控制钢结构焊接残余应力与变形的措施

摘要：近年来，随着现代焊接向着高精度方向的不断发展，如何正确采取在焊接生产过程中发生的应力与变形的措施，对保证焊接结构的质量有重要意义。针对焊接应力与焊接变形产生的原因，提出控制、矫正和消除焊接应力与变形的措施，并就具体方法进行阐释。

关键词：钢结构焊接应力焊接变形产生原因控制措施

焊接应力往往是造成裂纹的直接原因，会降低焊接结构的承载能力和使用寿命。焊接变形不仅影响焊件尺寸精度与外形，而且在焊后要进行大量复杂的矫正工作，严重的甚至使焊件报废。因此掌握焊接应力与变形的有关知识，对保证焊接结构的质量具有重要意义。

一、焊接应力与焊接变形产生的原因

焊接应力是焊接构件由焊接而产生的应力。焊接过程中不均匀温度以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

（一）焊接的不均匀受热

对构件进行不均匀加热时，当温度材料屈服点的温度，构件就会产生压缩性变形。冷却后，就会有残余应力。加热过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反以及焊缝及其附近区域产生压塑性变形，冷却时压塑性变形区收缩，焊件中的应力分布的不均匀，同样会产生焊接应力和变形。

（二）焊缝金属的收缩

焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中会引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，这也会产生焊接应力与变形。

（三）金属组织的变化

金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。

（四）焊缝的刚性和拘束

焊缝的刚性和拘束，对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊接抵抗变形的能力，它与焊接材质，焊接截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，焊接变形越大，而焊接应力就越小。

二、控制焊接应力与变形的措施

钢结构焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制，使之危害尽可能减少。

（一）采取合理的装配焊接顺序

焊接应从中间向四周进行，是尽量使焊缝能比较自由的收缩，尤其是对那些收缩比较大，残余应力比较大的焊缝。

（二）选择合理的焊接工艺参数

焊接时应尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条，较小的焊接电流和快速焊等，以减少焊件受热范围，从而减少焊接残余应力。

（三）反变形法

一般是单面焊时采取反变形法。根据焊件变形规律，预先把焊件人为地制造一个变形，使这个变形与焊接变形的方向相反而数值相等。

（四）刚度固定法

利用外加刚度约束来减少焊件焊后变形的方法为刚度固定法。在生产实践中，采用手动，气动，磁力等通用夹具及专用装焊夹具，来控制焊后的焊接变形。

（五）预热法

预热法是焊前对焊件的全部（或局部）进行加热的措施。一般预热的温度在150～350°C之间。被焊接工件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快，则焊接接头的残余应力就会越大。预热既能减小工件各部位的温差，又能减缓冷却速度。

三、消除焊接应力的方法

（一）热处理方法。它包括：整体热处理和局部热处理。将整个热件放在炉火中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%-90%的残余应力消除掉。

（二）捶击法。锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力的变形。

（三）振动法。这种方法的优点是设备简单、成本低，时间比较短。构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构件的残余应力逐渐减低。

四、火焰矫正焊接变形的方法

火焰矫正法是用氧—乙炔火焰（一般采用中性焰）加热到600～800°C的温度，以不均匀加热的方法引起结构变形来矫正原有的残余变形的方法。

（一）点状加热矫正。用于钢管弯曲变形，火焰加热的区域为一个点或多个点，加热速度要快，加热一点后迅速移到另一点加热。经过同样方法加热，自然冷却一到两次，即能矫正。

（二）线状加热矫正。用于厚度小于8mm以下钢板，火焰在钢板凸面位置沿着直线方向或者同时在宽度方向作横向摆动的移动，可同时用水冷却。

（三）三角形加热矫正。用于厚度较大，刚性较强构件的弯曲变形，如槽钢，T字梁等。加热部位是在弯曲变形构件的凸缘加热区呈三角形，顶点朝内，可用多个焊炬同时加热并根据结构和材料的具体情况，用外力或水急冷。

钢结构焊件采用哪种方法控制应力及变形，要进行具体分析。根据不同状况选择一种或多种控制措施。从而达到既保证安全又经济实用的目的。

参考文献：

[1]邱葭菲焊工工艺学（第三版）[M]北京：中国劳动社会保障出版社，2005年6月

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