摘要：钢结构以自身所具备的诸多特点，在海洋石油工程中得到广泛应用。钢结构施工中，需要采取焊接的方式对钢构件连接固定，由此会产生残余应力，并引起焊接变形，从而对钢结构的整体质量造成影响。为此，要采取相应的控制技术，解决残余应力及焊接变形问题，确保钢结构的质量达标。基于此，本文对钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术展开论述。

　　关键词：钢结构焊接；残余应力；焊接变形；控制

　　钢结构是由大量钢构件，通过焊接等方式组合而成的结构体系，这种结构具有强度高、重量轻、施工速度快、使用寿命长等特点。正因如此，使得钢结构在海洋石油工程项目中得到越来越广泛的应用。焊接是钢结构施工中的关键环节，焊接作业时会产生残余应力，并且还会发生焊接变形。对此，要采取有效的技术措施进行控制，消除对钢结构的影响，确保质量达标。

　　1钢结构焊接残余应力及控制方法

       1.1残余应力的影响分析

　　在钢结构中，焊接产生的残余应力会对结构稳定性和疲劳强度造成不利影响，如果钢结构失稳，则会造成严重的后果，而随着疲劳强度的下降，钢结构的使用寿命将会缩短。

　　（1）对结构稳定性的影响。稳定性是钢结构的重要技术指标之一，如果钢构件使用期间稳定性下降，则会导致钢结构内部的受力状态发生改变，一旦超出钢结构本身的承受极限，会造成钢结构损坏。钢结构焊接时，钢构件内部会产生残余应力，并且残余应力会聚集到焊接部位，当残余应力积聚过多时，便可引起焊接部位失稳，如果处理不及时，则可能引起焊接作业部位变形，甚至开裂，钢结构稳定性受到影响。

　　（2）对疲劳强度的影响。疲劳强度是衡量钢结构使用寿命的重要指标，钢结构焊接作业期间，对构件的疲劳强度进行测试，能如实反应出钢结构的质量。焊接残余应力若是进一步增大，会引起钢结构疲劳强度下降，由于钢结构的长度与使用寿命密切相关，从而导致钢结构的使用寿命缩短。因此，要采取合理可行的技术方法对钢结构焊接产生的残余应力进行有效控制。

　　1.2残余应力控制

　　钢结构焊接中，不可避免会产生残余应力，不但会对钢结构的稳定性造成影响，而且还会导致钢结构使用寿命缩短。因此，要对焊接残余应力进行控制。常用的控制方法有间断焊接法、热处理法、锤击消除法等。

　　（1）间断焊接法。钢结构焊接时，要保证焊接作业区域周围始终处于低温，防止出现受热不均匀的现象，降低残余应力产生的机率。对此，焊接作业人员应结合钢结构的实际情况，采用间断焊接的方法开展焊接作业，以此来消除残余应力。

　　（2）热处理法。钢结构焊接残余应力消除中，热处理法的效果比较好，是通过退火的方式，达到消除焊接残余应力的目的。退火能够使焊接部位的温度场发生改变，有助于提高焊接位置的受热时间，采用热处理法消除焊接残余应力时，要控制好加热温度，以此来确保退火效果。

　　（3）锤击消除法。这是一种比较简单的残余应力消除方法，具体是指锤击焊接部位，利用锤击产生的力，抵消焊接残余应力，提高钢结构的质量，确保结构稳定。锤击应由经验丰富的人员进行，保证锤击力均匀一致，避免造成焊接位置受力过度。

　　2钢结构焊接变形及控制技术

       2.1变形的具体原因

　　（1）温度。在钢结构工程建造期间，需要对钢构件进行焊接、施焊时，构件局部的温度会大幅度升高，从而导致构件受热不均匀，受热胀冷缩的影响，构件的截面尺寸发生改变，焊接质量问题由此产生。钢结构局部加热会引起焊接质量缺陷，若得不到有效的控制，缺陷将会不断累积，并进一步扩大，对钢构件的主要参数造成不利影响，如直线度、平面度等，进而引起钢构件焊接变形，这是造成钢结构焊接变形的主要原因之一。

　　（2）焊材。在钢结构焊接中，不同的焊接工艺需要使用不同的焊接材料，由于每种焊接材料在焊接性能、焊接效果等方面存在差别，从而使得焊材的选择成为钢结构焊接作业的重要环节。若是所选的焊接材料与工艺不匹配，加之未能对焊接作业时的温度有效控制，则会导致钢结构焊接时出现变形问题，随着钢结构焊接变形的产生，工程质量将会下降。

　　（3）焊接方法。钢结构工程项目建设中，对焊接工艺、焊接方法、控制措施的选择提出较高的要求，这与钢结构本身的重要程度密切相关。钢结构所处的位置不同，承受的结构自重有所差别，对焊材的要求也不相同，不同位置的钢构件需要适宜的焊接方法以及与之配套的焊接材料和控制措施，这样才能在保证焊接质量的前提下，提高焊接作业效率，避免焊接变形问题的产生，从而达到预期中的焊接效果。钢结构焊接是一项复杂程度相对较高的工作，焊接作业正式开始前，要根据工程特点，制定合理可行的焊接方案，确定焊接工艺，并选择与焊接工艺配套的焊接材料，同时还要明确焊接顺序。若是焊接工艺、焊接顺序无法确定，则焊接作业时，会引起构件扭曲，进而导致焊接变形的产生。

　　（4）焊缝位置。在海洋石油工程中，大部分钢结构均为大型结构，这种结构最为突出的特点是复杂程度高。为确保钢结构的整体稳定性，需要对所有的节点进行焊接加固，由此使得钢结构中的焊缝数量进一步增多。焊缝所处的受力区域不同，对钢结构的稳定性具有不同程度的影响，受力越小的区域内，焊缝对结构稳定性的影响程度越低。因此，将焊缝设置在受力小的区域是减轻焊缝影响的有效途径。但在实际工程中，很难保证所有的焊缝全都设置在受力小的区域内，如果焊缝的位置设置不当，加之未采取有效的控制措施，则会引起焊接变形。

　　（5）构件刚性。钢结构中，母材的刚性与焊接变形之间存在密切关联，相关试验结果显示，母材的刚性越大，焊接过程中产生变形的可能性就越小，而母材的刚性越小，越容易引起焊接变形。若是钢结构焊接期间，对母材的刚性重视程度不够，则会导致焊接变形的控制难度增大，由此会影响钢结构的整体质量。

　　2.2变形的影响因素

　　钢结构焊接变形受诸多方面因素的影响，具体包括焊缝所处的位置、构件的刚度、焊接顺序等。在对焊缝的位置布置时，要尽可能使焊缝对称布设在钢构件截面上，从而避免焊接变形的产生；相关试验结果显示，钢构件焊接变形的出现机率与构件本身的刚度有关，即刚度越小越容易发生焊接变形，当钢构件的刚度足够大时，焊接变形产生的可能性将会大幅度降低。因此，在钢结构工程中，应当以刚度大的钢构件作为首选。如果钢结构焊接的顺序不正确，将会导致焊接变形的发生机率进一步增大，若是按照正确的顺序开展焊接作业，则能降低焊接变形产生的可能性。通过分析影响焊接变形的因素，能够对焊接变形控制措施的选择及控制技术的应用有所帮助。

　　2.3变形控制措施

　　钢结构焊接变形的控制是一项较为重要的工作，与钢结构的整体质量密切相关。因此，要将此项工作贯穿于焊接作业的全过程中，具体的控制措施如下。

　　2.3.1焊接前的控制

　　钢结构焊接作业正式开始前，要做好预焊工作，在预焊环节中应对钢结构的具体位置和尺寸进行验证，并仔细检查组对的槽角及间距，看是否与规定要求相符。针对焊接作业过程中易发生变形的部位，要采取有效的加固或支撑措施，以此来避免焊接变形的产生，钢结构焊接时受到电弧加热的影响，焊接区域的温度会进一步提升，而周围金属的温度较低，这样会形成温度差，致使焊缝的热膨胀无法达到均匀的程度，容易引起焊接变形。金属本身具有一定的屈服强度，当应力值大于屈服强度值时，会引起金属塑性变形。通常情况下，温度会对金属的屈服强度产生影响，即温度升高，屈服强度降低，相关试验结果显示，结构用钢在600℃的温度下，屈服强度仅为常温的20.4%，随着屈服强度的大幅度下降，钢会随之变形。钢材的焊缝体积大小与焊接变形有着密切关联，焊缝的体积越大，变形越明显，如果焊缝的体积比较小，则变形比较轻微，甚至不会出现变形的情况。现行规范中对坡口角度给出明确的规定，若是坡口角过大，则会引起焊缝体积增大，进而造成钢结构变形。因此，在预焊环节中，要合理设置坡口角度，并对钢结构的安装间隙进行控制，这样能够有效避免焊接变形问题的产生。

　　2.3.2焊接过程的控制

　　在钢结构焊接作业过程中，为避免焊接变形的产生，要选择适宜的焊接方式，并对相关的焊接参数合理设置。以海洋石油工程为例，其中的钢结构厚度在1cm～12cm之间，常用的焊接方法为电弧焊、埋弧焊，实践表明，采用以上焊接方法对厚度为1cm～12cm的钢结构进行焊接，会引起热应力扩散不均匀的现象，对构件区域的影响范围较广，焊接变形的出现机率进一步增大。为避免上述问题的发生，在钢结构焊接时，能够选择二氧化碳气体保护焊，这是一种比较先进的焊接工艺，以二氧化碳作为焊接作业的保护气体，操作简单可以满足自动焊接的要求，热应力集中，影响范围较小，能有效降低焊接变形的产生机率，可起到控制焊接变形的效果。当钢结构设计中因为一些特殊原因导致焊缝不对称时，应在焊接作业期间，采取有效的方法和措施控制焊接变形，以此来确保钢结构的质量。比较常用的方法为，将焊缝位置与焊接背面一并加热，并对焊接参数合理选取，或是通过反变形抵消焊接作业时产生的变形。除此之外，可选用内应力相对较大的固定件对钢构件的焊接变形进行控制。正式施焊前，要将钢结构装配好，尽可能使其形成整体，在这个整体中钢构件的刚性得到显著提升，减轻焊接对构件的影响，进而避免变形的产生。

　　2.3.3焊后控制

　　钢结构焊接完毕后，应当做好矫正，以此来消除焊接过程中产生的变形，常用的矫正方法有机械矫正和火焰矫正。

　　（1）机械矫正。这种方法又被称为冷矫正，具体是指通过外力的辅助，使钢结构产生出与焊接变形方向相反的塑性变形，这样便可达到抵消焊接变形的效果，从而使钢结构的焊接变形得到有效控制。该方法适用于“工字梁”、“T”型梁等钢结构。需要注意的是，机械矫正的过程会导致材料本身的塑性储备大量消耗，如果钢构件的塑性比较差，则不适用机械矫正的方法消除焊接变形。

　　（2）火焰矫正。这种方法也被称为热矫正，具体是指以加热的方式，使钢结构发生反向变形，从而抵消焊接过程中产生的变形，以此来达到控制变形的目的。钢结构焊接变形控制中，常用的热矫正方式有点状加热、线状加热以及三角形加热。其中点状加热将加热区域当成一个原点；线状加热是沿着钢构件的宽度方向横向摆动；三角形加热的加热区域为三角形。火焰矫正是机械矫正的补充，能够解决机械矫正无法解决的焊接变形问题。

　　钢结构经过焊接后，部分钢构件的变形会呈现出相对固定的状态，基于这一前提，应当选择适宜的矫正方法，为达到预期中的矫正效果，应掌握正确的操作方法。如，采用机械矫正的方法对钢构件进行焊接矫正时，不得在焊缝的位置处施压，矫正的最大变形控制在2°以内；采用火焰矫正时，要控制好温度，最高不宜超过600℃。

　　2.4控制技术的应用

　　2.4.1合理设计

　　在钢结构工程中，焊接变形的产生在很大程度与构造设计有关，如果设计本身存在问题，则会导致焊接变形的机率增大。因此，对构造合理设计是控制焊接变形较为有效的途径之一，尤其是要确保焊接节点构造的设计合理，从而为后续焊接作业提供支撑，避免焊接变形的出现。

　　（1）控制焊缝数量和尺寸。设计钢结构焊接节点时，应当以施工现场的实际情况为依据，并按照相关规范标准的规定要求，对焊缝的数量及焊缝的尺寸大小进行控制，从而使焊缝与钢结构工程的施工要求相符，减少焊接变形的产生，提高钢结构的焊接质量。

　　（2）控制坡口形状与尺寸。在钢结构焊接作业中，应按照选用的焊接工艺，对坡口的形状及尺寸合理确定，以此来满足钢结构的承载力要求。合理的坡口形状及尺寸大小，能够使焊接截面更加合理，有助于减少钢结构焊接变形的产生。

　　（3）对称布设焊接节点。在钢构件的截面上应对焊接节点对称布置，尽量将焊接节点设置在钢构件中心轴的两侧，与中心轴的距离越近越好。需要注意的是，焊接节点的位置不宜选在应力过于集中的区域。

　　（4）选择适宜的节点形式。焊接节点的形式选择是较为重要环节，应确保所选的节点形式刚性尽可能小，不得将焊接节点设置在双向或是三向交叉的位置处。通过对接点形式的合理选择，能避免焊缝集中引起的高温集中和应力集中等现象，由此可减少焊接变形的产生。

　　2.4.2操作控制

　　操作不当是引起钢结构焊接变形的主要原因之一，为有效避免钢结构焊接变形的产生，应对焊接操作严格控制。在厚度较大的钢板焊接中，风枪敲击是较为常用的方法，能减少焊接引起的角变形，甚至可以消除焊接变形。不仅如此，还能使焊缝所在的区域形成更好的延伸作用，这样可以降低焊接时内应力的产生。应尽可能在焊缝温度较高时用风枪进行敲击，由此可提高焊接变形的控制效果。

　　2.4.3工艺控制

　　钢结构焊接作业的过程中，要对焊接工艺严格控制，这是减少焊接变形的有效途径，具体做法如下。

　　（1）根据钢结构的特点，选择适宜的焊接工艺，采取正确的方法完成焊缝，常用的焊接方法有直接焊、分段焊、对称焊等。以直接焊的方法对钢结构焊缝施焊时，应将焊缝的一端作为起始点，按照预先确定好的焊接速度，逐步向焊缝的另一端推进，要控制好焊缝的长度，最长不得超过30cm，最佳的长度为25cm；当焊缝比较长时，可进行分段焊接，将整条焊缝划分为多个小段，采用相同的工艺对这些小段同时焊接，这种方法适用于焊缝长度在25cm～100cm的钢结构；当焊缝整体长度超过100cm时，可采用对称焊接的方法，即在焊缝截面上对称施焊，从而抵消部分焊接变形。

　　（2）焊接变形的产生与焊接顺序有着一定的关联，如果钢结构焊接作业时顺序不正确，则会增大焊接变形的产生机率。因此，确保焊接顺序正确是控制焊接变形的有效途径之一。除焊接顺序之外，钢结构的装配顺序也对焊接变形具有影响。因此，要按照预先确定好的顺序对钢结构进行装配，同时，按正确的顺序完成钢结构的焊接，这样能够最大程度地减少焊接变形。

　　3结语

　　综上所述，钢结构焊接施工中，应采取行之有效的方法和技术措施，对残余应力及焊接变形进行有效控制，从而消除二者对钢结产生的不利影响，确保钢结构的质量达标，使其作用得以全面发挥。