时间:2024-10-19
赵会伟,姚小彬,刘殿民,王学伍,张 玲
钢结构以其自身所具备的诸多特点,在石油企业得到广泛应用。对钢结构焊接时,会产生塑性变形和残余应力,由此导致钢结构的安全性、耐久性下降。为此,要对钢结构焊接变形与应力产生的主要原因加以分析,并采取行之有效的方法和措施,对焊接变形及应力进行控制,提高钢结构的整体质量。借此就有效控制钢结构的焊接变形及应力展开分析探讨。
在钢结构焊接时,焊缝及其周围的金属,受到高温的作用,自由变形遭到约束,由此便会产生出塑性变形,它的产生主要与以下因素有关:焊接工艺、焊接参数以及焊接顺序等,同时母材的材质和性能也对塑性变形具有一定的影响。除此之外,焊接线能量是引起塑性变形的重要原因之一。钢结构的焊缝既可单次,也可多次焊接成型,多层焊由于焊接线能量小于单层焊,所以其产生的塑性变形区域面积也比单层焊小,但是多层焊引起的变形量却大于单层焊。
钢结构焊接应力以焊后的残余应力为主,它的产生需要一个重要的前提条件,即塑性变形。当钢构件所受的机械力大于自身的屈服强度时,构件便会在机械力的作用下,产生塑性变形,随着载荷的逐步消失,在构件中会出现残余应力。焊缝及其周围的金属在高温的影响下,自由变形受到阻碍塑性变形随之产生,由此会使应力变化受到影响。换言之,钢结构焊接中变形与应力有着密切的关联。
大体上可将影响钢结构焊接变形的主要因素归纳为以下几个方面:焊缝的截面积、焊接方法、热输入、接头形式等。
1.3.1 焊缝的截面积
在钢结构中,每一条焊缝都有自己的截面积,具体是指熔合线范围内的金属面积。相关研究结果表明,在钢结构中,焊缝截面积的大小,与焊接变形的发生成正比关系,即截面积越大,焊缝产生变形的几率就越大,这是因为焊缝在冷却过程中出现收缩引起的塑性变形量比较大。同时焊缝截面积对于纵向变形、横向变形和角变形的影响趋势基本一致,是主要的影响因素。实践表明,焊接件的厚度相同,坡口尺寸大的焊接件收缩变形更大。
1.3.2 焊接热输入
所谓的焊接热输入具体是指在熔焊的过程中,有焊接能源输入给单位长度焊缝的热能,等于焊接电流、电弧电压、热效率三者的乘积与焊接速度的比值。在焊接工艺中,热输入是较为重要的技术指标之一。当焊接作业过程中的热输入过大时,除了会导致功率消耗增加之外,还会造成咬边等焊接缺陷,并且该温度的范围会进一步增加,导致冷却速度变慢,接头部位的塑性变形区间增大,容易引起焊接变形。而焊接时的热输入不足,则可能造成未焊透的情况,焊接点的强度会受到影响,焊接质量随之下降。
1.3.3 焊接方法
不同的焊接方法在焊接作业时的热输入量有所差别,相关研究结果表明,埋弧焊是除电渣焊以外焊接热输入最大的一种焊接方式,如果焊接截面积相同,则焊接时产生的收缩变形也比较大。相对而言,二氧化碳气体保护焊、手工电弧焊的热输入要小一些,收缩变形也相应较小,产生焊接变形的可能性比较低。
1.3.4 接头形式
焊接的接头形式与变形存在一定的关联,当热输入、截面积、焊接方法等条件全部相同时,不同的接头形式,对变形的影响存在差别。如表面堆焊的焊缝收缩会受到诸多条件的限制,从而使得变形较小;搭接接头的焊缝横向收缩与堆焊形式存在一定的相似之处;在单层焊的前提下,对接接头的横向收缩要大于堆焊形式,而在单面焊时,由于坡口的角度比较大,使得板厚的收缩量随之增大,角变形较大。
2.1.1 控制方法
根据钢结构焊接变形的产生原因,可以采取如下方法,对焊接变形进行有效控制,减少并避免变形问题的发生,提高钢结构的焊接质量。
(1)为有效控制钢结构焊接变形问题的产生,可在焊接作业的过程中,采用刚性固定法。该方法通过特定的工件,如卡具、胎具等,对焊件进行固定,由此能够使焊接变形进一步减小。刚性固定法在石油企业大型装置框架钢结构焊接作业中应用较为广泛,借助外力对焊件加以约束,使变形得到控制,焊接质量随之提升。
(2)在钢结构焊接中,可以采用反变形法对焊接变形进行控制。所谓的反变形就是在施焊前,将焊件装配成与焊接变形相反方向的预变形,然后通过正常的焊接,来消除预变形,以此来抵消焊件在焊接中产生的变形问题。该控制方法与刚性固定法联合使用效果更佳。
(3)对焊件施焊时,焊接能源输入到焊缝上的热量与焊接变形存在密切关联,通过减小焊接能源,即焊接电流,能够使输入给焊缝的能量随之减少,从而达到控制焊接变形的效果。大量的钢结构焊接实践表明,坡口形式适当,能使填充金属的容积显著减少,由此可以减少输入给焊缝的能量。如,在对厚度较大的钢构件进行焊接时,可以选择X 型坡口,也可在确保焊接质量的基础上,缩小坡口的尺寸。
(4)钢结构焊接过程中,合理的焊接顺序能够避免焊接变形的产生,这种控制方法具有简单易行的特点,在焊接变形控制方面效果较为明显。可以采用的控制手段有分段跳焊和对称焊等。
(5)在钢结构制作的过程中,设计方法对制作质量具有直接影响,焊接节点设计的不合理,极有可能引起焊接变形。为有效控制钢结构的焊接变形,可以采用强化焊接节点构造的方法,实践表明该方法在焊接变形的控制方面效果较好。具体做法是在钢结构焊接节点设计时,采取相应的措施,最大限度减少节点的数量,以此来达到减低焊接尺寸的目的,随着焊接尺寸的缩短,焊接变形问题将会随之消除。在钢结构的制造中,焊接节点具有重要作用。故此,要控制好焊接节点的数量、尺寸以及接触面积,避免焊接变形的产生,确保钢结构的整体稳定性。
(6)在一些大型钢结构的制作中,焊接变形问题比较常见,这是因为大型钢结构焊接时,对焊接工艺的要求比较高,若是选用的焊接工艺不合理或是不匹配,则很难使焊接质量得到保障,焊接变形便会随之产生。对于此类情况较为有效的控制方法是合理选择焊接工艺,确保所选的工艺与实际任务的要求相符。为实现这一目标,要在焊接作业正式开始前,对大型钢结构的焊接规范加以分析,了解并掌握规范对焊接的规定,明确影响钢结构焊接变形的主要因素,如焊接操作、焊接参数等,可以将全面焊接工艺作为首选,大量的实践表明,该工艺的运用,能够使焊接变形的产生几率大幅度降低。不同的钢结构在焊接过程中,会表现出自身的特性,若是焊缝比较长,且选择的焊接工艺不当,则会在焊接过程中产生裂纹,所以焊接时,正确选择焊接工艺尤为重要,这是避免焊接变形最为简单且有效的方法,并且焊接工艺适当,还能使钢结构的整体质量得到提升。在大型钢结构中,存在一些复杂程度高的焊接物,由此使得焊接难度随之增大,控制不好容易引起焊接变形。具体焊接时,作业人员要优选焊接工艺并加以严格控制,在既有搭接又有对接的情况下,应当先进行对接焊,然后再做搭接焊,通过不同的焊接工艺和正确的顺序,控制钢结构焊接变形的产生。
(7)焊接节点多是钢结构较为突出的特点,不仅如此,大多数钢结构都比较复杂,这样一来,使得焊接形态呈现出复杂化的特征。钢结构除了连接焊缝具有一定的难度外,焊接作业量也比较大。基于此,在钢结构焊接过程中,尤其复杂的大型钢结构,要从不同的角度,分析如何控制焊接变形问题,据此编制出合理可行的焊接方案,并利用固定夹具增强整体刚度,随着刚度的增大,可以使焊接变形得到有效控制。
(8)为了确保钢结构的整体稳定性,需要在其内部进行大量的焊接作业,由此使得钢结构内部的焊接数量相对较多,并且很多焊缝的尺寸也比较大,在这一前提下,导致焊接作业时需要输入的热量增加,焊接变形问题随之产生。对此,可以采用控制焊缝数量和尺寸的方法,减少焊接变形。要在全面分析焊接工艺的前提下,选取适宜的坡口尺寸,避免因焊缝尺寸过大,增加变形的几率。要使焊接节点处于构件截面的适当位置,同时,要选取合适的节点形式,不使用交叉节点,防止焊缝集中引起焊接变形。
2.1.2 控制措施
钢结构焊接中,焊接变形很难避免,不仅如此,在各种因素的共同作用下,使得变形呈现出复杂化的趋势。为解决焊接变形问题,可在作业时采取如下控制措施:
(1)在确保焊接质量的前提下,尽可能减小焊缝的截面积,并按照钢材本身的屈服强度,选择适宜的热输入,施焊前不预热,或是降低预热温度,以热输入量小的焊接方法作为首选,如二氧化碳气体保护焊等。
(2)当待焊接的钢板厚度较大时,可以选用多层焊,并在满足设计要求的基础上,利用间断的方法进行焊接。对于正反面都能焊接的钢构件,可选择双面对称坡口,在多层施焊的过程中,采用与焊件中心轴对称的顺序进行作业。
(3)焊接接头的形状为T 形且钢板的厚度比较大时,可选择开坡口角对接焊缝来控制变形。通过对焊缝收缩变形的有效补偿,能够使变形问题得到解决,依据焊接经验,可在H 形纵向焊缝上,预留0.5mm/m ~0.7mm/m 的收缩变形量。
(4)较长的钢构件焊接后容易出现扭曲变形的情况,对此,可以通过提升构件的装配精度,使坡口的间隙更加准确。在对焊缝较多的钢构件进行组焊时,必须选择合理的焊接顺序,以免增大变形的几率。设计钢结构时,要尽可能减少焊缝的数量,并缩短长度,使焊缝在钢结构中的布置合理,焊缝间保持一定的距离,避免形成三轴相互交叉的焊缝,需要特别注意的是,焊缝的布置不宜过于密集。
2.1.3 变形矫正
当钢结构焊接作业中出现变形问题后,可以采取机械或是火焰的方法对变形加以矫正,具体如下:
(1)机械矫正具有操作简单等特点,这种矫正方法又被称之为冷矫正,在产生塑性变形的部位,通过施加外力的做法,形成新的变形,由此能够使原本的焊接变形被新产生的变形所抵消,进而达到矫正的目的。机械矫正常用的方法有以下几种:矫正机法、锤击法等,可以结合实际情况进行合理选择。
(2)高温能够使焊件产生塑性变形,之后的冷却过程会产生拉应力,变形位置处的应力会随着冷却得到释放,由此便可使变形问题得以消除,这就是火焰矫正的基本原理。这种矫正方法由于需要加热,所以又被称之为热矫正,它的效果与加热位置和热量有关,矫正时的火焰产生出来的热量越大,焊接变形的矫正效果就越好。常用的热矫正方法有以下几种:点状加热、线状加热等,可按照实际需要对热矫正方法合理选择,确保达到最佳的矫正效果,消除焊接变形。
2.2.1 控制措施
在钢构件焊接的过程中,除了会产生出瞬时的内应力之外,当焊接完毕后,还会产生一部分残余应力,这种情况虽然具有必然性,但却可以通过有效的措施加以控制。钢结构焊接工程中,通常都会将控制的重点放在变形上,致使应力控制常常被忽视,控制焊接变形时使用的卡具和刚性固定措施,虽然能够解决变形问题,但却会导致钢构件焊接后的残余应力增大。本身刚性较大的构件,变形通常比较小,但随着内应力的增大,焊后很容易出现裂纹。为此,要采取有效的措施控制焊接应力,降低焊件的局部应力峰值,使应力分布变得更加均匀,具体措施如下:
(1)在不影响钢架构焊接质量的前提下,通过减小焊缝的尺寸,达到控制焊接应力的目的。钢结构焊接过程中产生的内应力主要与局部焊接热循环有关,基于此,要保证焊层的高度适宜,并使焊缝的尺寸保持在合理范围内,转变焊缝尺寸大安全性高的观念。
(2)拘束度是衡量钢结构焊接接头刚性大小的重要指标,相关研究结果表明,拘束度与焊接应力成正比。因此,通过减小拘束度能够达到控制焊接应力的目的。钢结构焊接作业时,要在较小的拘束度下施焊,在接头形式的选择上,以刚度小的作为首选,如翻边式连接,这种焊缝形式可以更加自由的收缩。需要注意的是,存在残余拉应力的区域,应防止出现几何不连续的情况,以免引起应力集中的状况。
(3)合理的焊接顺序和方向能够控制焊接应力的产生,在角接焊缝中的钢结构中,为使焊缝能自由收缩,可以先对收缩量较大的对接焊缝施焊,或是对工作时受力大的焊缝先施焊,从而使应力的分布更加合理。钢板拼接时,要先焊短焊缝,再焊长焊缝,由此能够增大焊缝在横向上的收缩余地,对平面布置的焊缝施焊时,要确保焊缝能够自由收缩。
(4)通过降低焊接接头的刚度,能够使焊后的残余应力有所减小。对刚度较大的焊缝进行焊接时,可借助反变形的方法使接头的刚度进一步降低,这样便可使应力得到有效控制。可对钢结构适当的部位加热,经过加热处理使该部位产生出与焊缝收缩方向相反的伸长变形,冷却时,焊缝的收缩变得较为自由,焊后的残余应力随之减小,达到控制应力的目的。
(5)当一个焊层焊接完毕后,可以通过锤击的方法,对焊缝金属进行均匀敲击,这样能够使焊缝产生塑性延伸变形,由此能够使焊后的局部拉应力被变形抵消。需要注意的是,并不是所有的部位都适合锤击,根部焊道、坡口内等位置不可锤击,否则容易引起裂纹。同时低合金钢的屈服强度超过345MPa 时,也不宜采用锤击的方法控制应力。
2.2.2 消除方法
钢结构焊接中产生的应力具有不可避免的特点,而应力会对钢结构的整体性能造成不利影响,所以要采取有效的方法消除应力,具体如下:
(1)通过整体高温回火的方法能够使钢结构焊接中产生的应力得以消除,当焊件加热至一定的温度后,使其保持这个温度一段时间,之后让焊件自然冷却至室温。焊件高温回火时,要对加热速度、恒温时间有效控制,从而达到消除应力的效果。将温度升到300℃,恒温时间可以按照钢材的质地予以确定,如碳素钢与合金钢的恒温时间应不少于30min,钢材的厚度增加,恒温时间相应增加。
(2)部分钢结构可以采用局部回火的方法消除焊接应力,对焊缝区域应力较大的部位进行加热,使其达到一定温度,并在该温度下保持一段时间后,自然冷却。该方法适用于管道及长筒形的压力容器。虽然局部回火无法使钢结构焊接的残余应力全部消除,但却能够使应力的峰值有所降低,应力的分布会变得更加均匀,对钢结构的影响程度随之减轻。局部回火的应力消除效果与加热区域内温度分布的均匀性密切相关,在加热宽度足够的情况下,能使应力消除效果达到最佳程度。局部回火时,可以采用以下加热方式:气体火焰、红外线等。
(3)钢结构焊接完毕后,可以对构件施加荷载,这样能够使原本具有拉伸残余应力的区域,产生出拉伸塑性变性,当卸掉荷载后,焊接残余应力便会随之降低,由此能够达到控制焊接应力的目的,这种方法被称之为机械拉伸法。采用该方法消除焊接应力时,施加的荷载越大,被抵消的塑性变形就越多,焊后残余应力消除的越彻底。压力容器消除残余应力的过程比较简单,只需要在室温条件下进行液压试验即可。需要着重阐明的一点是,开展液压试验时,选择的介质温度应当高于容器脆性断裂的临界温度,这样可以防止加载过程中引起断裂的情况发生。
综上所述,钢结构焊接变形及应力的产生,会影响结构的使用性能,变形过大或是应力过于集中,都可能引起钢结构损坏。为避免这一问题的发生,要采取有效的方法和措施,对变形和应力加以控制,以此来确保钢结构的整体质量。
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