强度都强于母材，因此，抗变形能力较强（仅焊缝的一小片区域）。但因焊接是一个剧烈而快速的冶金过程，也存在了一些不可消除的缺陷，导致整个焊接结构易变形、焊缝易产生裂纹，焊接接头的抗冲击能力差等。

焊接缺陷主要表现在应力集中和变形两大方面，缺陷对焊接结构承载能力有非常显著的影响，更为重要的是应力和变形的缺陷同时存在。焊接缺陷容易出现在焊缝及其附近地区，而那些地区正是结构中拉伸残余应力最大的地方。焊接缺陷之所以会降低焊接结构的强度，其主要原因是缺陷减小了结构承载横截面的有效面积，并且在缺陷周围产生了应力集中。在一般焊接结构中，由于设计或施工不当也会出现应力集中和承载截面的变化。焊接缺陷一般包括有未焊透、未熔合、裂纹、夹渣、气孔、咬边、焊穿和焊缝成型不良等。

三、解决措施

1、优化焊接结构布局

焊接结构设计在满足使用要求的前提下，要尽可能消除焊接的变形和应力的集中，主要由以下几个方面综合考虑。

1.1合理选用型材代替钢板的拼装焊接以减少焊缝数量。型钢的力学性能可以满足大部分钢结构的要求，且价格便宜，在很多结构中可以减少焊接量。焊接量减少了，焊后的变形和焊接应力也自然减小了。

1.2焊接中尽量采用分散焊缝的结构来避免应力集中，对称结构对于防止焊接弯曲和变形更加有效。

1.3在横梁结构的末端焊接刚性支撑件，可以增加结构的强度和刚度，在材质、宽度和承受载荷相同的两个横梁结构中，采用刚性支撑比不采用刚性支撑的焊接结构产生的弯曲变形小。

1.4采用封闭式结构或对角拉条结构可以防止发生扭转变形。同时采用适当的加强筋还可以减小结构的质量，提高结构的刚度。

1.5在抗扭转载荷方面，对角拉条结构比纵向垂直结构更为有效。

1.6 确定结构中可能采用的低级别钢材的位置，在实际的焊接操作过程中，高碳钢和合金钢的焊接需要预热和焊后热处理，但这样会增加焊接结构的成本。因此在焊接结构中仅仅在需要的时候采用高级别的钢材，其余的结构都可以采用低碳钢。

2、在焊接过程中，要深入理解焊接规范，灵活应用在施工过程中。

2.1应避免焊接接头的坡口设计过大，为了减少填充材料的使用，可以减小根部间隙和坡口角度，如图所示 。

2.2厚板结构采用双面V形坡口代替单面V形坡口可以减少焊缝金属，有个别结构甚至可以在保证焊透的前提下创新破口形式，减少焊接金属的填充量。

2.3在小载荷或无载荷条件下，断续角焊缝可以用于代替同样焊脚尺寸的连续角焊缝。

2.4尽量使焊缝位于焊件较薄的区域，使焊缝尺寸主要集中于薄板上。

2.5加强筋或焊接隔板时，不需要过多进行焊接，应尽可能减小焊脚尺寸或焊缝长度。

3、其他的控制附加应力和变形的方法。

3.1可以采用在焊道每一侧进行多道对接焊缝以减小角变形，即长焊缝可采用从中间向两边对称、间断施焊，而不是从一头一直焊到另一头；

3.2 对于复杂结构应调整结构的焊接位置及顺序，以平衡产生的收缩力，通常应采用对角焊缝结构；

3.3 在较冷的环境中，采用焊前预热对于降低焊接冷却速度并获得良好的接头有一定的作用。但有的研究认为，焊前预热并不能很有效地减小焊接变形，但它却可以在低温时改善材料的焊接性能，提高焊接质量；

3.4大型焊件焊后进行热处理主要是为了减少残余应力，并防止在机械加工的焊缝表面产生变形。对于一个具有较大残余应力的焊接结构，采用机械加工方法消除焊缝金属可能会导致产生更大的变形，应尽量采用火焰矫正法弯曲与校直。

实际应用中经常将两种或更多的控制应力和变形的方法结合应用，并尽可能利用焊装夹具，以获得良好的应用效果。

四、结束语

从上述分析我们可以知道，在焊接的过程当中会出现焊接应力来影响整个焊接的结果，因此在焊接之前，认真了解所焊接的工艺属于什么类型的产品和焊接的方法等，就能够在焊接过程当中最大限度的消除焊接应力。

当然，在具体提操作过程中，还有各种各样的现场条件在制约着技术人员和操作人员，但是只要我们能够掌握了焊接的缺陷原理以及应对手段，因地、因时制宜，焊接结构的产品质量和使用寿命是不比其它加工方法差的。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家标准:《钢结构工程施工质量验收规范》, (GB50205-2001) ,中国计划出版社,北京, 2002

[2]中华人民共和国国家标准:《钢结构设计规范》, GB50017 - 2003 ,中国计划出版社,北京, 2003

[3]宋天民:《焊接残余应力的产生与消除》 ,中国石化出版社，北京, 2004

作者简介：安海江，男，1978年生，工程师，现从事机械结构的设计及焊接工艺设计和管理