淺談鋼結構焊接變形與焊接應力

孫坤 楊金坡

摘要：在焊接應力、溫度和屈服強度的對比的條件下相互轉化，溫度升高，屈服強度降低，變形增加，焊接應力減小;反之，屈服強度降低，變形減小，焊接應力增加。使得焊接結構會產(chǎn)生和內(nèi)應力和變形。本文闡述了焊接應力產(chǎn)生的原因，若干種控制及消除焊接應力的措施，以及焊接變形的控制和矯正方法。

關鍵詞：焊接應力;焊接變形;消除;控制

引言

焊接應力與變形是由多種因素交互作用而導致的結果，如材料因素、工藝因素和結構因素等。若僅就其材料本身的物理性質(zhì)和力學性質(zhì)引起的內(nèi)拘束條件影響而言，焊接應力與變形產(chǎn)生的原因可表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，在熱傳導作用下致使焊接接頭形成了高溫區(qū)，材料的發(fā)生熱膨脹則受到周圍母材形成的低溫區(qū)域的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形;在冷卻過程中已產(chǎn)生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材料的限制而不能自由收縮，不同程度上又被拉伸而卸載;與此同時熔池凝固金屬冷卻收縮也產(chǎn)生相應的應力與變形，也就是高溫焊縫區(qū)受到拉應力，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應變。與焊接接頭區(qū)產(chǎn)生的縮短不協(xié)調(diào)應變相對應在構件中會形成自身相平衡的內(nèi)應力，即為焊接應力。焊接接頭區(qū)金屬在冷卻到較低溫度時，材料恢復到彈性狀態(tài);此時若有金屬組織變化，則伴隨體積變化出現(xiàn)相變應力。

一、焊接應力與變形關系的闡述

在焊接過程中，焊縫金屬在熱膨脹過程中受到處于相對低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結構外拘束，不能夠自由膨脹而產(chǎn)生壓應力，壓應力大于屈服強度時，這樣就產(chǎn)生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應力減小，焊接變形成了應力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內(nèi)部還會產(chǎn)生壓縮彈性變形，為使整個構件平衡，接頭高溫區(qū)產(chǎn)生壓應力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應力。

在焊接接頭冷卻過程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由于不能恢復到原來狀態(tài)，要縮短，由于內(nèi)外拘束條件的限制，焊縫金屬產(chǎn)生了拉應力，屈服點卻隨溫度的降低而升高，因此焊縫產(chǎn)生了一定量的拉伸應變，并未完全拉伸而卸載，即焊接拉應力在焊縫拉伸過程中有所減小，當減小到屈服點以下就以彈性應變的方式存在于焊接構件當中，即產(chǎn)生拉應力，為平衡與此構件當中產(chǎn)生了的焊接壓應力，最終整個構件在一拉一壓應力作用下平衡了，且構件面積變小。焊接應力與變形總是成對出現(xiàn)，在焊接應力、溫度和屈服強度的對比的條件下相互轉化，溫度升高，屈服強度降低，變形增加，焊接應力減小;反之，屈服強度降低，變形減小，焊接應力增加。

二、焊接殘余應力的危害及降低焊接應力的措施

1.焊接殘余應力的危害

影響構件承受靜載能力;影響結構脆性斷裂;影響結構的疲勞強度;影響結構的剛度和穩(wěn)定性;易產(chǎn)生應力腐蝕開裂;影響構件精度和尺寸的穩(wěn)定性。

2.降低焊接應力的措施

（1）設計措施。盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，在減小變形量的同時降低焊接應力;防止焊縫過于集中，從而避免焊接應力峰值疊加;要求較高的容器接管口，宜將插入式改為翻邊式。

（2）工藝措施。采用較小的焊接線能量，減小焊縫熱塑變的范圍，從而降低焊接應力;合理安排裝配焊接順序，使焊縫有自由收縮的余地，降低焊接中的殘余應力;層間進行錘擊，使焊縫得到延展，從而降低焊接應力;焊接高強鋼時，選用塑性較好的焊條;預熱拉伸補償焊縫收縮（機械拉伸或加熱拉伸）;采用整體預熱;降低焊縫中的含氫量及焊后進行消氫處理，減小氫致集中應力。

采用熱處理方法：整體高溫回火、局部高溫回火或溫差拉伸法（低溫消除應力法，伴隨焊縫兩側的加熱同時加水冷）

三、焊接變形的危害性及預防焊接變形得到措施

1、焊接變形的分類

焊接變形可以區(qū)分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和室溫條件下的殘余變形，又可分為焊接的面內(nèi)變形和面外變形。面內(nèi)變形可分為焊縫縱向收縮變形、橫向收縮變形和焊縫回轉變形;面外變形可分為角變形、彎曲變形、扭曲變形、矢穩(wěn)波浪變形。

2、焊接變形的危害。降低裝配質(zhì)量;影響外觀質(zhì)量，降低承載力;增加矯正工序，提高制造成本。

3.預防焊接變形的措施（1）進行合理的焊接結構設計。合理安排焊縫位置。焊縫盡量以構件截面的中性軸對稱;焊縫不宜過于集中;合理選擇焊縫尺寸和形狀。在保證結構有足夠承載力的前提下，應盡量選擇較小的焊縫尺寸，同時選用對稱的坡口;盡量減小焊縫數(shù)量，減小焊縫長度。（2）采取合理的裝配工藝措施。a、預留收縮余量法。為了防止焊件焊接以后發(fā)生尺寸縮短發(fā)生縮短的尺寸，可以通過計算，將發(fā)生縮短的尺寸在焊前預留出來。為了保證預留的準確，應將估算、經(jīng)驗和實測三者結合起來。b、反變形法。為了抵消焊接變形，在焊前裝配時，先將焊件向焊接變形相反的方向進行人為的變形，這種方法稱為反變形法。只要預計準確，反變形控制得當，就能取得良好的效果。反變形法常用來控制角變形和防止殼體局部下塌。c、剛性固定法。剛性固定法適用于較小的焊件，在焊接施工中應用較多，對角變形和波浪交形有顯著的效果。為了防止薄板焊接時的變形，常在焊縫兩側加型鋼、壓鐵或楔子壓緊固定。此法在焊接大型儲罐底板時采用較多。裝配壓力容器及球罐時，往往采用弧形加強板、日字形夾具進行剛性固定。d、合理的選擇裝配程序。對于大型焊接結構，適當?shù)胤殖蓭讉€部件，分別進行裝配焊接，然后再拼焊成整體。這樣，小部件可以自由地收縮，而不至于引起整體結構的變形。如儲罐底板焊接可前焊短焊縫，再焊長焊縫采用合理的焊接工藝措施。

（3）采取合理的焊接工藝措施a、合理的焊接方法。盡量用氣體保護焊等熱源集中的焊接方法。不宜用電弧焊，特別不宜選用氣焊。b、合理的焊接規(guī)范。盡量采用小規(guī)范，減少焊接線能量。c、合理的焊接順序和方向。儲罐底板焊接時，應先焊短焊縫、后焊長焊縫，待底邊板與壁板的角焊縫焊完后，最后焊接邊板與中幅板之間的收縮焊縫。焊接長焊縫時，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時，采用對稱交替焊。d、進行層間錘擊。

參考文獻

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