钢结构焊接变形的起因及其控制方法探讨

钢结构焊接变形的起因及其控制方法探讨

曹纪远

海洋石油工程（青岛）有限公司 山东 青岛市 266500

摘要：几年来，随着经济和科技的日益发展，海洋成为人类生产活动的重要领域，海洋平台作为人类在海洋生产活动的载体，其为了满足生产活动的需求，结构日趋大型化，复杂化，目前海洋平台结构一般采用钢结构焊接的连接形式，其结构的大型化和复杂化，会使构件焊缝更加复杂。焊接变形不仅影响结构外观，它还会严重的影响到钢结构的整体性能。本文对钢结构在焊接时发生变形的原因展开了分析，制定有效的预防措施来改善钢结构中存在的焊接变形问题，为后续提高焊接质量减少钢结构焊接变形的提供依据。

关键词：钢结构；焊接变形；起因；控制

前言：发展海洋经济是我国今后发展的重要战略，我国海洋领域的开发投入也与日俱增。海洋石油勘探开采作为重要的能源发展战略措施，逐渐由浅水勘探作业逐渐进入到深水作业阶段，相应的海洋石油平台结构也出现了大型化、科学化、专业化的发展趋势。目前来看，在走向深水的大背景下，对于海洋石油平台的建造质量要求也越来越高。钢结构焊接是模块建造质量控制的关键，而焊接变形的控制是贯穿整个建造过程的要点。海洋环境复杂、恶劣，而钢结构的焊接质量优良是海洋石油平台稳定安全的基本保障。因此研究海洋石油平台钢结构焊接变形具有一定现实意义^[1]。

1钢结构焊接变形的主要类型

焊接变形是焊接过程中和焊接结束后产生的塑性变形，导致焊接变形的原因是多方面的，按照变形的类型我们可以将其划分为这几类：①焊接收缩变形。焊接收缩变形是指焊接完成后焊件的尺寸比焊接之前缩短的现象,又可以分为纵向收缩变形和横向收缩变形；②焊接角变形。在焊接时，焊接及其热影响区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形。一般情况下，焊缝的截面总是上宽下窄，这就造成了横向收缩量在焊缝的厚度方向上分布不均匀，上面大而下面小，进而造成了焊件的平面偏转，两侧向上翘起一个角度；③焊接弯曲变形。焊接弯曲变形是由于结构截面的中性轴与焊缝的中心线不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向上分布不均匀而造成的变形。也就是说焊件上的焊缝相对于中性轴不对称（上下和左右），且不位于焊件的中性轴上，则焊接完成后焊件将会产生弯曲变形；④焊接波浪变形。焊接波浪变形是焊接后由于焊缝的纵向收缩和横向收缩产生的，这种变形属于失稳变形，一般发生在薄板钢结构的焊接中，波浪变形一旦发生就很难进行矫正;⑤焊接扭曲变形。结构件焊接后两端绕中性轴相反的方向扭转一定角度形成的变形为扭曲变形。扭曲变形和构件的焊接热输入、焊接顺序、结构形式密切相关。一般焊缝的长度越长，产生扭曲变形的倾向就越大。

2钢结构焊接变形产生的原因

引起钢结构焊接变形的原因多种多样，本文总结了以下几种进行阐述。

2.1温度控制不当

种种的迹象表明，温度是引起焊接变形的主要因素。高温会使得局部金属的体积膨胀而对周围的金属造成挤压而产生变形，同时高温也会传递给周围的金属导致它们出现不同的膨胀变形。

2.2钢结构的焊接顺序不当

在对钢结构进行焊接时，要按照一定的顺序要求来执行，切不可颠倒顺序，一般来讲，由于焊接工艺和焊接材质的不同，不同的焊缝处的承载力也不尽相同，因此要遵循先重后轻的原则，防止因为后期重力较大的钢结构挤压承载力较小的钢结构导致变形。

2.3钢结构材料影响

金属材料的膨胀系数各不相同，在进行局部焊接时无论是膨胀程度过大或者过小，都会对整个钢结构的焊接处造成变形。

2.4结构刚性不同

在钢结构承载力一致的情况下，刚性越大的钢结构变形程度较小，反之亦然。因此这就要求我们在设计钢结构时就需要提前计算它的承载能力，然后再根据承载力的大小来选择不同刚性的钢结构，这样就能够降低钢结构发生焊接变形的概率。

3对于控制钢结构焊接变形的几点思考

3.1从设计上控制钢结构焊接的形变

第一，在确保钢结构质量稳定的基础上，尽可能的减少焊缝尺寸和数量。减少焊缝尺寸和数量可以减少焊接热输入，进而降低焊接变形。

第二，合理安排焊缝位置，充分考虑焊缝的对称性，保证整体结构的受力均匀，尽可能的将焊缝和钢材截面的中轴设计在一条直线上，这样就能够降低在施工中受到压力而发生变形。

第三，根据钢结构强度和尺寸要求合理选择焊接材料和焊接方法，在满足焊接强度的情况下，选择热膨胀系数小的材料，减少长时间加热导致金属发生塑性变形。

第四，合理设置焊缝位置，尽量避免焊缝集中，因为焊缝集中会导致钢结构局部反复受热而发生形变，同时也会降低材料的刚度。

第五，在施工方案中尽可能的使关键焊缝处于平焊的施工位置，平焊有利于保证焊缝质量，减少热输入，减少焊接变形。

3.2在操作过程中控制钢结构焊接形变

第一，采用对称焊的方法来施焊，这样能够保证钢结构两端的受力相对比较均匀，膨胀变形相互抵消，可以很好地改善焊接变形。

第二，如果焊缝分布是不对称、无序排列的，可以先“先两头后中间”的方法，先进行两头焊缝的焊接固定好工件，再对距离上一个焊缝较远的焊缝进行焊接，但是要确保之前的焊缝冷却充分，这种方法会有比较大的焊接残余应力^[2]。

第三，预估焊缝及其热影响区的钢结构变形角度和方向，在施焊前利用反向加热或者借助其他工具来预防变形。

第四，钢结构焊接时要特别注意纵横向变形，尤其是纵向焊接，焊接时需要将工件固定好，以外力固定来防止出现焊接变形。

第五，对于焊接加热收缩量较大的结构件，在进行焊接时要充分预留一定的长度，用以补偿焊接热收缩量。

4钢结构焊接变形的控制策略

4.1 焊前预热

通常来讲，在施焊前按照焊接工艺要求，可以采用可燃性的气体烤把、红外线加热以及电磁感应加热等方式来做好预热工作。正确的预热会使得焊缝冷却速率逐渐下降，比较低的冷却速率可以有效的避免结构件焊接脆性问题出现，也可以有效防止冷却裂纹出现。

4.2坡口情况检验

海洋石油平台结构钢管卷制是平台建造的重要组成部分。结构钢管主要种类有：导管、撑管、钢桩、隔水套管、立柱等几大类。根据壁厚合理选择焊接坡口对预防焊接变形保证焊接质量具有积极作用。其中导管、撑管、钢桩、立柱属大直径、大壁厚钢管多采用X型坡口，双面焊接。拉筋和隔水套管属小直径钢管多采用V型坡口，单面焊接。

对于模块主结构的焊接，其坡口通常采用全熔透形式。在焊接之前，要按照业主批准的焊接工艺规程来检查坡口情况是否满足要求，主要检查坡口根部间隙、钝边情况、坡口角度、预热温度、坡口周围清理等^[3]。焊接工艺规程要张贴在施工现场焊工能够及时查看的地方，在施工前要对焊工进行交底。根部间隙、坡口角度和钝边大小需要控制在允许的范围内，根部间隙过大则焊材不易填满，填满以后的强度也不易达标，间隙过小则焊条伸不进去，根部不易施焊，坡口角度过大会造成焊道的热输入过大，增加焊材填充量和焊接时间，效率低下。坡口角度过小则坡口根部不易焊透，造成接头强度不够。钝边太厚不易焊透，钝边太薄容易烧穿，因此，质量控制人员必须检查这些组对参数，将其控制在允许的范围内，才能够有效地防止焊接缺陷的产生，保证焊接质量^[4]。

4.3根据钢结构的用途选择合适的材料

钢结构的用途不同，其所要承载的力也不尽相同。设计人员应该在满足结构强度的基础上，根据钢结构的用途选择合适的材料，同时也应该根据焊缝的位置选择不同熔点的钢结构材料，从而控制钢结构在焊接过程中由于承载力和熔点的不同产生的变形^[5]。

4.4焊缝位置要选择合理

合理安排焊缝位置，尽量减少主要受力点的焊缝数量，这样能够减少重力对焊缝的影响，同时也降低关键结构处的变形量。

4.5钢结构焊接变形在施工过程中进行合理控制

焊工在进行实际的焊接作业时要根据具体的情况来选择焊接工艺，严格按照工艺要求施工，合理选择施焊的电流和电压，避免为抢工期而使用大电流施工。

结束语：焊接在海洋钢结构平台建造过程中应用十分广泛，海洋钢结构平台长期处于恶劣的环境下，对焊接质量要求很高，施工人员稍有不慎，便可能造成严重的后果。因此，钢结构焊接的质量在一定程度上体现了海洋钢结构平台的质量。

参考文献：

[1]宋广豪.钢结构焊接变形的起因及其控制方法探讨[J].门窗，2012，（10）：190-192.

[2]卢进起，常德志，曲锋军.浅析钢结构焊接变形及其控制方法[J].中国建筑金属结构，2013，（04）：3-7.

[3]李勇.钢结构焊接变形控制技术[J].江西建材，2017，（06）：106-108.

[4]王丰景.钢结构焊接变形与焊接应力研究[J].工程技术研究，2017，（04）：72-73.

[5]翟俊峰.浅谈钢结构焊接变形的成因与控制策略[J].中国城市经济，2012，（02）：230-230.