【摘要】在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生变化，而焊完并冷却后所留下的变形不是暂时的而是残余的。通常焊接的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受荷载，使产品质量大大降低，而矫正却要浪费大量的人力和物力，有时还导致产品的报废。同时焊接裂纹的产生往往和焊接残余应力和焊接变形有着密切的关系。
【关键词】建筑钢结构 焊接 应力 变形控制
一、产生原因分析
1.焊接应力
焊缝温度冷却至室温后，在整个接头区内焊缝及近缝的拉应力与母材的压应力区域达到平衡，这时应力状态称为焊接残余应力，形成焊接应力。
2.焊接变形
在焊接应力的作用下，如果焊件的约束较小，则焊件会产生形影的尺寸变化或弯曲或翘曲变形，称为焊接变形。
3.焊接应力与焊接变形产生原因
在焊接过程中，在不均匀加热使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度接近室内温度。这样，不受热的金属部分便阻碍了焊缝及近缝金属的膨胀和收缩，因而，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形。金属内部晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形，这也是产生焊接应力与变形的根本原因。
4.焊件残余应力与变形危害
在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生变形，而焊完并冷却后所留下的变形不是暂时的而是残余的。通常焊接的残余变形和应力是同时讯在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或不见尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受荷载，使展品质量大大降低，而矫正却要浪费大量的人力和物力，有时还导致产品的报废。同时焊接裂纹的产生往往和焊接残余应力和焊接变形有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而使其适用性能大为下降，从而对这类金属的焊件生产工艺上就存在大量困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接时应力发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减小它的危害。
二、钢结构焊接应力、变形分析与控制
1.焊接变形的控制措施
全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。
（1）焊缝截面积的影响
焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是主要的影响因素，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。
（2）焊接热输入的影响
一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。
（3）焊接方法的影响
多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构常用的集中焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入量最大；在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，埋弧焊收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。
（4）接头形式的影响
在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。
①表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母线的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。
②T型角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。
③对接接头在单道（层）焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊接时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。
（5）焊接层数的影响
①横向收缩；在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。
②纵向收缩；多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况作具体的综合分析。
所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施：
a.减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度或者间隙）。
b.对屈服强度345MPa以下，且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和层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊
c.厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。
d.在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接发。
e.双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。
f.T形接头板厚较大时采用开坡口叫对接焊缝。
g.采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。
h.采用刚性夹具固定法控制焊后变形。
i.采用构建预留长度补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5～0.7mm。
j.对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向和对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。
k.在焊缝众多的构件组焊和结构安装时，要采取合理的焊接顺序。
l.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和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对陈。
2、焊接应力的控制措施
构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大、焊接节点复杂、拘束度大、钢材强度級别高、使用条件恶劣的重要结构件要注意焊接应力的控制。控制应力的目的是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：
2.1减小焊缝迟勋；焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。
2.2.减小焊接拘束度；拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。
2.3.采取合理的焊接顺序；在焊接较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。
2.4.降低焊件刚度；创造自由收缩的条件。
2.5.锤击法减小焊接残余应力；在每层焊道完后立即用源头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根据焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。
2.6.采用抛丸机除锈；通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。
四、结束语
综上所述，在施工过程中一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊接后残余应力、残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑各种因素，以保证工程中的焊接质量。
参考文献：
[1]田拥军.如何控制焊接应力和变形[J] 山西建筑 2004（30）
[2]朱青松.焊接应力和变形对钢结构承载力的影响分析[J] 城市建设 2011（35）
[3]王华民 .大型钢结构建筑安装技术研究[J] 天津建设科技 2011（21）
[4]宋统战.变截面箱形柱制作中焊接变形控制技术[J] 现代焊接2014（8）
作者简介：苏智良 （1981-） 男 河南省新乡市人.2011年郑州大学建筑工程毕业，助理工程师，现在河南天丰钢结构有限公司从事钢结构详图分解技术工作。
推荐访问： 应力 钢结构 焊接 变形 控制