焊接應(yīng)力、焊接變形的產(chǎn)生和控制

李季

（齊齊哈爾市自來水集團廣源給水工程有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的今天，形式各樣的焊接機械、焊接方法日新月異，焊接技術(shù)和焊接質(zhì)量成了一個關(guān)鍵的課題。但是在施工過程中，由于焊接過程產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，嚴重影響著工程的質(zhì)量、工程的安裝進度和結(jié)構(gòu)承載力（即使用功能），因此，需要采用合理的焊接方法和焊接工藝加以控制。建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程實際上是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過程，但由于不均勻溫度場，導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力而引起焊接變形。

焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。按應(yīng)力作用時間的不同，焊接應(yīng)力可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接瞬間應(yīng)力，是指焊接過程中某一瞬時的焊接應(yīng)力，它隨時間而變化。焊件冷卻后，殘留于焊件內(nèi)的應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接變形，即由于焊接而引起的焊件變形。焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。焊后焊件不能消失的變形，稱為焊接殘余變形。我們將主要討論焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余變形的產(chǎn)生和控制。

1 焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形產(chǎn)生的原因

影響焊接應(yīng)力與變形的因素很多，最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應(yīng)力與焊接變形的大小、方向、分布等也都有一定影響。

2 焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的分類

2.1 焊接殘余應(yīng)力

按焊接應(yīng)力的性質(zhì)劃分：拉應(yīng)力；壓應(yīng)力。

2.2 按引起焊接應(yīng)力的基本原因劃分

熱應(yīng)力，也稱溫差應(yīng)力；組織應(yīng)力，也稱相變應(yīng)力；拘束應(yīng)力，也稱反作用應(yīng)力或收縮應(yīng)力。

2.3 按焊接應(yīng)力作用的方向劃分

縱向應(yīng)力；橫向應(yīng)力；厚度方向應(yīng)力。

2.4 按焊接應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中存在的情況劃分

單向應(yīng)力（線應(yīng)力）；兩向應(yīng)力（平面應(yīng)力）；三向應(yīng)力（體積應(yīng)力）。

2.5 按內(nèi)應(yīng)力的發(fā)生和分布范圍劃分

第一類應(yīng)力，又稱宏觀應(yīng)力；第二類應(yīng)力，又稱微觀應(yīng)力；第三類應(yīng)力，它的平衡范圍更小，其平衡范圍只可用晶格尺寸來比量。

焊接殘余變形，焊接變形分為六種基本變形形式：收縮變形：縱向收縮變形；橫向收縮變形；彎曲變形；角變形；波浪變形；扭曲變形；錯邊變形。

3 焊接殘余應(yīng)力、焊接殘余變形的控制措施

針對這些不同種類的焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，追溯根源，根據(jù)實際情況進行分析，采取有效可行的控制措施。

3.1 焊接殘余應(yīng)力的控制措施

構(gòu)件焊接時產(chǎn)生瞬時內(nèi)應(yīng)力，焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時產(chǎn)生殘余變形，這是不可避免的現(xiàn)象。焊接殘余變形的矯正費時費工，構(gòu)件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是控制焊接變形，往往對控制焊接殘余應(yīng)力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制焊接變形，與此同時實際上是增大了焊后的殘余應(yīng)力。對于一些本身剛性較大的構(gòu)件，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大時，雖然焊接變形會較小，但卻同時產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生焊接裂紋。因此，對于一些構(gòu)件截面厚大，焊接節(jié)點復(fù)雜，拘束度大，鋼材強度級別高，使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)要注意焊接應(yīng)力的控制?？刂茟?yīng)力的目標(biāo)是降低其峰值使其均勻分布，其控制措施有以下幾種：減小焊縫尺寸；減小焊接拘束度；采取合理的焊接順序；降低焊件剛度，創(chuàng)造自由收縮的條件；錘擊法減小焊接殘余應(yīng)力；采用拋丸機除銹。

3.2 焊接殘余變形的控制措施

全面分析各種因素對焊接殘余變形的影響，掌握其影響規(guī)律，就可以采取合理有效的控制措施。

3.2.1 焊縫截面積的影響

焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，而且是起主要的影響作用，因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

3.2.2 焊接熱輸入的影響

一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。

3.2.3 焊接方法的影響

多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。

3.2.4 接頭形式的影響

在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方法等條件因素相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。1)表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度，使焊縫收縮的同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。2)T形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。3)對接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。

3.2.5 焊接層數(shù)的影響

橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此，收縮變形相對較小?？v向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊接時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。

在工程焊接實踐過程中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，充分了解各因素單獨作用的影響，以便于對工程焊接具體情況做具體的綜合分析。所以，了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，就可以采取合理有效的控制焊接殘余變形的技術(shù)措施：

1 )減小焊縫截面積，在得到完整、無超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸（角度和間隙）。對屈服強度345MPa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度；優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。厚板焊接時盡可能采用多層焊代替單層焊。在滿足設(shè)計要求情況下，縱向加強肋和橫向加強肋的焊接方法可采用間斷焊接法。雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊接時采用與構(gòu)件中和軸對稱的焊接順序。T形接頭板厚較大時采用開坡口角對接焊縫。采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。采用剛性夾具固定法控制焊后變形。采用構(gòu)件預(yù)留長度法補償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長可預(yù)留0.5mm～0.7mm。對于長構(gòu)件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構(gòu)件組裝精度，使坡口角度和間隙準確，電弧的指向或?qū)χ袦蚀_，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構(gòu)件長度方向一致。在焊縫眾多的構(gòu)件組焊時或結(jié)構(gòu)安裝時，要采取合理的焊接順序。設(shè)計上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸相對稱。

綜上所述，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，一定要了解焊接工藝，采取合理有效的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。在工作實踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗，綜合分析考慮各種影響因素，才可以保證建筑工程中的焊接工程質(zhì)量。

[1]王者昌.關(guān)于焊接應(yīng)力應(yīng)變問題的再探討[J].焊接學(xué)報，2006-08-25.