钢结构焊接变形与焊接应力

【摘 要】为有效控制钢结构因在焊接过程中的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形,就产生焊接变形和焊接应力的原因进行了浅要的分析,提出了预防和控制焊接变形和焊接应力的多种有效措施.

【关 键 词】焊接温度焊接变形焊接应力

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.

一、焊接变形与焊接应力的基本概念

1、焊接变形

焊接变形是由于焊接而引起的焊接结构的变形,焊接结构的变形从焊接开始即发生,并一直持续到焊接结构冷却至原始温度时才结束.焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形.

2、焊接应力

焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后存在于焊接结构中的内应力,如图所示对接接头纵向焊接内应力的分布.焊接应力也是焊接一开始就产生,并且随着焊接的进行而不断地改变它在结构中的分布,按照焊接应力作用时间的不同,焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力.

二、焊接变形和焊接应力产生的原因

产生焊接变形与应力最根本的原因是焊件受热或冷却不均匀,此外,焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性也是产生或影响焊接变形与应力的重要原因.

1、焊件的不均匀受热

焊接是一种局部加热和冷却的过程,焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩缩性变形,所以焊后冷却时,这一区域的金属必然有收缩变短的趋势.

2、焊缝金属的收缩

焊缝金属包括熔化的母材和填充金属,甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属,它们均处于全塑性状态,只有自身的塑性变形,对周围金属并无推力和拉动作用,这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的.

3、金属组织的变化

有些金属在固态下有相变过程.焊缝金属在周围冷金属的包围中,冷却速度极快.如高强钢焊接时,焊缝金属像被淬火一样,来不及相变,直到较低温度下,才从奥氏体转变为马氏体,比容明显增大,这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形,减小残余拉应力,甚至可能使焊缝区出现较大的压应力.

4、焊件的刚性和拘束

焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系.焊件的刚度和拘束越大,焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之,焊件的刚度和拘束越小,焊接变形就越大,焊接应力则越小.

三、焊接变形和焊接应力的预防和控制

1、预防和控制焊接变形的措施

（1）设计措施：

设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸,合理布置焊缝,除了要避免焊缝密集以外,还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中轴,并使焊缝的布置与构件中轴相对称.

（2）工艺措施

①反变形法

在焊接前进行装配时,预先制造或设置一个与焊接变形相反的变形,以便在焊接过程中,使焊接变形与预制的反变形相互抵消,达到焊接后没有变形的目的,它属于预防焊接变形的措施.

②选择合理的装配焊接顺序

选择合理的装配焊接顺序,使焊接变形消失于装配焊接的过程中,或使不同时期,不同位置产生的焊接变形相反、相消,达到调整、控制和消减焊接变形的目的.

③选择适宜的焊接方法

多种焊接方法的热输入差别较大,在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中,除电渣焊以外,埋弧焊热输入最大,在其他条件如焊缝截面积相同情况下,收缩变形最大,手工电弧焊居中,CO2气体保护焊最小.对屈服强度345Mpa以下,淬硬性不强的钢材采用较小的热输入,尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法,如CO2气体保护焊.

④固定法

刚性固定法是一个传统的限制焊接变形的方法,简单的固定和限制松开后,弹性变形要释放,不能完全防止焊接变形.刚性固定的方法很多,有的用简单的夹具成支撑,有的采用专用的胎具,有的是临时点固在刚性工作平台上,有的甚至利用结构本身去构成刚性较大的组合体.

⑤散热法

散热法又称强迫冷却法,就是把焊接热量迅速散走,使焊缝附近的金属受热面大大减小,达到减小焊接变形的目的,常用的散热法有水浸法和散热垫法.水浸法常用于表面堆焊和补焊.

2、预防和控制焊接应力的措施

（1）采用合理的焊接顺序

不仅防止弯曲及角变形等焊接变形时要考虑合理安排焊接顺序,而且减小应力也应选择合理的焊接顺序,具体原则如下：

①平面上的焊缝焊接时,要保证焊缝的纵向和横向（特别是横向）收缩不要受到较大的约束.

②收缩量最大的焊缝应当先焊.因为先焊的焊缝收缩时受阻较小,故应力较小.

（2）预先留出保证焊缝能够自由收缩的余量

1开缓和槽减小应力法：厚度大的焊件刚性大,焊接时容易产生裂纹,在不影响结构强度性能的前提下,可以采用在焊缝附近开缓和槽的方法来减小焊接应力,避免裂纹的产生.

2采用“冷焊”的方法：这种方法的原则是使整个结构上的温度分布尽可能均匀,即要求焊接部位这个“局部”的温度应尽量控制得低些,同时这个“局部”在结构这个“整体”中所占的面积范围应尽量小些.

3整体预热法：这种方法减小焊接应力的原理与“冷焊法”在本质上是相似的,即同样是使焊接区的温度和结构整体温度之间的差别减小,差别愈小,冷却后焊接应力也愈小,产生裂纹的倾向也愈小.

4采用加热“减应区”法：这种方法就是加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（“减应区”）,使之与焊接区同时膨胀和同时收缩,起到减小焊接应力的作用.这种方法又称为加热去除约束法.

四、焊接变形和焊接应力的消除

1、焊接变形的矫正

在钢结构加工之前,首先考虑采取各种有效措施防止或减小焊接变形,但在实际施工中由于某些原因,焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形,这样就必须设法矫正变形,使之符合产品质量要求.

2、焊接应力的消除

（1）去应力退火：又称高温回火,焊后钢件加热温度为500～650℃,可进行整体去应力退火,也可以局部退火.

（2）机械拉伸法：即对焊件施加载荷,使焊缝区产生塑性拉伸,以减少其原有的压缩塑变,从而降低或消除应力.如：压力容器的水压试验.

（3）温差拉伸法：利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸,使其产生拉伸塑变以抵消原有的压缩塑变,从而减少或消除应力,该法适用于焊缝较规则,厚度在40L以下的板壳结构.

（4）振动法：通过激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力.

结束语：

在钢结构施工过程中,一定要了解焊接结构的材料、工作条件等各方面,正确编制焊接工艺,采用合理有效的焊接方法和预防控制措施,减小焊接变形和焊接应力.同时在工作实践中需要不断总结、积累焊接经验,综合分析分析各种因素,确保钢结构工程的质量.