鋼結構焊接變形與焊接應力論文

　　鋼結構焊接變形與焊接應力論文【1】

　　【摘 要】為有效控制鋼結構因在焊接過程中的不均勻膨脹和收縮而造成的焊接變形，就產生焊接變形和焊接應力的原因進行了淺要的分析，提出了預防和控制焊接變形和焊接應力的多種有效措施。

　　【關鍵詞】焊接 溫度 焊接變形 焊接應力

　　在建筑鋼結構發展如火如荼的今天，形式各異、功能優良的焊接機械、焊接方法日新月異，焊接技術成了一個重要課題。

　　本文將通過簡要分析焊接變形和焊接應力產生的原因，探究和把握它們和變化規律，以便在鋼結構施工中對焊接變形和焊接應力采取科學合理的方法予以預防、控制和消除。

　　一、焊接變形與焊接應力的基本概念

　　1、焊接變形

　　焊接變形是由于焊接而引起的焊接結構的變形，焊接結構的變形從焊接開始即發生，并一直持續到焊接結構冷卻至原始溫度時才結束。

　　焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。

　　2、焊接應力

　　焊接應力是焊接過程中及焊接過程結束后存在于焊接結構中的內應力，如圖所示對接接頭縱向焊接內應力的分布。

　　焊接應力也是焊接一開始就產生，并且隨著焊接的進行而不斷地改變它在結構中的分布，按照焊接應力作用時間的不同，焊接應力分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。

　　二、焊接變形和焊接應力產生的原因

　　產生焊接變形與應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生或影響焊接變形與應力的重要原因。

　　1、焊件的不均勻受熱

　　焊接是一種局部加熱和冷卻的過程，焊件焊接區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生壓縮縮性變形，所以焊后冷卻時，這一區域的金屬必然有收縮變短的趨勢。

　　2、焊縫金屬的收縮

　　焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側力學熔點以上的固態母材金屬，它們均處于全塑性狀態，只有自身的塑性變形，對周圍金屬并無推力和拉動作用，這部分金屬在力學熔點以下是不能自由收縮的。

　　3、金屬組織的變化

　　有些金屬在固態下有相變過程。

　　焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。

　　如高強鋼焊接時，焊縫金屬像被淬火一樣，來不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉變為馬氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時產生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應力，甚至可能使焊縫區出現較大的壓應力。

　　4、焊件的剛性和拘束

　　焊件的剛性和拘束與焊接應力、焊接變形有密切的關系。

　　焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應力則越大;反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應力則越小。

　　三、焊接變形和焊接應力的預防和控制

　　1、預防和控制焊接變形的措施

　　(1)設計措施：

　　設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中軸，并使焊縫的布置與構件中軸相對稱。

　　(2)工藝措施

　　① 反變形法

　　在焊接前進行裝配時，預先制造或設置一個與焊接變形相反的變形，以便在焊接過程中，使焊接變形與預制的反變形相互抵消，達到焊接后沒有變形的目的，它屬于預防焊接變形的措施。

　　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程中，或使不同時期，不同位置產生的焊接變形相反、相消，達到調整、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，在建筑鋼結構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氣體保護焊最小。

　　對屈服強度345Mpa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度;優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。

　　④ 固定法

　　剛性固定法是一個傳統的限制焊接變形的方法，簡單的固定和限制松開后，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，有的用簡單的夾具成支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時點固在剛性工作平臺上，有的甚至利用結構本身去構成剛性較大的組合體。

　　⑤ 散熱法

　　散熱法又稱強迫冷卻法，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焊。

　　2、預防和控制焊接應力的措施

　　(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要考慮合理安排焊接順序，而且減小應力也應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，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當先焊。

　　因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，故應力較小。

　　(2)預先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量

　　1開緩和槽減小應力法：厚度大的焊件剛性大，焊接時容易產生裂紋，在不影響結構強度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應力，避免裂紋的產生。

　　2采用“冷焊”的方法：這種方法的原則是使整個結構上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個“局部”的溫度應盡量控制得低些，同時這個“局部”在結構這個“整體”中所占的面積范圍應盡量小些。

　　3整體預熱法：這種方法減小焊接應力的原理與“冷焊法”在本質上是相似的，即同樣是使焊接區的溫度和結構整體溫度之間的差別減小，差別愈小，冷卻后焊接應力也愈小，產生裂紋的傾向也愈小。

　　4采用加熱“減應區”法：這種方法就是加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位(“減應區”)，使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用。

　　這種方法又稱為加熱去除約束法。

　　四、焊接變形和焊接應力的消除

　　1、焊接變形的矯正

　　在鋼結構加工之前，首先考慮采取各種有效措施防止或減小焊接變形，但在實際施工中由于某些原因，焊后結構會發生了超過產品技術要求所允許的變形，這樣就必須設法矯正變形，使之符合產品質量要求。

　　2、焊接應力的消除

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

　　(2)機械拉伸法：即對焊件施加載荷，使焊縫區產生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應力。

　　如：壓力容器的水壓試驗。

　　(3)溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側金屬受熱膨脹以對焊縫區進行拉伸，使其產生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應力，該法適用于焊縫較規則，厚度在40�L以下的板殼結構。

　　(4)振動法：通過激振器使焊接結構發生共振產生循環應力來降低或消除內應力。

　　結束語：

　　在鋼結構施工過程中，一定要了解焊接結構的材料、工作條件等各方面，正確編制焊接工藝，采用合理有效的焊接方法和預防控制措施，減小焊接變形和焊接應力。

　　同時在工作實踐中需要不斷總結、積累焊接經驗，綜合分析分析各種因素，確保鋼結構工程的質量。

　　建筑鋼結構焊接應力變形控制【2】

　　【摘要】在焊接過程中焊件將發生變形，隨著變形的產生，焊件內的應力狀態也發生變化，而焊完并冷卻后所留下的變形不是暫時的而是殘余的。

　　通常焊接的殘余變形和應力是同時存在的，但在一般焊接結構中殘余變形的危害性比殘余應力大得多，它使焊件或部件尺寸改變而無法組裝，使整個構件喪失穩定而不能承受荷載，使產品質量大大降低，而矯正卻要浪費大量的人力和物力，有時還導致產品的報廢。

　　同時焊接裂紋的產生往往和焊接殘余應力和焊接變形有著密切的關系。

　　【關鍵詞】建筑鋼結構 焊接 應力 變形控制

　　一、產生原因分析

　　1.焊接應力

　　焊縫溫度冷卻至室溫后，在整個接頭區內焊縫及近縫的拉應力與母材的壓應力區域達到平衡，這時應力狀態稱為焊接殘余應力，形成焊接應力。

　　2.焊接變形

　　在焊接應力的作用下，如果焊件的約束較小，則焊件會產生形影的尺寸變化或彎曲或翹曲變形，稱為焊接變形。

　　3.焊接應力與焊接變形產生原因

　　在焊接過程中，在不均勻加熱使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠處大部分金屬不受熱，其溫度接近室內溫度。

　　這樣，不受熱的金屬部分便阻礙了焊縫及近縫金屬的膨脹和收縮，因而，焊縫就產生了不同程度的收縮和內應力(縱向和橫向)，就造成了焊接結構的各種變形。

　　金屬內部晶粒組織的轉變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形，這也是產生焊接應力與變形的根本原因。

　　4.焊件殘余應力與變形危害

　　在焊接過程中焊件將發生變形，隨著變形的產生，焊件內的應力狀態也發生變形，而焊完并冷卻后所留下的變形不是暫時的而是殘余的。

　　通常焊接的殘余變形和應力是同時訊在的，但在一般焊接結構中殘余變形的危害性比殘余應力大得多，它使焊件或不見尺寸改變而無法組裝，使整個構件喪失穩定而不能承受荷載，使展品質量大大降低，而矯正卻要浪費大量的人力和物力，有時還導致產品的報廢。

　　同時焊接裂紋的產生往往和焊接殘余應力和焊接變形有著密切的關系。

　　有的金屬由于焊后產生了殘余應力而使其適用性能大為下降，從而對這類金屬的焊件生產工藝上就存在大量困難。

　　因此，在制造焊接結構時，必須充分了解焊接時應力發生的機理和焊后決定工件變形的基本規律，以控制和減小它的危害。

　　二、鋼結構焊接應力、變形分析與控制

　　1.焊接變形的控制措施

　　全面分析各因素對焊接變形的影響，掌握其影響規律，即可采取合理的控制措施。

　　(1)焊縫截面積的影響

　　焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積。

　　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，而且是主要的影響因素，因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

　　(2)焊接熱輸入的影響

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

　　(3)焊接方法的影響

　　多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結構常用的集中焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入量最大;在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，埋弧焊收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。

　　(4)接頭形式的影響

　　在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方法等因素條件相同時，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線的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。

　　②T型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。

　　雙面焊接時情況有所不同，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。

　　(5)焊接層數的影響

　　①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律，第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規律相似，因此，收縮變形相對較小。

　　②縱向收縮;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，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。

　　在工程焊接實踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況作具體的綜合分析。

　　所以，了解焊接變形產生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：

　　a.減小焊縫截面積，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸(角度或者間隙)。

　　b.對屈服強度345MPa以下，且硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱和層間溫度;優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊

　　c.厚板焊接時盡可能采用多層焊代替單層焊。

　　d.在滿足設計要求情況下，縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可采用間斷焊接發。

　　e.雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構件中和軸對稱的焊接順序。

　　f.T形接頭板厚較大時采用開坡口叫對接焊縫。

　　g.采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。

　　h.采用剛性夾具固定法控制焊后變形。

　　i.采用構建預留長度補償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長可預留0.5～0.7mm。

　　j.對于長構件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構件組裝精度，使坡口角度和間隙準確，電弧的指向和對中準確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長度方向一致。

　　k.在焊縫眾多的構件組焊和結構安裝時，要采取合理的焊接順序。

　　l.設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸，并使焊縫的布置與構件中和軸相對陳。

　　2、焊接應力的控制措施

　　構件焊接時產生瞬時內應力，焊接后產生殘余應力，并同時產生殘余變形，這是不可避免的現象。

　　焊接變形的矯正費時費工，構件制造和安裝企業首先考慮的是控制變形，往往對控制殘余應力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制變形，實際上增大了焊后的殘余應力。

　　對于一些本身剛性較大的構件，雖然變形會較小，但卻同時產生較大的內應力，甚至產生裂紋。

　　因此，對于一些構件截面厚大、焊接節點復雜、拘束度大、鋼材強度級別高、使用條件惡劣的重要結構件要注意焊接應力的控制。

　　控制應力的目的是降低其峰值使其均勻分布，其控制措施有以下幾種：

　　2.1減小焊縫遲勛;焊接內應力由局部加熱循環而引起，為此，在滿足設計要求的條件下，不應加大焊縫尺寸和層高，要轉變焊縫越大越安全的觀念。

　　2.2.減小焊接拘束度;拘束度越大，焊接應力越大，首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。

　　2.3.采取合理的焊接順序;在焊接較多的組裝條件下，應根據構件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。

　　2.4.降低焊件剛度;創造自由收縮的條件。

　　2.5.錘擊法減小焊接殘余應力;在每層焊道完后立即用源頭敲渣小錘或電動錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應力。

　　但根據焊道、坡口內及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側焊道不宜錘擊，以免出現熔合線和近縫區的硬化或裂紋。

　　高強度低合金鋼，如屈服強度級別大于345MPa時，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應力。

　　2.6.采用拋丸機除銹;通過鋼丸均勻敲打來抵消構件的焊接應力。

　　四、結束語

　　綜上所述，在施工過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，以便減少和消除焊接后殘余應力、殘余變形。

　　在實踐中不斷總結、積累焊接經驗，綜合分析考慮各種因素，以保證工程中的焊接質量。

　　參考文獻：

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