摘要：為有效控制鋼結構因焊件的不均勻膨脹和收縮而造成的焊接變形 ,就焊接變形和焊接應力的各種影響因素進行分析 ,提出了相應的控制措施。
關鍵詞：焊接變形 ,焊接應力 ,熱過程 ,焊接工藝
在建築鋼結構發展如火如荼的今天 ,形式各異的焊接機械、焊接方法日新月異 ,焊接技術成了乙個關鍵的課題。但在施工過程中 ,由於焊接產生的焊接殘餘應力和殘餘變形 ,嚴重影響著工程的質量、安裝進度和結構承載力 (即使用功能 ),因而 ,急需採用合理的方法予以控制。
鋼結構的焊接過程實際上是在焊件區域性區域加熱後又冷卻凝固的熱過程 ,但由於不均勻溫度場 ,導致焊件不均勻的膨脹和收縮 ,從而使焊件內部產生焊接應力而引起焊接變形。常見的焊接應力有 :1)縱向應力 ;2)橫向應力 ;3)厚度方向應力。
常見的焊接變形有 :1)縱向收縮變形 ;2)橫向收縮變形 ;3)角變形 ;4)彎曲變形 ;5)扭曲變形 ;6)波浪變形。針對這些
不同種類的焊接變形和應力分布 ,追溯根源 ,具體進行研究控制。
1、焊接變形的控制措施
全面分析各因素對焊接變形的影響 ,掌握其影響規律 ,即可採取合理的控制措施。
1.1焊縫截面積的影響
焊縫截面積是指熔合線範圍內的金屬面積。焊縫面積越大 ,冷卻時收縮引起的塑性變形量越大 ,焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的 ,而且是起主要的影響 ,因此 ,在板厚相同時 ,坡口尺寸越大 ,收縮變形越大。
1.2焊接熱輸入的影響
一般情況下 ,熱輸入大時 ,加熱的高溫區範圍大 ,冷卻速度慢 ,使接頭塑性變形區增大。
1.3焊接方法的影響
多種焊接方法的熱輸入差別較大 ,在建築鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中 ,除電渣以外 ,埋弧焊熱輸入最大 ,在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下 ,收縮變形最大 ,手工電弧焊居中 ,ｃｏ2氣體保護焊最小。
1.4接頭形式的影響
在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時 ,不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。
1)表面堆焊時 ,焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束 ,而且加熱只限於工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束 ,因此 ,變形相對較小。
2)ｔ形角接接頭和搭接接頭時 ,其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似 ,其橫向收縮值與角焊縫面積成正比 ,與板厚成反比。
3)對接接頭在單道 (層 )焊的情況下 ,其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大 ,在單面焊時坡口角度大 ,板厚上、下收縮量差別大 ,因而角變形較大。
雙面焊時情況有所不同 ,隨著坡口角度和間隙的減小 ,橫向收縮減小 ,同時角變形也減小。
1.5 焊接層數的影響
1)橫向收縮 :在對接接頭多層焊接時 ,第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律 ,第一層以後相當於無間隙對接焊 ,接近於蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規律相似 ,因此 ,收縮變形相對較小。
2)縱向收縮 :多層焊接時 ,每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多 ,加熱範圍窄 ,冷卻快 ,產生的收縮變形小得多 ,而且前層焊縫焊成後都對下層焊縫形成約束 ,因此 ,多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多 ,而且焊的層數越多 ,縱向變形越小。
在工程焊接實踐中 ,由於各種條件因素的綜合作用 ,焊接殘餘變形的規律比較複雜 ,了解各因素單獨作用的影響便於對工程具體情況做具體的綜合分析。所以 ,了解焊接變形產生的原因和影響因素 ,則可以採取以下控制變形的措施 :
1)減小焊縫截面積 ,在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下 ,盡可能採用較小的坡口尺寸 (角度和間隙 )。
2)對屈服強度 345ｍｐａ以下 ,淬硬性不強的鋼材採用較小的熱輸入 ,盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度 ;優先採用熱輸入較小的焊接方法 ,如ｃｏ2氣體保護焊。
3)厚板焊接盡可能採用多層焊代替單層焊。
4)在滿足設計要求情況下 ,縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可採用間斷焊接法。
5)雙面均可焊接操作時 ,要採用雙面對稱坡口 ,並在多層焊時採用與構件中和軸對稱的焊接順序。
6)ｔ形接頭板厚較大時採用開坡口角對接焊縫。
7)採用焊前反變形方法控制焊後的角變形。
8)採用剛性夾具固定法控制焊後變形。
9)採用構件預留長度法補償焊縫縱向收縮變形 ,如ｈ形縱向焊縫每公尺長可預留 0.5ｍｍ～ 0.7ｍｍ。
10)對於長構件的扭曲 ,主要靠提高板材平整度和構件組裝精度 ,使坡口角度和間隙準確 ,電弧的指向或對中準確 ,以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長度方向一致。
11)在焊縫眾多的構件組焊時或結構安裝時 ,要採取合理的焊接順序。
12)設計上要儘量減少焊縫的數量和尺寸 ,合理布置焊縫 ,除了要避免焊縫密集以外 ,還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸 ,並使焊縫的布置與構件中和軸相對稱。
2焊接應力的控制措施
構件焊接時產生瞬時內應力 ,焊接後產生殘餘應力 ,並同時產生殘餘變形 ,這是不可避免的現象。
焊接變形的矯正費時費工 ,構件製造和安裝企業首先考慮的是控制變形 ,往往對控制殘餘應力較為忽視 ,常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制變形 ,與此同時實際上增大了焊後的殘餘應力。
對於一些本身剛性較大的構件 ,如板厚較大 ,截面本身的慣性矩較大時 ,雖然變形會較小 ,但卻同時產生較大的內應力 ,甚至產生裂紋。
因此 ,對於一些構件截面厚大 ,焊接節點複雜 ,拘束度大 ,鋼材強度級別高 ,使用條件惡劣的重要結構要注意焊接應力的控制。控制應力的目標是降低其峰值使其均勻分布 ,其控制措施有以下幾種 :
1)減小焊縫尺寸 :焊接內應力由區域性加熱迴圈而引起 ,為此 ,在滿足設計要求的條件下 ,不應加大焊縫尺寸和層高 ,要轉變焊縫越大越安全的觀念。
2)減小焊接拘束度 :拘束度越大 ,焊接應力越大 ,首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接 ,盡可能不用剛性固定的方法控制變形 ,以免增大焊接拘束度。
3)採取合理的焊接順序 :在焊縫較多的組裝條件下 ,應根據構件形狀和焊縫的布置 ,採取先焊收縮量較大的焊縫 ,後焊收縮量較小的焊縫 ;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫 ,後焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。
4)降低焊件剛度 ,創造自由收縮的條件。
5)鎚擊法減小焊接殘餘應力 :在每層焊道焊完後立即用圓頭敲渣小錘或電動鎚擊工具均勻敲擊焊縫金屬 ,使其產生塑性延伸變形 ,並抵消焊縫冷卻後承受的區域性拉應力。
但根部焊道、坡口內及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側焊道不宜鎚擊 ,以免出現熔合線和近縫區的硬化或裂紋。高強度低合金鋼 ,如屈服強度級別大於 345ｍｐａ時 ,也不宜用鎚擊法消除焊接殘餘應力。
6 )採用拋丸機除鏽 :通過鋼丸均勻敲打來抵消構件的焊接應力。
綜上所述 ,在施工過程中 ,一定要了解焊接工藝 ,採用合理的焊接方法和控制措施 ,以便減少和消除焊後殘餘應力和殘餘變形。在實踐中不斷總結、積累焊接經驗 ,綜合分析考慮的各種因素 ,可以保證工程中的焊接質量。
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