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        淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與控制矯正

        2021-03-09 05:52:32張建山鄔常保陳海濤
        中國金屬通報(bào) 2021年22期
        關(guān)鍵詞:焊接件坡口甲板

        張建山,鄔常保,陳海濤

        (海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

        在海洋石油平臺(tái)、導(dǎo)管架、LNG模塊的建造過程中,成千上萬個(gè)金屬桿件通過焊接連成一體。其中諸如立柱拉筋管、規(guī)格大于300*300的型鋼、吊點(diǎn)等重要的工作焊縫,焊接工藝上會(huì)要求開坡口全熔透焊。金屬構(gòu)件的焊接是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過程,會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力,大量的焊接工作必將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形、產(chǎn)生尺寸誤差,嚴(yán)重的還會(huì)降低構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。生產(chǎn)中要通過不斷實(shí)踐總結(jié),找出變形規(guī)律,逐步掌握控制變形和矯正變形的技術(shù)。

        1 焊接變形的形式與原因

        鋼結(jié)構(gòu)焊接后按結(jié)構(gòu)變形的情況可分為兩種類型:即結(jié)構(gòu)的整體變形和局部變形。結(jié)構(gòu)的整體變形包括:整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化、對(duì)角線長度不等。局部變形表現(xiàn)為彎曲、扭曲、波浪變形、角變形等。

        1.1 常見焊接變形基本形式有以下幾種

        (1)焊縫的縱向收縮導(dǎo)致構(gòu)件長度變短、焊縫的橫向收縮導(dǎo)致構(gòu)件寬度變窄。

        (2)板材開坡口對(duì)接,以及工字鋼、T型材腹板與翼板的角焊縫,焊接后產(chǎn)生的角變形[1]。

        (3)由于焊縫的縱向和橫向收縮相對(duì)于構(gòu)件的中性軸不對(duì)稱,引起構(gòu)件的整體彎曲變形。

        (4)構(gòu)件焊接后的角變形沿構(gòu)件縱軸方向數(shù)值大小不一,以及構(gòu)件翼緣板與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形。

        (5)薄鋼板焊接后,母材受壓應(yīng)力區(qū)由于失穩(wěn)致使鋼板沿焊縫起伏不平的波浪變形。

        這幾種是焊接變形的基本形式,各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形都是這些基本變形的綜合作用。

        1.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的根本原因

        焊工對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件實(shí)施焊接時(shí),高溫的焊接電弧延焊縫移動(dòng)。這會(huì)使焊道以及熱影響區(qū)溫度升高,其他大部分金屬不受熱。受熱金屬膨脹,周圍不受熱金屬不膨脹,所以受熱金屬的膨脹就會(huì)受到制約和抑制,產(chǎn)生壓應(yīng)力。而焊后冷卻時(shí),焊道和焊道附近的金屬因收縮變短,此時(shí)又會(huì)被周圍沒有受熱的金屬限制,不能自由進(jìn)行,從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)焊縫冷卻產(chǎn)生的收縮作用力超過構(gòu)件的最大屈服極限時(shí),就會(huì)使焊接件發(fā)生變形。

        2 影響結(jié)構(gòu)焊接變形的因素

        影響焊接變形量的因素大致可分為設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面,綜合分析各因素對(duì)焊接變形的影響,掌握其影響規(guī)律,可提前做好防變形措施,達(dá)到預(yù)期焊接效果。

        (1)焊縫的布置:若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的焊縫沿構(gòu)件截面分布不對(duì)稱,則構(gòu)件在焊接后會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。平臺(tái)甲板片預(yù)制時(shí),主梁與次梁連接、梁格上翼板與甲板焊接。這兩種情況焊縫在中性軸偏上,從而會(huì)引起甲板片的整體上撓變形。

        (2)基爾莫市擋水壩。澳大利亞基爾莫市,于1996年修建一座均質(zhì)土擋水壩,壩高為13 m。蓄水使用后發(fā)生了管涌破壞,滲流沖蝕成孔洞,發(fā)展成貫穿性通道,直徑達(dá)到11 m。經(jīng)過技術(shù)修復(fù)后,在下游處再次出現(xiàn)直徑為0.15 m空洞,引發(fā)管涌破壞。

        (2)焊縫截面積的影響:構(gòu)件組對(duì)時(shí)坡口角度越大、間隙越大,焊縫截面積也相應(yīng)增大,焊接時(shí)需填充更多的金屬,焊后的變形增大。

        (3)焊接熱輸入的影響:焊接作業(yè)熱輸入越大焊后引起變形越大,熱輸入過大還會(huì)影響焊縫質(zhì)量。

        (4)焊接方法的影響:鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的有手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊電阻焊幾種方法,在其他條件如焊縫面積等相同情況下,氣體保護(hù)焊熱輸入最小,焊后變形也相對(duì)最小,在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

        (5)結(jié)構(gòu)的剛性對(duì)焊接變形的影響:構(gòu)件材質(zhì)以及截面形狀、大小決定結(jié)構(gòu)的剛性。剛性較小的結(jié)構(gòu),抵抗變形的能力小,焊后變形大;剛性大的結(jié)構(gòu),抵抗變形的能力大,焊后變形較小。

        (6)裝配焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀翰扇〔煌难b配焊接順序,結(jié)構(gòu)的變形也會(huì)完全不同。整體裝配完再進(jìn)行焊接,其變形一般小于邊裝配邊焊接。

        在日常生產(chǎn)時(shí),由于不同條件、因素綜合作用,焊接變形的規(guī)律比較復(fù)雜,需要先掌握各因素單獨(dú)作用引起的變形情況,才能對(duì)構(gòu)件變形的具體問題采取措施[2]。

        3 焊接變形的控制措施

        (1)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,在保證結(jié)構(gòu)承載能力的情況下,設(shè)計(jì)時(shí)采取較小的焊縫尺寸。同時(shí)要盡可能的去除不必要的焊縫,力求結(jié)構(gòu)中的焊縫數(shù)少,減少焊接量。焊縫位置也要合理安排,盡量使焊縫靠近中性軸,或者與結(jié)構(gòu)截面的中性軸對(duì)稱。

        (3)對(duì)于焊接量大的構(gòu)件,在下料時(shí)對(duì)長度方向加量,每米加1mm,補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形。鉚工組應(yīng)考慮焊接收縮量,焊前尺寸要大于設(shè)計(jì)尺寸,保證焊后尺寸符合要求。

        (4)優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法,如CO2氣體保護(hù)焊。焊接時(shí)根據(jù)WPS上的規(guī)定,選用較小的焊接參數(shù)(電流、電壓等)。

        (5)厚板對(duì)接時(shí)采用多層多道焊,對(duì)接X坡口開成大小坡口,先焊接大坡口面,焊到背面能清根時(shí),然后采用碳弧氣刨清根、焊接背面。焊接完成后兩面焊接量基本相等,焊后變形較小。

        (6)反變形法:提前分析焊接后可能產(chǎn)生變形的方向,把焊接件在焊前做相反方向的變形,反變形的量值可以經(jīng)驗(yàn)估算或是通過做實(shí)驗(yàn)件獲取。例如在海洋平臺(tái)甲板片預(yù)制時(shí),甲板與梁的焊接會(huì)造成甲板片翹曲。在焊接甲板前,對(duì)甲板片做反變形,使之中間高,四角低(70mm~100mm),效果良好。

        (7)剛性固定控制法:眾所周知,剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少,對(duì)剛性小的焊接件使用裝配夾具、增加臨時(shí)支撐或點(diǎn)焊固定等強(qiáng)制手段固定住,提高焊接件剛性,限制焊接件發(fā)生變形。等焊縫全冷涼透再打開固定,焊后變形量較小。此方法使用方便,但會(huì)使焊縫區(qū)域產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力,適用于塑性較好的低碳鋼。

        (8)縮小溫差法:對(duì)焊接件采取焊前預(yù)熱和焊后緩冷的措施,使之與環(huán)境溫差減小,降低焊縫冷卻速度,減少焊接變形。

        (9)焊工焊接時(shí)應(yīng)按順序施焊,如海洋石油平臺(tái)甲板片焊接的焊接順序:先大梁,后小梁,由中間向四周擴(kuò)展。甲板與工字梁的焊縫類型有板與板的對(duì)接縫,板和工字梁翼緣板的角焊縫。要先焊接板對(duì)接焊縫,如下圖所示,先焊短焊縫①、②、③、④、⑤、⑥,再焊長焊縫⑦、⑧、⑨。焊接長焊縫時(shí),采用分段退焊法,由中間向外圍依次焊接。待板對(duì)接焊縫完成,最后再焊角焊縫。

        圖1 焊接時(shí)的施焊順序圖

        4 鋼結(jié)構(gòu)件變形的矯正

        鉚焊構(gòu)件在制造過程中發(fā)生了變形,尺寸超出了公差要求,質(zhì)量留下了隱患。這就需要通過使用外力或者局部加熱的方法,使其發(fā)生一定程度的反變形,從而達(dá)到技術(shù)要求所規(guī)定的正確幾何形狀或尺寸。矯正的方法很多,經(jīng)常用的矯正方法可分為機(jī)械矯正和火焰加熱矯正兩種方法,或兩種方法配合使用。

        4.1 機(jī)械矯正法

        機(jī)械矯正是利用機(jī)械設(shè)備施加外力,使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形相反的塑性變形,常用的有矯直機(jī)、壓力機(jī)、千斤頂、拉鏈等。

        圖2 矯直機(jī)調(diào)工字鋼變形

        圖3 壓力機(jī)運(yùn)行圖

        4.2 火焰加熱矯正法

        利用火焰加熱變形部位,根據(jù)金屬熱脹冷縮的原理,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反變形,達(dá)到矯正目的。加熱矯正法的加熱方法分為點(diǎn)狀加熱、線狀加熱、三角形加熱。用火焰加熱法可矯正很多施力矯正無法解決的變形,熟練掌握火焰局部加熱引起的變形的規(guī)律是做好矯正的關(guān)鍵,選擇正確加熱的位置和加熱溫度會(huì)使調(diào)直工作事半功倍。低碳鋼和普通合金的焊接結(jié)構(gòu)通常采用500~650度的加熱溫度,正常情況下不宜超過650度。調(diào)直過程中用測溫槍監(jiān)控,以防加熱溫度過高,改變鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或燒壞構(gòu)件表面。

        火焰加熱矯正法具體分為:

        (1)點(diǎn)狀加熱法:點(diǎn)狀加熱法多用于薄板結(jié)構(gòu),加熱點(diǎn)直徑d取5-8倍板厚,使用中性焰加熱,加熱時(shí)烤槍嘴不要來回晃,加熱火焰與鋼板保持垂直,加熱點(diǎn)數(shù)量和變形量成正比。

        (2)線狀加熱法:火焰沿直線移動(dòng)、同時(shí)做橫向擺動(dòng),形成一個(gè)加熱帶的加熱方法,在矯正角變形、扭曲變形及筒體直徑過大時(shí)會(huì)經(jīng)常用到。

        (3)三角形加熱法:多用于工字鋼、T型梁的起拱和旁彎變形。加熱區(qū)域呈三角形,三角形的底邊應(yīng)在被矯正結(jié)構(gòu)的拱邊上。一次加熱如未完全消除變形可進(jìn)行二次加熱,加熱位置應(yīng)與第一次錯(cuò)開。

        圖4 火焰加熱矯正法調(diào)變形

        圖5 加熱區(qū)域示意圖

        4.3 調(diào)整變形的注意事項(xiàng)

        (1)首先要分析構(gòu)件的變形原因,弄清變形是外力還是內(nèi)應(yīng)力引起的,制定一個(gè)完善的矯正方案。多種矯正方法并用時(shí),確定好先后順序。

        (2)鋼結(jié)構(gòu)件是由多個(gè)零部件焊接連成一體,各零部件相互聯(lián)系、相互制約,矯正變形前要先弄清楚各個(gè)零部件相互關(guān)系,著眼點(diǎn)必須是一個(gè)整體,不能單獨(dú)考慮某個(gè)零件,忽略相互間的牽制作用。

        (3)通過測量,找出構(gòu)件變形的位置,但要注意變形位置有時(shí)并不一定就是矯正位置,還需分析找出應(yīng)力集中區(qū)域,對(duì)該區(qū)域采取措施,消除內(nèi)應(yīng)力或者使內(nèi)應(yīng)力達(dá)到平衡,才能使構(gòu)件變形得到矯正。

        (4)先解決主要問題,再解決次要問題,如型鋼存在多種變形時(shí)要先調(diào)扭曲,然后調(diào)旁彎,最后調(diào)角變形。

        (5)要確認(rèn)構(gòu)件所用鋼材的性質(zhì),防止采用的矯正方法不當(dāng)造成構(gòu)件折斷、產(chǎn)生裂紋或回彈等狀況。

        5 結(jié)論

        焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)件的尺寸及質(zhì)量影響頗大,各零部件產(chǎn)生變形后要采取正確的矯正方法,及時(shí)矯正合格,避免誤差越積越大,整體成型后難以矯正。本文所寫內(nèi)容希望可為今后鉚焊工作提供幫助,減少焊接變形,提高生產(chǎn)效率。

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