浅谈钢结构焊接变形与焊接应力

浅谈钢结构焊接变形与焊接应力

宣中辉刘福德张龙华

大庆油田中油电能热电一公司黑龙江大庆

摘要：在建筑钢结构发展如火如荼的今天，形式各异、功能优良的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术成了一个重要课题。本文将通过简要分析焊接变形和焊接应力产生的原因，探究和把握它们和变化规律，以便在钢结构施工中对焊接变形和焊接应力采取科学合理的方法予以预防、控制和消除。

关键词：焊接应力；焊接变形；消除；控制

一、焊接应力与变形关系的阐述

在焊接过程中，焊缝金属在热膨胀过程中受到处于相对低温区的母材金属的内拘束和结构外拘束，不能够自由膨胀而产生压应力，压应力大于屈服强度时，这样就产生了压缩塑性变形，随着变形量的增加，焊接应力减小，焊接变形成了应力的释放形式，由于材料还未成为完全塑性材料，在材料内部还会产生压缩弹性变形，为使整个构件平衡，接头高温区产生压应力，母材低温区产生拉应力。

在焊接接头冷却过程中，产生压缩塑性变形的焊缝区由于不能恢复到原来状态，要缩短，由于内外拘束条件的限制，焊缝金属产生了拉应力，屈服点却随温度的降低而升高，因此焊缝产生了一定量的拉伸应变，并未完全拉伸而卸载，即焊接拉应力在焊缝拉伸过程中有所减小，当减小到屈服点以下就以弹性应变的方式存在于焊接构件当中，即产生拉应力，为平衡与此构件当中产生了的焊接压应力，最终整个构件在一拉一压应力作用下平衡了，且构件面积变小。

由此可见焊接应力与变形总是成对出现，在焊接应力、温度和屈服强度的对比的条件下相互转化，温度升高，屈服强度降低，变形增加，焊接应力减小；反之，屈服强度降低，变形减小，焊接应力增加。

二、焊接应力与变形产生的原因

通常，我们把焊接时不均匀加热看成产生焊接应力与变形的根本原因，焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的结果，如材料因素、工艺因素和结构因素等。若仅就其材料本身的物理性质和力学性质引起的内拘束条件影响而言，焊接应力与变形产生的原因可表述如下：焊接热输入引起材料不均匀加热，使焊缝区熔化，在热传导作用下致使焊接接头形成了高温区，材料的发生热膨胀则受到周围母材形成的低温区域的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中已产生的压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的限制而不能自由收缩，不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时熔池凝固金属冷却收缩也产生相应的应力与变形，也就是高温焊缝区受到拉应力，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变。

与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应在构件中会形成自身相平衡的内应力，即为焊接应力。焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料恢复到弹性状态；此时若有金属组织变化，则伴随体积变化出现相变应力。

三、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施

1、焊接残余应力的危害

影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。

2、降低焊接应力的措施

（1）设计措施

尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。

（2）工艺措施

采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。

采用热处理方法：整体高温回火、局部高温回火或温差拉伸法（低温消除应力法，伴随焊缝两侧的加热同时加水冷）

四、焊接变形的危害性及预防焊接变形得到措施

1、焊接变形的分类

焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和室温条件下的残余变形，又可分为焊接的面内变形和面外变形。面内变形可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形；面外变形可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、矢稳波浪变形。

2、焊接变形的危害

降低装配质量；影响外观质量，降低承载力；增加矫正工序，提高制造成本。

3、预防焊接变形的措施

（1）采取合理的焊接工艺措施

a、合理的焊接方法。尽量用气体保护焊等热源集中的焊接方法。不宜用电弧焊，特别不宜选用气焊。

b、合理的焊接规范。尽量采用小规范，减少焊接线能量。

c、合理的焊接顺序和方向。储罐底板焊接时，应先焊短焊缝、后焊长焊缝，待底边板与壁板的角焊缝焊完后，最后焊接边板与中幅板之间的收缩焊缝。焊接长焊缝时，可采用分段倒退焊及分段跳焊等方法；焊接X形坡口的厚板多道焊时，采用对称交替焊。

d、进行层间锤击。

（2）进行合理的焊接结构设计

合理安排焊缝位置。焊缝尽量以构件截面的中性轴对称；焊缝不宜过于集中；合理选择焊缝尺寸和形状。在保证结构有足够承载力的前提下，应尽量选择较小的焊缝尺寸，同时选用对称的坡口；尽量减小焊缝数量，减小焊缝长度。

（3）采取合理的装配工艺措施

a、预留收缩余量法。为了防止焊件焊接以后发生尺寸缩短发生缩短的尺寸，可以通过计算，将发生缩短的尺寸在焊前预留出来。为了保证预留的准确，应将估算、经验和实测三者结合起来。

b、反变形法。为了抵消焊接变形，在焊前装配时，先将焊件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。只要预计准确，反变形控制得当，就能取得良好的效果。反变形法常用来控制角变形和防止壳体局部下塌。

c、刚性固定法。刚性固定法适用于较小的焊件，在焊接施工中应用较多，对角变形和波浪交形有显著的效果。为了防止薄板焊接时的变形，常在焊缝两侧加型钢、压铁或楔子压紧固定。此法在焊接大型储罐底板时采用较多。装配压力容器及球罐时，往往采用弧形加强板、日字形夹具进行刚性固定。

d、合理的选择装配程序。对于大型焊接结构，适当地分成几个部件，分别进行装配焊接，然后再拼焊成整体。这样，小部件可以自由地收缩，而不至于引起整体结构的变形。如储罐底板焊接可前焊短焊缝，再焊长焊缝采用合理的焊接工艺措施。

结语

在焊接过程中，诸多因素的影响，使得焊接结构会产生和内应力和变形。本文阐述了焊接应力产生的原因，若干种控制及消除焊接应力的措施，以及焊接变形的控制和矫正方法。

参考文献

[1]董涛，李兴春.焊接变形的控制方法[J].现代制造技术与装备，2010（2）.

[2]尹妍.车载式电子设备机柜结构轻型化设计[J].指挥信息系统与技术，2010（4）.