淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力

王紅慶 杜鴻

摘要：鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于其自重、強(qiáng)度及抗震上，同時(shí)在施工難度和時(shí)間上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，為建筑行業(yè)以及鋼材去產(chǎn)能帶來(lái)了契機(jī)，得到廣泛采用。但是鋼結(jié)構(gòu)的缺陷和潛在隱患依然存在。例如隨著鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)間增長(zhǎng)，其疲勞破損機(jī)脆性情況會(huì)愈加嚴(yán)重，同時(shí)防腐蝕能力也減弱。文章從對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接的殘余應(yīng)力的分類、產(chǎn)生原因及解決措施等方面進(jìn)行剖析，闡述了應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的幾條建議，希望對(duì)類似工程提供可供參考和借鑒的意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：焊接;溫度;焊接變形;焊接應(yīng)力

在施工過(guò)程中一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊后殘余應(yīng)力、殘余變形。在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合分析考慮各種因素，以保證工程中的焊接質(zhì)量。

一、焊接應(yīng)力與變形關(guān)系的闡述

在焊接過(guò)程中，焊縫金屬在熱膨脹過(guò)程中受到處于相對(duì)低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結(jié)構(gòu)外拘束，不能夠自由膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，這樣就產(chǎn)生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應(yīng)力減小，焊接變形成了應(yīng)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(huì)產(chǎn)生壓縮彈性變形，為使整個(gè)構(gòu)件平衡，接頭高溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

在焊接接頭冷卻過(guò)程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由于不能恢復(fù)到原來(lái)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(yīng)力，屈服點(diǎn)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(yīng)變，并未完全拉伸而卸載，即焊接拉應(yīng)力在焊縫拉伸過(guò)程中有所減小，當(dāng)減小到屈服點(diǎn)以下就以彈性應(yīng)變的方式存在于焊接構(gòu)件當(dāng)中，即產(chǎn)生拉應(yīng)力，為平衡與此構(gòu)件當(dāng)中產(chǎn)生了的焊接壓應(yīng)力，最終整個(gè)構(gòu)件在一拉一壓應(yīng)力作用下平衡了，且構(gòu)件面積變小。

由此可見(jiàn)焊接應(yīng)力與變形總是成對(duì)出現(xiàn)，在焊接應(yīng)力、溫度和屈服強(qiáng)度的對(duì)比的條件下相互轉(zhuǎn)化，溫度升高，屈服強(qiáng)度降低，變形增加，焊接應(yīng)力減小;反之，屈服強(qiáng)度降低，變形減小，焊接應(yīng)力增加。

二、焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力最根本的原因是焊件受熱或冷卻不均勻，此外，焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性也是產(chǎn)生或影響焊接變形與應(yīng)力的重要原因。

1、焊件的不均勻受熱

焊接是一種局部加熱和冷卻的過(guò)程，焊件焊接區(qū)的金屬在熱作用下的熱自由膨脹受到周圍未被加熱金屬的阻礙而發(fā)生壓縮性變形，所以焊后冷卻時(shí)，這一區(qū)域的金屬必然有收縮變短的趨勢(shì)。

2、焊縫金屬的收縮

焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側(cè)力學(xué)熔點(diǎn)以上的固態(tài)母材金屬，它們均處于全塑性狀態(tài)，只有自身的塑性變形，對(duì)周圍金屬并無(wú)推力和拉動(dòng)作用，這部分金屬在力學(xué)熔點(diǎn)以下是不能自由收縮的。

3、金屬組織的變化

有些金屬在固態(tài)下有相變過(guò)程。焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。如高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，焊縫金屬像被淬火一樣，來(lái)不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時(shí)產(chǎn)生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應(yīng)力，甚至可能使焊縫區(qū)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。

4、焊件的剛性和拘束

焊件的剛性和拘束與焊接應(yīng)力、焊接變形有密切的關(guān)系。焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應(yīng)力則越大;反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應(yīng)力則越小。

三、焊接變形和焊接應(yīng)力的預(yù)防和控制

1、預(yù)防和控制焊接變形的措施

（1）設(shè)計(jì)措施：

設(shè)計(jì)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)件的中軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中軸相對(duì)稱。

（2）工藝措施

①反變形法。在焊接前進(jìn)行裝配時(shí)，預(yù)先制造或設(shè)置一個(gè)與焊接變形相反的變形，以便在焊接過(guò)程中，使焊接變形與預(yù)制的反變形相互抵消，達(dá)到焊接后沒(méi)有變形的目的，它屬于預(yù)防焊接變形的措施。

②選擇合理的裝配焊接順序。選擇合理的裝配焊接順序，使焊接變形消失于裝配焊接的過(guò)程中，或使不同時(shí)期，不同位置產(chǎn)生的焊接變形相反、相消，達(dá)到調(diào)整、控制和消減焊接變形的目的。

③選擇適宜的焊接方法。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，在其他條件如焊縫截面積相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。對(duì)屈服強(qiáng)度345Mpa以下，淬硬性不強(qiáng)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(hù)焊。

④固定法。剛性固定法是一個(gè)傳統(tǒng)的限制焊接變形的方法，簡(jiǎn)單的固定和限制松開(kāi)后，彈性變形要釋放，不能完全防止焊接變形。剛性固定的方法很多，有的用簡(jiǎn)單的夾具成支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時(shí)點(diǎn)固在剛性工作平臺(tái)上，有的甚至利用結(jié)構(gòu)本身去構(gòu)成剛性較大的組合體。

⑤散熱法。散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法，就是把焊接熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減小，達(dá)到減小焊接變形的目的，常用的散熱法有水浸法和散熱墊法。水浸法常用于表面堆焊和補(bǔ)焊。

2、預(yù)防和控制焊接應(yīng)力的措施

（1）采用合理的焊接順序

不僅防止彎曲及角變形等焊接變形時(shí)要考慮合理安排焊接順序，而且減小應(yīng)力也應(yīng)選擇合理的焊接順序，具體原則如下：

①平面上的焊縫焊接時(shí)，要保證焊縫的縱向和橫向（特別是橫向）收縮不要受到較大的約束。

②收縮量最大的焊縫應(yīng)當(dāng)先焊。因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，故應(yīng)力較小。

（2）預(yù)先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量

①開(kāi)緩和槽減小應(yīng)力法：厚度大的焊件剛性大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開(kāi)緩和槽的方法來(lái)減小焊接應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。

②采用“冷焊”的方法：這種方法的原則是使整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個(gè)“局部”的溫度應(yīng)盡量控制得低些，同時(shí)這個(gè)“局部”在結(jié)構(gòu)這個(gè)“整體”中所占的面積范圍應(yīng)盡量小些。

③整體預(yù)熱法：這種方法減小焊接應(yīng)力的原理與“冷焊法”在本質(zhì)上是相似的，即同樣是使焊接區(qū)的溫度和結(jié)構(gòu)整體溫度之間的差別減小，差別愈小，冷卻后焊接應(yīng)力也愈小，產(chǎn)生裂紋的傾向也愈小。

④采用加熱“減應(yīng)區(qū)”法：這種方法就是加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位（“減應(yīng)區(qū)”），使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。這種方法又稱為加熱去除約束法。

四、焊接變形和焊接應(yīng)力的消除

1、焊接變形的矯正

在鋼結(jié)構(gòu)加工之前，首先考慮采取各種有效措施防止或減小焊接變形，但在實(shí)際施工中由于某些原因，焊后結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生了超過(guò)產(chǎn)品技術(shù)要求所允許的變形，這樣就必須設(shè)法矯正變形，使之符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

2、焊接應(yīng)力的消除

（1）去應(yīng)力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進(jìn)行整體去應(yīng)力退火，也可以局部退火。

（2）機(jī)械拉伸法：即對(duì)焊件施加載荷，使焊縫區(qū)產(chǎn)生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應(yīng)力。如：壓力容器的水壓試驗(yàn)。

（3）溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側(cè)金屬受熱膨脹以對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，使其產(chǎn)生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應(yīng)力，該法適用于焊縫較規(guī)則，厚度在40L以下的板殼結(jié)構(gòu)。

（4）振動(dòng)法：通過(guò)激振器使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力來(lái)降低或消除內(nèi)應(yīng)力。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，焊接變形和焊接應(yīng)力的控制，要結(jié)合實(shí)際情況，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、鋼結(jié)構(gòu)的受力情況、焊接工藝的選擇等具體參數(shù)，結(jié)合有效的焊接措施見(jiàn)效焊接變形以及殘余應(yīng)力的影響，保證鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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