大型钢结构制作中焊接变形的控制分析

大型钢结构制作中焊接变形的控制分析

刘强  王文瀚  符露芬  张远鹏  郭辉

中建八局第一建设有限公司 山东省201206

摘要：在大型钢结构的制作过程中，焊接问题是一个非常重要的环节。焊接过程的优劣直接关系到整体工程的质量和安全。当前，由于钢结构在交通运输和工程建设中的应用，对钢结构的要求也在不断提高。大型钢结构同样如此，在其设计过程中，焊接技术是非常关键的一环，如果焊接技术不当，很容易导致其变形。针对这种情况，笔者根据自己的多年工作经验，对大型钢结构制作中焊接变形的控制分析提出了几点看法，以供大家借鉴。

关键词：大型钢结构；制作；焊接；变形

引言：大型钢结构焊接过程中，因其具有较大的自由度，且存在较多的热源，导致其温度场非均匀性，要求对其进行准确地控制。同时，大型钢结构在焊接过程中受时间的影响，其应力、温度场也会随之改变，很容易造成数据分析、计算错误，从而影响焊接质量。可见，大跨度钢结构的焊接是一个很难完成的工程，因此，加强对大型钢结构的焊接变形控制技术的研究，对于保证大型钢结构的焊接质量至关重要。

1.大型钢结构焊接概述

钢结构，主要是由板、管、绳等多种形式的钢材和通过拼装、焊接等现代工艺技术制作而成的各类构件。在大型港口机械操作中，对空间结构的尺寸提出了更高的要求，故称为大型钢结构，例如门座式起重机等。这类新型空间构筑物具有较强的技术突破能力，可实现多个方向同时施工，已成为目前港口机械工程中普遍采用的一种新型空间构筑物。在大型钢结构的生产过程中，焊缝是最重要的一个环节，但是由于在进行焊接时，会受到技术、人员和材料等多种因素的影响，在使用过程中，往往会出现断裂、焊接性差、颜色变化等问题，严重影响了钢结构的质量。当前，常用的焊接工艺技术主要有手工电弧焊、螺柱电极焊、埋弧焊等，与此同时，国家也发布了相关的技术规范，对焊缝的加工工艺和生产质量检验标准等进行了明确的规定。但是，在此基础上，还要求焊接工人具有较高的专业知识和技术，并持有相应的作业许可证。

2.大型钢结构制造中焊接变形的影响因素分析

2.1材料因素

材料因素主要是指焊接的母材和焊材，而又数材料的物理特性和热力学特性对钢结构的变形有很大的影响。导热系数是一种材料的物性参数，它对整个材料的变形有很大的影响，通常，导热系数与材料的导热系数呈反比例增加，导热系数愈小，其温度梯度愈大，导致的材料变形愈大。相对于物理化学性质来说，热力性质就比较复杂了。在热力学性质方面，热膨胀系数对材料的整体变形有很大的影响，膨胀系数越大，变形越大。此外，屈服基线、弹性模量等因素对焊缝变形有重要影响，当焊缝变形随弹性模量增加而减少时，焊缝的屈服极限将相应提高，造成焊缝残余应力增多，进而影响焊缝性能，使焊缝力学性能下降。

2.2焊接工艺的影响分析

在制造大型钢结构时，需要经过许多工序，因此，在焊接时，必须选择合适的工艺方法，以防止焊接变形。实践表明，在焊接过程中，必须严格掌握焊接工艺，采用科学、合理的工艺，才能有效地防止焊接变形。在对焊接缝的认识上，相关人员可以将其与相应的收缩变形量结合起来，以此来防止钢结构中出现焊接变形的现象。对于多层焊接方法来说，要牢牢地把握住焊接层数和变形之间的紧密关系，避免焊接变形程度的持续增大，并对整体焊接层数进行有效的控制。

2.3焊缝位置影响

不同的钢结构，需要在不同的位置进行焊接。不同的焊缝会对结构的性能有很大的影响。由于钢结构在特定的应力条件下，会产生焊缝，使其应力状态改变。在外力的作用下，焊缝也会造成焊接变形。因此，对整个钢结构的安全性和可靠性都有很大的影响。因此，在施工过程中应对焊接位置进行重点控制。

2.4钢结构的设计出现问题

我国的施工企业很多，但是这些企业的发展状况参差不齐，有的规模小，有的人员结构不合理。而且，企业中的设计师们的技术水平也很低，有的设计师甚至是刚刚从学校毕业的，即使掌握了一定的专业知识，但是没有任何的实践经验，在进行钢结构建筑的设计时，完全是照搬照抄，忽略了对项目关键环节的审核和检验。一些设计单位在设计的图纸上，部件的布置比较单一，并且整个设计都是以焊接节点为主，对于节点的构造没有进行合理地安排，这就导致了在进行钢结构施工时，存在着较大的安全风险。也有一些设计人员，他们在进行设计的时候，缺少了创新精神，没有做到因地制宜，导致了设计方案不具备可行性。如果施工人员完全按照这种图纸来进行施工，那么就会产生安全隐患，从而导致建筑的质量和安全性下降。

3.大型钢结构制作中焊接变形的控制方法

3.1选择科学的焊接顺序

在大型钢结构制作焊接作业中，应根据其形状、规格、型号等特点，确定合适的焊接次序。通常情况下，对于大型的钢结构，都是先焊接各小部件，然后才是整体地焊接和组装。而对于小尺寸的钢结构，则可以首先进行组装，然后再进行焊接固定。在零件组装过程中，要确保所使用的零件满足相应的要求，以防止零件在组装过程中发生过大的变形或应力。

3.2合理设计焊接节点

为了确保焊接节点的设计是合理的，首先，要对焊缝的数量、面积进行适当的控制，否则，在焊接过程中，若加热过大，则极易造成焊接变形；所以要控制焊接的个数和面积，尽可能的减小来控制变形。同时，为了减小截面积对大型钢结构的变形影响，应合理地选择焊接坡口的大小和尺寸。另外，为了避免高应力区的焊缝，应尽可能地将焊缝布置在截面的两端，并尽可能地将焊缝布置在中间轴线附近。

3.3注重钢结构刚度

不同的钢结构在节点和构造等方面存在着一定的差异。因此，作业人员应注意到钢结构的刚性，并在作业时，应结合实际，选用更有效的焊接方法来控制变形。例如，选择合适的焊接方式，就可以确保钢结构的刚性。常见的焊接方法有对称焊法、分段焊法等，可根据需要选用。一般来说，都是采用对称焊接的方式，这样既可以减小变形，又不会对钢结构造成太大的影响。在焊接不同厚度的零件时，尽量避免零件的截面变形。此时可以使用斜坡过渡法，可以降低应力集中的发生。为了确保焊接过程的顺利进行，必须对断面的变形进行控制。

3.4注重焊接坡口和优化设计

在实际工作中，很容易忽略焊缝的坡口问题。所以，应以此为工作的着力点。在选择施工方法时，应遵循科学的施工原则。应根据企业的实际情况，制定相应的技术标准。在进行焊接作业前，必须对钢架的基本特性有一定的了解。应根据设计规范，选用最合适的方法。在进行焊接作业时，应将钢板翻至背板，在斜槽1/3的位置进行焊接作业。然后将剩下的零件翻转过来。这是焊接斜槽的一项关键工序，对于大型钢结构的制造有着极大地帮助。这个动作进行两次翻转就可以避免焊接时的变形。

结束语

在实际生产制作中，钢构件制作中出现的焊接变形是无法避免的，其成因也是十分复杂和多变的，因此，在实际操作中，对于焊接的控制效果往往偏离了理论。在今后的建筑工程中，钢结构的优越性将会越来越多，因此，在钢结构的设计和使用过程中，必须要对它进行严格地控制和监督，这不仅会影响到钢结构今后的发展，也会一直影响着我们国家建筑工程的发展。如果有什么问题，不能逃避、不能隐瞒、要指出问题解决问题，齐心协力、共同攻克难题，保证钢结构在建筑工程中的重要性。

参考文献：

[1]袁鑫.大型钢结构制作中焊接变形的控制分析[J].城市建设理论研究(电子版),2018(35):159.DOI:10.19569/j.cnki.cn119313/tu.201835133.

[2]韦海湖.钢结构焊接变形和焊接应力控制分析[J].中国金属通报,2021(11):177-178.

[3]赵兴刚.钢结构制作中防止焊接变形的实践分析[J].科技创新与应用,2021,11(19):95-97.

[4]核电SC结构立焊1：1子模块焊接变形量数值模拟[J].陈鹏，罗锋，张树潇，张涛，吴晔华，郝谦，刘一搏.科技创新导报.2018（27）