大型非标钢结构设备关键部位焊接变形控制实用方法研究

1 引言

非标钢结构设备是指根据特殊需求定制的、在设计和制造上不符合标准化尺寸或标准化规范的钢结构设备。与常规钢结构相比，非标钢结构设备通常具有更高的设计复杂性和更严苛的技术要求。这类设备广泛应用于能源、化工、冶金、机械制造等领域，尤其是在涉及大规模生产、重型运输、复杂工艺流程的场合[1]。

在开展焊接作业的过程当中，焊接热源处于接头部位所引发的局部加热以及随后的冷却这一系列过程，会促使金属出现非均匀性的膨胀与收缩情况，由此便催生出了塑性变形。热输入的量若是越大，那么焊缝及其周边邻近区域所呈现出的温差就会越发显著，相应产生的热应力自然也会更大，进而使得焊接区域呈现出的变形趋向进一步加剧。焊接次序的抉择对于应力的分布状况有着颇为显著的影响作用，倘若所选用的焊接次序并不合理，那么便极有可能致使热应力不断累积起来，最终形成永久性的变形。结构的尺寸大小以及其具体形状同样也径直决定了构件针对热应力会做出何种响应方式，那些体积相对更大、结构更为繁杂的工件，其局部产生的热变形在整个整体结构当中要想实现均衡释放是更为困难的，很容易就会形成宏观层面上的翘曲或者扭曲现象[2]。

2 焊接变形控制的理论基础

2.1 焊接热源与热输入控制

焊接热源自身所具备的特性，决定了在焊接这一过程当中热输入的具体强度情况以及其分布的方式，它毫无疑问属于引发焊接变形的关键因素。不同种类的热源，如电弧焊、激光焊或者等离子弧焊，它们各自的能量密度以及热扩散方面的特性，是存在着颇为显著的差异的，并且对热影响区的温度梯度以及应力分布都有着很直接的影响作用。在那些大型的非标钢结构设备里面，由于构件的尺寸往往比较大，而且其结构还挺复杂的，所以热输入若是不均匀，就更容易促使局部出现应力集中的情况以及不均匀收缩的现象，进而也就会引发像角变形、波浪变形等等一系列的问题。通过对热输入控制参数加以优化，比如说电流、电压、焊接速度以及焊接层间温度这些方面，是能够有效地对熔池热循环过程进行调节，就可以降低热影响区的范围大小，同时也能减小残余应力以及变形累积的程度[3]。

2.2 焊接顺序与约束措施的影响

焊接顺序以及约束措施均属于控制焊接变形的行之有效的手段，它们会对焊接过程里应力的分布状况以及变形的具体程度产生直接的影响。就大型非标钢结构设备的焊接工作来讲，鉴于其结构的复杂性以及尺寸方面的庞大性，在焊接期间常常会出现因应力不断积累而引发的弯曲变形情况。合理安排焊接顺序，能够较为有效地对各部分的热膨胀情况与收缩情况予以平衡处理，进而减少因不均匀加热以及冷却所引起的局部变形问题。举例来说，运用对称焊接顺序或者分步焊接技术，既能够减少残余应力，又可以避免因局部热膨胀程度过大而导致的变形现象出现。并且，对焊接顺序所做的调整还应当结合具体工件的形状特点以及结构特点来开展，以此对焊接路径加以优化，防止热源过度集中于某一个区域。而约束措施，比如适当的固定夹具以及辅助支撑等，在焊接过程当中能够有效地对变形情况起到约束作用，确保构件在焊接过程里不会出现过度变形或者扭曲的情况。

3 焊接变形控制实用方法研究

3.1 焊接过程控制方法

在焊接作业开展期间，控制变形的一项极为关键的技术当属热输入调节这一方面。具体来讲，要是能够对焊接热源具备的功率以及热输入的具体数量加以把控的话，那么便可以颇为有效地对焊接区域呈现出来的温度分布状况予以调节，进而使得热影响区出现的变形情况得以减少。就好比说，当采用适宜的焊接电流、焊接电压以及焊接速度之时，是能够在相应程度上对焊接接头的热扩展情况加以控制的，如此一来，便可避免因过热或者冷却速度过快而致使的形变问题出现。除此之外，局部加热技术同样也是在焊接变形控制领域里较为常见的一种方法。当针对焊接件的关键部位来开展局部加热操作的时候，是能够对由于焊接过程当中存在的温度梯度而引发的应力集中现象予以缓解的，基于此，也就能够让残余应力以及变形情况有所减少。而且局部加热技术并非仅仅可用于预热环节，在焊接完成之后，还能够展开局部退火处理操作，通过这样的方式，可有效地降低应力，促使焊接部位所具备的力学性能得以改善。要是能够把这两种方法合理且恰当地加以运用的话，那么便可以极大幅度地提升焊接质量，使得变形情况得以减少，进而让大型非标钢结构设备的加工精度以及稳定性都能够获得提高。

3.2 结构优化设计在焊接变形控制中的应用

结构优化设计于焊接变形控制方面的应用，重点在于凭借合理的结构布局以及对设计参数的优化处理，以此来使焊接过程当中产生的变形得以降低。在设计阶段便将焊接过程可能产生的影响纳入考量范围，能够在焊接之时有效削减应力集中的状况以及变形程度的。与此同时，结构优化设计还涵盖了对焊接件几何形状以及尺寸做出相应调整这一方面，其目的在于减少焊接过程里出现的力学不均衡情况以及热梯度现象，进而能够切实有效地对变形的发生起到抑制作用。在面对复杂结构件的时候，运用有限元分析方法针对焊接变形展开预测以及优化工作，如此一来便能够为实际生产给出精确的设计依据，防止因为焊接变形而引发精度出现偏差以及装配遭遇困难等一系列问题。通过上述这些手段，对焊接变形加以控制这件事，不但能够让结构的稳定性得到提升，而且还可以在整体性能以及生产效率这两个方面使结构获得有效的提升。

本研究针对大型非标钢结构设备关键部位焊接变形控制的实际需求，提出了将焊接过程控制与结构优化设计相结合的实用方法。细致且系统地剖析焊接热输入、焊接顺序、约束举措以及结构设计参数等一系列起到关键影响的要素之后，着重对热输入的精准调控、合理规划焊接顺序、局部加热技术的运用以及凭借有限元分析展开的结构优化设计等处于核心位置的控制策略予以阐述。

参考文献

[1]闫召军.储罐焊接变形与焊接应力的控制探讨[J].石油和化工设备,2025,28(04):106-107+90.

[2]者霞,张贵基.压力容器焊接变形控制[J].今日制造与升级,2025,(03):93-95.

[3]耿明,孙明双,安志飞,等.高速列车铝合金车体焊接变形的多维度协同控制[J].电焊机,2025,55(03):65-71.